CN112734933B - 通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，通过同视野多层多焦面非织造材料显微图像来提取纤维中轴线进而还原其在非织造材料里的三维形态及位置的方法，多层显微图像采集融合，纤维的圆形分割与圆心点的选取，圆心点深度的计算，纤维中轴线的提取和还原纤维封闭的三维表面；通过提取纤维中轴线上源点的深度以及源点处纤维的截面半径，进而通过空间插值的方式还原纤维轴线以及封闭表面的三维坐标。相比较于其他重建方法，本发明真实还原了纤维纵向之间的联系,对于后续研究非织造材料孔径大小及分布、孔径内表面积、孔隙体积、空气流体阻力和压差等关键参数提供了优质的三维模型。

Description

通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法

技术领域

本发明涉及一种非织造材料三维重建技术，特别涉及一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法。

背景技术

2019新型冠状病毒(2019-nCoV)在全世界的蔓延大大增加了人们对空气过滤防护产品的需求，大多数空气过滤产品例如口罩、防尘面具、空气过滤机等其核心材料的空气过滤层多采用熔喷非织造材料。而良好的非织造材料要求能在较低过滤阻力条件下，高效捕获空气中不同尺寸颗粒物、病毒。在非织造材料内部有着丰富的多向立体微细弯曲孔道和很高的空隙率，因此有着非常好的过滤性能。然而正是因为非织造空气过滤材料孔隙结构非常复杂，目前只能依靠测试其等效孔径来近似描述，对于其真实内部结构，无论生产者还是使用者都没有准确数据。因此，准确获得非织造材料的三维结构具有极其重要的意义。

现有的关于非织造材料的三维重建技术主要有基于扫描电镜图像、光学显微镜、医学CT即X射线断层扫描技术。其中基于扫描电镜的技术有利用霍夫变换分析针刺非织造布中纤维的取向、通过非织造材料表层纤维网图像排列和取向利用随机算法构建材料的简易模型。扫描电镜获取的图像清晰度高，但成本高、效率低，而且局限于纤维网厚度、细度等问题。光学显微镜使用便捷、实用性好，基于光学显微镜的技术有利用图像处理技术分析了非织造材料的厚度、纤维长度、细度及卷曲，采用傅里叶变换对纺粘非织造材料显微图像进行纤网取向分析，采用随机算法设计三维模型来描述材料结构，以及结合材料表面图像特征模拟非织造材料加工过程，重建出材料三维结构。其中基于光学显微镜的单幅图像与基于扫描电镜的图像都丢失了目标的深度信息，仅仅依靠表层图像进行模拟，无法准确描述纤维之间纵向的联系，所以更加无法准备的表征非织造材料的孔隙结构。基于医学CT的技术可以找到目标的深度信息，但是存在很多弊端，价格高、检测速度慢、辐射等问题，更无法做到快速、精准、批量化的三维重建。目前已有一些技术参考CT成像的原理来基于光学显微镜对非织造材料连续拍摄多层不同聚焦深度的图像，从而拥有材料的深度信息又能避开CT的弊端。例如通过单一聚焦平面下采集的图像会部分清晰，部分模糊，呈多焦面现象，来根据纤维在不同图层的清晰度确定纤维的深度信息进行三维重建。但是面临的主要问题是在光学镜头景深范围内纤维表面会在多个图层中重复成像，造成表面点的唯一深度计算困难，以及下层被遮挡住，因此重建的三维模型只是各个图层聚焦点的堆叠而已，其中每一根纤维都是切断的，不连贯的，丢失了层与层之间的联系，也丧失了纤维在空间的真实形态。

发明内容

针对现在非织造材料的三维重建存在的问题，提出了一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，通过同视野多层多焦面非织造材料显微图像来提取纤维中轴线进而还原其在非织造材料里的三维形态及位置的方法。用于获取非织造材料的真实三维模型。

本发明的技术方案为：通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，具体包括如下步骤：

1)、多层显微图像采集融合:获取同视野多层多焦面非织造材料显微图像的融合图像；

2)、纤维的圆形分割与圆心点的选取：将步骤1)所得的融合图像进行二值化阈值分割以及用形态学处理方法填充孔洞；然后通过提取半径算法得出半径分布图，在半径分布图上找到在纤维体上每一个径向方向的极大值点，这些极大值点组成纤维的中线；在中线上均匀选取源点，并且以此源点为圆心，对应此源心的半径画圆，将每条纤维分割成若干个独立的、且相互靠近的圆形区域；其中提取半径的计算方法为：

对纤维体上的每一个点定为源点，对其进行8邻接扩散，超出纤维体扩散停止，第一个超出的点计算此点到源点的欧氏距离，算出的欧式距离定为此源点的半径；

3)圆心点深度的计算：对步骤2)得到了整个图像的各个圆心点所对应的判断圆形区域，求取所有图层上与判断圆形区域相对应区域的区域清晰度，在所有相同位置的区域中找到具有最大区域清晰度的区域，将该区域所属的图层深度赋给所对应区域的圆心点；将所有圆心点都赋值深度完毕后形成所需要的三维坐标图，而图中圆心点的灰度值即为其深度坐标Z；

4)纤维中轴线的提取：将三维空间内的每一个圆心点按照其所属的纤维进行相互连接，当所有点都按照设定连接算法正确连接完毕，则纤维中轴线提取结束；

5)还原纤维封闭的三维表面：将中轴线上的每一个点按照其点半径还原出一个由点云组成的封闭球壳点云；然后将点云模型输入到Geomagic Studio进行曲面封装，封装完毕后得到所需要的三维模型。

所述步骤3)中清晰度通过下式得到：

其中，S(x,y)表示以点(x,y)为圆心的区域清晰度，P表示以点(x,y)为中心的评价区域，(q,w)表示位于评价区域P内的所有像素点，f(q,w)表示位于位置(q,w)处的像素点的灰度值。

所述步骤4)具体实现方法：将三维空间内的每一个圆心点，通过广度优先算法搜索其相邻的圆心点，与满足连接条件的最近的两个点相连，当所有点都按照连接算法正确连接完毕，则纤维中轴线提取结束；

其中连接条件为：

其中，Z₁、Z₂分别为相邻的两个圆心点的深度值，向量

分别为从一个圆心点出发与其他两个圆心点相连接的两条线，T为同纤维上的两个相邻圆心点深度差阈值。

本发明的有益效果在于：本发明通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，通过提取纤维中轴线上的源点的深度以及源点处纤维的截面半径，进而通过空间插值的方式还原纤维轴线以及封闭表面的三维坐标，能够真实的还原纤维在非织造材料里的三维形态和位置以及堆砌结构。对于后续研究非织造材料孔径大小及分布、孔径内表面积、孔隙体积、空气流体阻力和压差等关键参数提供了优质的三维模型。通过本发明获得非织造材料的三维点云模型能真实地模拟仿真纤维在非织造布中的三维堆砌结构，对于后续研究其结构参数与过滤性能的关系提供理论依据。

附图说明

图1为本发明通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法流程示意图；

图2为本发明实施例同一视野条件下不同图层的纤维图像；

图3为本发明实施例纤维半径分布图；

图4为本发明实施例纤维中线图；

图5为本发明实施例纤维圆形分割图；

图6为本发明实施例圆心点连线过程示意图；

图7为本发明实施例纤维中轴线的三维重建图；

图8为本发明实施例最后得到的三维模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供了一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，如图1所示流程示意图，具体步骤如下：

第一步、多层显微图像采集融合：利用装配有自动载物台的全自动显微镜，采集同一视野下、不同聚焦位置的多层显微图像的融合图像，如图2同一视野条件下在聚焦过程中，拍摄不同聚焦位置获得热风非织造布的不同图层的纤维图像，其中，a为第19图层的纤维图像，b为第29图层的纤维图像，c为第39图层的纤维图像，d为第49图层的纤维图像，e为第59图层的纤维图像，f为第69图层的纤维图像，g为第79图层的纤维图像，h为第89图层的纤维图像，i为第99图层的纤维图像。

第二步、纤维的圆形分割与圆心点的选取：将上一步所得的融合图像进行二值化阈值分割以及用形态学处理方法填充孔洞。然后通过提取半径算法得出半径分布图，如图3所示。在半径分布图上找到在纤维体上每一个径向方向的极大值点，这些极大值点组成纤维的中线。如图4所示，即为找到的中线图。

其中提取半径的计算方法为：

对纤维体上的每一个点定为源点，对其进行8邻接扩散，超出纤维体扩散停止，第一个超出的点计算此点到源点的欧氏距离，算出的欧式距离定为此源点的半径。

在中线上均匀选取源点，使其为圆心，并且以此点半径画圆，再依次选取源点进行画圆的过程中，如果新画的圆与已存在的圆有相交，则舍掉此源点，因此画圆完毕后，存在的圆形应该是独立的，且相互靠近的。每一个圆是由一系列到达对应圆心点距离相等的点组成，利用距离判断公式可获得这一系列点的集合，每一个圆心点在它的半径范围内的点不与其他圆形的点相交，将每条纤维分割成若干个独立的、相切的圆形区域，如图5所示。式(1)为距离判断公式：

其中，(X_i,Y_i)和(X₀,Y₀)分别为圆内的点和圆心点，R为圆心点半径。

第三步、圆心点深度的计算：对于任意一个圆心点来说，将圆心点以其半径作的圆，形成了与该圆心点相对应的判断区域，从而得到了整个图像的各个圆心点所对应的判断区域，求取所有图层上与判断区域相对应区域的区域清晰度，在所有相同位置的区域中找到具有最大区域清晰度的区域，将该区域所属的图层深度赋给所对应区域的圆心点。将所有圆心点都赋值深度完毕后形成所需要的三维坐标图，而图中圆心点的灰度值即为其深度坐标Z。其中区域清晰度可以通过式(2)得到：

其中，S(x,y)表示以点(x,y)为圆心的区域清晰度，P表示以点(x,y)为中心的评价区域，(q,w)表示位于评价区域P内的所有像素点，f(q,w)表示位于位置(q,w)处的像素点的灰度值。

第四步、结合图6,进行纤维中轴线的提取：将三维空间内的每一个圆心点(这里选取图6中a图中灰色方框内的三个点作为示例)设置四个触发器分别位于圆心点的四个象限上,如图6中b图每个点被划分为4个部分其分别代表4个触发器，此时4个触发器均处于可连接状态，通过BFS算法(广度优先算法)搜索其相邻的圆心点，与满足连接条件的最近的两个点Z₁、Z₂相连，其中每两个点相互连接后，便关闭其连接方向的触发器以及相邻触发器，图6中c和d图中黑色为关闭的触发器，灰色为可连接的触发器。当所有点都按照连接算法正确连接完毕，则纤维中轴线提取结束。如图7所示，为纤维中轴线。其中连接条件可以通过式(3)得到：

其中，Z₁、Z₂分别为相邻的两个圆心点的深度值，向量

分别为从一个圆心点出发与其他两个圆心点相连接的两条线，T为同纤维上的两个相邻圆心点深度差阈值。

第五步、还原纤维封闭的三维表面：将中轴线上的每一个点按照其对应半径r_i(i＝0,1,2…)还原出一个由点云组成的封闭球壳点云。其中r_i(i＝0,1,2…)为所述第二步中求出的每一个纤维点的半径，封闭球壳上的点是由一系列到对应中轴线上的点距离相等并且值为r_i(i＝0,1,2…)的点组成，这些点被称为表面点，利用空间测距公式可以获得到球心距离为r_i(i＝0,1,2…)的一系列表面点集合。然后将点云模型输入到Geomagic Studio进行曲面封装，封装完毕后得到所需要的三维模型，如图8所示，从左到右分别为非织造材料三维模型的正视图和侧视图。式(4)为空间测距公式：

其中(X_i1,Y_i1,Z_i1)和(X_i0,Y_i0,Z_i0)分别为纤维中轴线上第i点封闭球壳表面点的坐标和对应纤维中轴线上第i点的坐标，r_i为中轴线上的点(X_i0,Y_i0,Z_i0)对应的半径，i为中轴线上点的序号。

以上所述仅为本发明的实施例及运用技术原理。本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和代替而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，不限于本实施例所述。

Claims (3)

1.一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)、多层显微图像采集融合:获取同视野多层多焦面非织造材料显微图像的融合图像；

2)、纤维的圆形分割与圆心点的选取：将步骤1)所得的融合图像进行二值化阈值分割以及用形态学处理方法填充孔洞；然后通过提取半径算法得出半径分布图，在半径分布图上找到在纤维体上每一个径向方向的极大值点，这些极大值点组成纤维的中线；在中线上均匀选取源点，并且以此源点为圆心，对应此源心的半径画圆，将每条纤维分割成若干个独立的、且相互靠近的圆形区域；

其中提取半径的计算方法为：

对纤维体上的每一个点定为源点，对其进行8邻接扩散，超出纤维体扩散停止，第一个超出的点计算此点到源点的欧氏距离，算出的欧式距离定为此源点的半径；

3)圆心点深度的计算：对步骤2)得到了整个图像的各个圆心点所对应的判断圆形区域，求取所有图层上与判断圆形区域相对应区域的区域清晰度，在所有相同位置的区域中找到具有最大区域清晰度的区域，将该区域所属的图层深度赋给所对应区域的圆心点；将所有圆心点都赋值深度完毕后形成所需要的三维坐标图，而图中圆心点的灰度值即为其深度坐标Z；

4)纤维中轴线的提取：将三维空间内的每一个圆心点按照其所属的纤维进行相互连接，当所有点都按照设定连接算法正确连接完毕，则纤维中轴线提取结束；

5)还原纤维封闭的三维表面：将中轴线上的每一个点按照其点半径还原出一个由点云组成的封闭球壳点云；然后将点云模型输入到Geomagic Studio进行曲面封装，封装完毕后得到所需要的三维模型。

2.根据权利要求1所述通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，其特征在于，所述步骤3)中清晰度通过下式得到：

其中，S(x,y)表示以点(x,y)为圆心的区域清晰度，P表示以点(x,y)为中心的评价区域，(q,w)表示位于评价区域P内的所有像素点，f(q,w)表示位于位置(q,w)处的像素点的灰度值。

3.根据权利要求1所述通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，其特征在于，所述步骤4)具体实现方法：将三维空间内的每一个圆心点，通过广度优先算法搜索其相邻的圆心点，与满足连接条件的最近的两个点相连，当所有点都按照连接算法正确连接完毕，则纤维中轴线提取结束；

其中连接条件为：

其中，Z₁、Z₂分别为相邻的两个圆心点的深度值，向量

分别为从一个圆心点出发与其他两个圆心点相连接的两条线，T为同纤维上的两个相邻圆心点深度差阈值。

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