计算机图像处理技术在造纸工业纤维分析中的应用第二部分_浆料纤维的分析

计算机图像处理技术在造纸工业纤维分析中的应用
第二部分:浆料纤维的分析
陶劲松　陈　港　刘松坡
(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州,510641)
摘　要:本文重点叙述了计算机图像处理和分析技术在造纸工业浆料纤维分析中的应用,并对国内外的现状进行了概括。

通过对浆料纤维的几何形态、结合情况、排列取向和成形絮聚的分析,阐述了计算机图像处理和分析技术对浆料纤维的分析有直观、无损伤性和精确的特点,有较好的发展潜力。

关键词:计算机图像处理;造纸工业;浆料纤维;技术应用
计算机图像处理和分析技术是近几年来随着信息产业的迅速发展而发展起来的一门新兴的分析技术。

因为其直观、准确等特点,而在各个科学领域得到了广泛的应用。

在造纸工业方面,也逐步在木质纤维、浆料纤维、纸页成形、填料、涂料结构和分布、纸张性能等方面应用此技术。

而且近年来,这一领域逐步成为先进国家交叉学科技术的热门,如美国、日本、加拿大、法国、芬兰、挪威等,这些造纸工业发达的国家在该领域进行了深入的研究。

与在制浆前端木质纤维的分析应用[1]相比,计算机图像处理和分析技术在浆料纤维方面的分析应用上更为成熟。

在对浆料纤维分析方面,芬兰和挪威研究得比较深入,如加拿大Paprican制浆造纸研究所的Byron Jo rdan博士、英国曼彻斯特理工大学(UM IST)的I'Anson S J博士和Sampson Bill博士,在这方面正在做一系列的研究,其中有的在这一领域的技术已经产品化,如芬兰Metso公司开发出来的FiberLab[2]和FiberExpert[3]等;目前国内华南理工大学造纸学院特种纸组和天津轻工业学院也在做这方面的研究。

计算机图像处理技术在浆料方面的应用,主要应用在纤维的几何形态、结合情况、排列取向和成形絮聚等方面。

1　测量纤维的长度、宽度、粗度和卷曲度
因为纸张的性能与纤维的性能密切相关,因此准确获取纸张性能和纤维重要参数如长度和宽度等的关系,对生产高品位纸张变得越来越重要。

在纤维的长度测量中,传统的方法之一是测量它的手扯长度,还有一种是经过筛选分出浆的等级,之后通过测量每一等级纤维的重量和长度来计算纤维的重均长度[4];这些方法都耗时而且准确性差。

后来美国生产出了纤维长度照影仪Fibrug raph[5],虽然准备样品简单,能够测量纤维的平均长度、变异系数和其它特征值,但是无论从速度还是从检测的准确度,还是赶不上芬兰Neles公司生产的Kajaani系列纤维形态分析仪[6]。

近年来Neles公司生产的Kajaani FS-100,FS-200,FSA,和FiberLab,使得工业纤维的分析变得简便快捷。

像FiberLab就是计算机图像处理与分析技术的应用。

实际上在这方面测量中,早期有代表性的是Clay[7]的测量方法。

下面就重点讲述他的测量原理、方法和特点。

1.1　测量原理及方法
1986年Clay用计算机图像处理方法测量过纤维的长度、粗糙度和卷曲度。

他在图像的输入端CCD摄像机前面加载了一个显微镜头,以便于得到适当放大的纤维图像。

这个实验中关键是CCD摄像机的分辨率和显微镜头的放大倍数,两者要求比较严格。

具体要求是从放大的图像上既能够轻松测量纤维的宽度(20～30μm),但是又能保证有一定数量的纤维落在拍摄视野(FOV)内并且纤维不要交叉太多。

Clay用的分辨率是512×512像素,拍摄视野是10m m×10mm。

在他的实验中,测量的是质量平均长度,这比以根数统计的平均长度更能代表浆、纸的纤维长度,与成品的强度指标密切相关,如下面方程式:质量平均长度=∑L i2/∑L i,二重质量平均长度=∑L i3/∑L i2,其中Li代表第i根纤维的长度.
在粗度(Coarseness)的测量中,测量较长度与宽度麻烦,Sastry[8,9]曾经指出纤维质量和长度之间有
接近线性的关系,实际上这个线性关系系数即是粗度的体现。

在Clay 的实验中,粗度(m /mg )用质量正比于单位长度来计算,当然也是先测量一定总长度(m )纤维的绝干质量(mg )再换算而来;卷曲度用纤维的长度正比于纤维首尾两点间直线的长度来计算。

1.2　图像处理
在纤维的准备中,先要求把纤维染色,再放到显微镜的载玻片上。

所得图像先进行开运算去除斑点和噪声,再进行闭运算连通边界,然后进行分割二值化处理。

在测量长度的过程中,要在二值图像中进行腐蚀细化处理,然后用标号法编程就可以实现。

图1是处理后的纤维图样。

图1　纤维处理后的图样
1.3　分析特点
Clay 的方法直观准确,但是只是限于实验室离
线测量,速度较慢。

根据同样的计算机图像测量原理,Metso 公司生产出了纤维分析仪FiberExpert [3],所用装置跟Clay 不同的是,这套装置用的是一个旋转式的显微镜,分辨率是10μm 或者30μm ,相对应的拍摄视野是8×6mm 和22×17mm 。

该装置能够测量纤维的指标有平均长度、质量平均长度、纤维的分布、SW /HW 的比率、卷曲度和粗度。

该仪器的特点是有四个样品测样管,能够不间断的连续操作,分析实现了自动化。

Clay 的图像分析装置和FiberExpert 与前面提到的Kajaani 系列纤维形态分析仪[6]在准确度和直观性上有了很大的提高,因为前者是利用直接分析纤维的尺寸的方法来测量,更准确直观,而后者是利用纤维可改变偏振光方向的原理来间接的测量,没有提供有关纤维如何计算及测量的方法,效率高但是有时候不是很准确。

但这种方法也有不足之处,因为它提高了放大倍数,几乎可观测到单根的纤维,提高了测量的质量,所以牺牲了测量的数量,被测纤维数量少,在测量速度上不是很快。

2　分析纤维的结合情况
早在60年代Nordman [10]就观察到在一定的打浆和湿压榨条件下,很多纸浆的抗张力与相应的结合面积成正比。

后来理论分析表明,结合力的大小与纤维之间的接触面积有关,还与纤维接触面之间的单位面积结合强度有关。

要分析测量纤维之间的结合情况不是很容易,但Howard [11,12]
和他的同伴
Kropholler [13]就用计算机图像法分析过纤维之间的
结合情况,其原理和方法如下。

2.1　测量原理及方法
在How ard 他们的实验中,分析测量的是纤维的接触率(Fiber Contact Ratio )来间接反映纤维的结合情况。

测量的对象是低密度纤维网络结构,方法就是把纤维压到载玻片上,因为分子间的结合,纤维将会粘在载玻片上,纤维越是结合良好,在载玻片上的粘附面积越大。

How ard 用图像处理法测量出了纤维与载玻片粘附紧密的面积和整个纤维面积的比率,这个比率就是接触率。

How ard 用到的图像分析仪器类似于上文的纤
维形态分析,拍摄视野FOV 为2.5mm ×2.5mm ,比纤维形态分析小些,因为这里不必测量纤维的整根长度。

纤维的整个面积用透射光来照明,紧密接触面积用入射光来照明。

纤维需染色,浆料稀释使定量大约0.5g /m 2。

在测量中,Howard 把纤维与载玻片的粘附情况分为3种(如图2),a 中,纤维远离载玻片,因为载玻片底部大量的光线反射而使得图像明亮,透射光将在纤维的粗糙表面发生散射而没有大量的反射光;b 中纤维很靠近载玻片但是没有粘附,因为纤维和载玻片底部的反射光发生干涉而使得图像模糊;c
中纤维与载玻片完全接触,透射光大部分在纤维底部发生散射而使得图像黑暗。

因此测出黑暗区域面积就可知道结合的面积。

图2　接触率测量原理图
2.2　图像处理
How ard 在图像处理过程中,先进行颜色调整(Shade Correction ),在进行图像分割之前,必须先锐化边缘,然后确定一个合适的阈值分割图像。

而Kropholler 在处理过程中用到了边缘检测技术和
M axMin 滤波器来平滑图像。

2.3　分析特点
这种方法间接分析了纤维的结合情况,但操作须认真细致,备料也要求比较严格。

3　分析纤维的排列取向
在成形过程中,因为纤维的尺寸微小,我们用肉眼并不能轻易观测到纤维的排列取向情况。

测量纸张纤维取向的方法比较多,有零距离强度测试法、染色纤维显色法、X 射线衍射法、红外法、微波衰减法和超声波透射法等等。

而染色纤维显色法即是图像技术的应用,借助图像分析设备,得到纤维的取向将变得很容易。

3.1　测量方法
Dodson [14]等人就用计算机图像分析技术分析过纤维的排列取向情况。

他的实验做法是在抄纸配料过程中,拿出一定比例的纤维染成黑色,然后再返回添加进去向常规那样抄纸,所以这些染色的纤维将自由排列在成形纸页中,测量这些纤维的取向即可代表整个纤维的取向。

3.2　图像处理
分析测量的时候纸样用透射光背面照明,把拍摄到的图像输入电脑,用阈值操作,去掉图像的背景,这样就可以轻易看到纤维的排列取向情况。

有一个值得注意的地方是,因为纸页的成形不同,每张纸样的背景都会不一样,因此我们分割图像的时候,阈值每一张纸样都要根据它的具体情况设定。

3.3　分析特点
在Dodson 的实验中,我们也可以发现有不尽人意的地方,那就是即使用透射光,靠近底层的染色纤维也将被拍得有点模糊,这时候有一种最好得解决办法是用一定的方法使纸样透明化,另外还可以用正面光分两面检测。

4　分析浆料的成形过程絮聚情况
絮聚情况将会影响造纸湿部纤维的留着率、滤水性,从而影响纸机的操作性能和成纸的质量(如匀度和光学性能等),因此对纸浆的絮聚情况进行检测
研究有重要的意义。

在影响的结果中,匀度的体现比较突出,纸张的均匀性通常包括两方面,一是纸张表面的外观视觉性能,通常由表面粗糙度来表征,它主要受造纸机械像压榨、压光装置等影响;二是纸页中的纤维分布性能,它主要由纤维成形时候的絮聚情况来决定,通常用匀度来表征。

此处我们主要讨论与纤维絮聚相关的纤维分布性能。

在对浆料絮聚的研究方法中,计算机图像分析法是一种新兴有效的方法。

通常可以从两方面来对浆料的絮聚进行分析:一种是直接对浆料拍摄图样来进行分析,另一种也可以拍摄成纸是否均匀来间接反映浆料成形的絮聚情况。

4.1　拍摄浆料直接分析来反映絮聚情况4.1.1测量原理及方法
陈韦华
[15]
等人研制开发出的一套新的纸浆絮
聚可视化系统(如图3),就是直接拍摄浆料图样来进行图像分析。

他们在图像的输入端用到了一个透光性很好的流浆槽,在检测系统中建立了絮聚体尺
寸和强度的模型,利用模型中的絮聚指数直接反映絮聚情况,由絮聚体的强度和尺寸数据反映纸浆的絮聚特性和纸浆的留着及滤水性能,从而也可研究
纸浆的絮聚状况和成纸匀度的关系。

图3　纸浆絮聚检测系统
在他们的实验中,纸浆絮聚尺寸是以絮聚体面积百分比来表征,单个絮团面积小,成纸匀度好;絮聚体强度是以纤维以及填料的松紧度来表征,如果絮聚团强度高,纸幅脱水效果好。

絮聚指数由絮聚体强度和絮聚体面积的比值来表征。

4.1.2　图像处理
在他们的图像处理中,主要做的是测出絮聚体相对整个图像的面积百分比,因此必须为絮聚体区域的灰度下定义,也就是确定图像分割的阈值,每一副背景都不同,因此每一副图样的阈值将会不一样,适当准确的阈值的选定,是整个处理过程的关键,因为它关系到结果的准确性。

4.1.3　分析结果及特点
他们通过实验得出的经验是:纸浆的絮聚程度越大,纤维絮聚越紧密,絮聚体强度越大,絮聚体在图像中所占的面积越小,絮聚指数越大,纸浆的絮聚程度越高。

在分析中,如果是对浆料进行实时处理,则对图像采集卡和计算机的运算能量要求比较高。

4.2　拍摄纸页纤维分布来间接分析浆料絮聚情况
分析测试纸页中纤维的分布情况,最简单有效的办法是裁取极小试样来称重,这种方法难以准确裁取小试样,为得到概率函数所需试样比较多。

比较快捷直观的方法就是直接拍出纸页中的纤维分布。

要拍摄纸页中的纤维的分布状况,就需要有一种光来穿透纸页让纸页中的纤维成像。

通常的有用β—射线、普通透射光和X —射线、γ—射线四种。

4.2.1　透射光为β—射线
1950年,Crawford
[16]
等人就用β—射线法来分
析测量纸页中的纤维分布状况,β—射线的波长很长,不产生散射,而且比X —射线有更好的安全性。

后来Sampson [17]在他的论文中提出了一种用图像分析法的改进技术,Bergh 和Luner [18]也用β-射线对新闻纸做过图像分析。

4.2.1.1　测量方法
在Sampson 的装置中,用到了CCD 摄像机和其它的图像处理设备,成像放射源是β-射线,装置图如图4。

纸样夹在放射源和射线成像底片之间,接触良好,纸样上方放有一条有不同颜色深浅的聚酯薄膜条,这是一条经验校准条(Calibration Wedge ),它不同颜色成像灰度对应一定的已标定的定量。

纸样放进去后,根据纸样的定量的大小曝光一定的时间,然后底片就会成像。

成像后的底片放到显影桌(Light Table ),用CCD 摄像机采集图像数字化,然后用计算机对图像进行处理。

图4　β-射线成像分析装置
4.2.1.2　图像处理
在处理过程中,可以把成像的灰度分布图与校准条的成像灰度对照,把灰度分布图转换为质量分
布图,同时用计算机把灰度数据矩阵转换为质量数据矩阵,统计算出它的不均匀变化系数。

由质量分布图和不均匀变化系数,即可以看出纤维的絮聚情况。

4.2.1.3　分析特点
实验中的缺陷是,如果纸样太厚,会使得透射的射线散射厉害,降低图像处理的分辨率,结果不太理想;同时如果底片和放射源接触不好的情况下也会发生这种情况。

在纸样抄片工艺条件变化不大的情况下,可以先定一个等级顺序,再来对图样结果进行分析,算出图样的特形周长(Specific Perimeters ),来对结果进行排行,Jordan [19,20]用的就是这种方法,他由实验得出,成形不太好的纹理成形(Grainier Formation )比成形良好的云彩状成形(Cloudy Form ation )的特形周长更长。

很显然在这种情况下,纹理成形的纤维的絮聚程度高。

4.2.2　透射光为普通光
在与β-射线测量原理基本相同的情况下,可以把β-射线换成普通光,因为普通光没有β-射线
穿透性好,容易受到纸张的定量、密度、颜色和填料等因数的影响,所以操作对实验的条件要加以一定的限制。

最近国外有研究人员对这一方向做过研究, Waterhouse[21],Komppa和Ebeling[22,23]就用仪器来分析测量过纸样局部透射光和局部质量(纤维)分布的情况,Bergh和Luner[18]对新闻纸也用普通透射光做过类似的分析,Komppa和Ebeling[22,23],Bergh 和Luner[18]通过实验发现局部测量范围里面,透射光变化因子(the Coefficient of Variation of Light Transmission)比质量变化因子(the Coefficient of Variation of Gramm age)小;Waterhouse[27]也同样发现,质量变化因子除了大多数比较大以外,也有一些比透射光变化因子小。

Dooley[24]采取一些办法来提高普通透射光的分析质量,他在图像的输入部分用的是一台高分辨率的桌式扫描仪(A Hig h Resolution Desktop Scan-ner),纸样的抄造成形工艺参数分成几个平台来变化。

Dooley采取通过实验得出透射光成像的图样灰度分布和纸张质量的分布是一个直接的线性关系,这为用计算机图像分析法来分析浆料的絮聚提供了依据,同时也为由透射光成像来计算纸张定量提供了一个方向。

4.2.3　透射光为X-射线或者β-射线
低能量的小剂量X—射线(Soft X-rays)和β—射线也可以代替β—射线来分析浆料的絮聚情况,它们在纸页中的散射程度和β—射线差不多,但是安全性没有β—射线好。

计算机图像分析处理方法除了以上在浆料方面有应用外,在纸张及其抄造等其它方面也有广泛的应用[25,26],待后再述。

5　结　语
5.1　计算机图像处理和分析技术对浆料纤维的分析,是属于非接触无损伤性分析,结果迅速准确。

并且分析测试过程中实现了微观化、可视化,有很好的开发潜力。

5.2　计算机图像分析法仪器组成简单,自动化程度高,观察结果可以记忆储存再现,且成本不高,用途多样(稍微改变,还可以用于毛棉纤维、金属纤维、石棉纤维的分析)。

但是此方法也有一定的缺陷,如有的测试中速度不高、有的对备料要求严格等,同时对软件的操作和开发都需要有一定的图像处理基础。

5.3　国内外的一个发展趋势是逐步开发、引进智能化系统,把实验室产品转换为工厂的在线测控系统。

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PartⅡ:Fibre Analysis
Tao Jinsong　Chen Gang　Liu Songpo
(State Key L ab of Pulp&Paper Engineering,South China University of T echnolog y,Guang zhou,510641)
A bstract:In this paper,the application of digital image processing technology in fibre analysis w as particularly stressed,and the latest research prog ress of this technology at home and abroad w as summarized.Throug h the analy sis and evaluation of fibre length,coarseness,w idth,curl,fibre contact ratio,fibre orientation,fo rmation and flocculation,it drew a conclusion that this technology was characterized by high measuring accuracy,objec-tive and no destroy to the sample,and having a bright future in the field of paper industry.
Key words:digital image processing;paper industry;fibre;technology application
(上接第38页)
的结合及填充会逐渐饱和,因此在纸页成型时,流失量增大。

3　结　论
3.1　碱木素在打浆前加入,会取得较好的分散和与纤维的结合,它可使浆料的打浆度上升。

3.2　碱木素可使纸页的施胶度、平滑度、耐破度及抗张强度增加,对撕裂度影响不大,而会使白度、耐折度、透气度下降。

3.3　麦草浆制纸板时碱木素的加入量应在6%～8%之间为宜。

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Study of Using Soda Lignin as Sizing and Reinforcing Agents
Chen Junzhi　Tang Hongke
(Department of Chemical Engineering,Shanxi University of Science and Technology,Xianyang,712081)
A bstract:The effeets of using soda lignin as sizing and reinfo rcing agents on the phy sical properties of paper-board have been investig atad.The results indicate that the dosage of soda lignin should be suitable,the addition of soda lignin results in the im provement of sizing,smoo thness,burst and tensile streng th of paperboard,slig ht de-crease of brig htness,porosity and folding strength.It has small effect on the tear strength.
Key works:soda lignin;paperboard;sizing agent;reinforcing agent。