一种相对面密度的光学算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及纤维集合体结构分布特性的光学测量技术，具体来说，设及由纤维或 其他高分子物体堆搁而成的层状材料透光信号计算其面密度分布的高精度方法。
【背景技术】
[0002] 层状纺织纤维集合体的面密度分布，是表征多种层状纤维集合体结构和质量分布 等特性的中间变量，是研究纤维、纤维网、织物等纤维集合体结构和性能的重要依据，被广 泛应用于纺织材料的光电法检测等领域，照影仪法测量棉纤维长度就是一例，但是，早期利 用透光强度表征纤维层厚度的照影仪法存在很大误差。
[0003] 2008年，严漂利用摄像头拍摄透射光照射的纤维束，获得数字图像，根据图像中 像素点的亮度值与透光强度成正比的物理概念做出自称的照影仪曲线（东华大学，硕±论 文：棉纤维色度和长度测量方法的研究与设计）。因透光量与纤维层厚度（相对面密度）不 是线性关系，将透光量作为纤维层厚度计算的纤维层面密度存在较大的偏差。
[0004] 2012年，王府梅、吴红艳（专利号：ZL201210328089. 5)利用透射式扫描仪获 取双端须丛的灰度值图像后，将灰度值作为透射光强代入考虑材料吸收与厚度关系的 Lamb&rt-Beer定律计算须丛的厚度分布信息，W下称此法为Lamb&rt-Beer定律的衍生算 法。虽然较前述方法可W在很大程度提高了须丛厚度的计算精度，但是与真实厚度相比， 仍然存在一定偏差。后来吴红艳（东华大学，博±论文：一种纤维长度快速低成本测量方 法一一双须测量法）基于一组实验总结出了棉纤维须丛曲线的修正方法，但是，此经验公式 也仅适用于棉纤维。
[0005] 在理论上，由于纤维是半透明物质，当光照射纤维集合体时，一部分光线透过纤维 集合体成为透射光，另一部分光线因纤维集合体对光线的作用而损失。损失的光线，除了包 括被纤维吸收的光能量W外，还包括纤维集合体内部众多纤维表面产生的四面八方的反射 光和纤维内部结构不均或消光剂等嵌入物产生的各个方向的散射光。因为基于单向吸收的 Lambed-Beer定律没有考虑光被介质的多向散射作用和散射光进一步被吸收，所W计算出 的纤维层面密度仍然存在明显偏差。为了高精度测量和分析各种纺织纤维集合体的结构和 性质，需要建立考虑光的多向散射和吸收的光学理论模型。
[0006] 许多研究者对纺织纤维的光学性质进行过实验研究与理论研究，但是综合考虑吸 收、散射和反射的纤维层光学面密度研究却未见报道。
[0007] 当光入射到均质片状材料时，Kube化a和Munk将材料对光的散射和吸收作用在 各个方向上造成的光衰减近似折算到向上和向下两个通道光的变化，通过光衰减量推导出 与材料的厚度、散射系数、透射系数、透射信号和反射信号相关的物理方程，此方程被称为 Kube化a-Munk双通道模型。Kube化a-Munk理论模型已被广泛应用于油墨纸张、颜色混色、 医药等均质材料W及膜层原位定量光密度分析领域，而在固体与气体混合构成的纤维集合 体面密度定量计算方面未见研究或应用报道。
[0008] 因此，为了准确测量和分析各种纺织纤维集合体的结构和性质，迫切需要能够综 合考虑由纤维和空气混合构成的层状纤维集合体对光线的吸收和散射作用，采用纤维集合 体的透射光信号计算其相对面密度分布信息的精准算法。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种由纤维层透光信号计算其相对面密度分布的高精度计 算方法。
[0010] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种相对面密度的光学算法，其 特征在于，包括W下步骤：
[0011] 第一步、获取由纤维或其他高分子物体堆搁而成的层状材料试样，用均匀光源照 射层状材料试样，利用数码成像技术获取层状材料试样透射数字灰度图像；
[0012] 第二步、或者用公式（1)计算层状材料试样任一点的相对面密度Wf，即m行η列的 透射光数字灰度图像矩阵中第i行第j列的像素点上材料层的面密度Wi，与该层状材料试 样最厚点的面密度Wm。、的比值：
[0013]
[0014] 式中，R"为所测纤维或其他高分子物体堆搁到无穷厚时的反射率，是纤维或其他 高分子物体自身的光学参数；TV, =Ii，/A为第i行第j列像素点处纤维层的透射率，A为该 数字灰度图像中无纤维处像素点的灰度值（等于入射光强度），Ii,为第i行第j列的像素 点的灰度值即透射光强度；Tm。、为该试样最厚处的透射率；
[0015] 或者计算层状材料试样任一个区域平均面密度的相对值Wf，即计算第X个区域平 均面密度Wi，与该试样最厚区域平均面密度Wm。曲比值，包括W下步骤：
[0016] (1)试样的数字灰度图像划分为N个不同区域，2,每个区域的数字灰度图像 均为m行η列的灰度值矩阵；
[0017] 似计算任意一个区域即第X个区域的相对面密度Wf，x= 1，·，·，Ν;设第X个区 域的数字灰度图像上第i行第j列的像素点的透射率为Ti，，厚度最大区域的数字灰度图像 上第i行第j列的像素点的透射率为τ"_，，则用公式（2)计算第X个区域的相对平均面密 度Wr:
[0018]
[0019] 优选地，所述无穷厚材料的反射率心为常用的紫外可见分光光度仪在380nm~ 720nm波长范围内测量的层状材料厚度为0. 5~5cm范围的反射率。
[0020] 优选地，所述层状材料试样为层状纤维集合体试样或由高分子膜或碎屑堆搁而成 的层状试样。
[0021] 优选地，所述第一步包括：用均匀光源照射由纤维或其他高分子物体堆搁而成的 层状试样，同时，利用数码成像技术获取该试样的透射数字灰度图像。
[0022] 运用本发明算法获得的纤维层及高分子物体堆搁成的层状试样的相对面密度更 加精确，从而为精确测量分析纤维长度分布、纤维集合体及高分子物体堆搁的层状材料的 结构和性能打下了基础。
【附图说明】
[0023] 图1为羊毛须丛透射光灰度图
[0024] 图2为须从的相对质量随横截面位置的变化曲线 [00巧]图3为纤维层排列及正方形测试孔；
[0026] 图4A至图4J为实施例2中的第1个层状棉纤维集合体试样至第10个层状棉纤 维集合体试样的透光图像；
[0027] 图5为本发明计算的棉纤维层相对面密度与Lambert衍生算法比较；
[0028] 图6A至图6J为实施例2中的第1个层状羊毛纤维集合体试样至第10个层状羊 毛纤维集合体试样的透光图像；
[0029] 图7为本发明计算的毛纤维层相对面密度与Lambert衍生算法比较；
[0030] 图8A至图8Q为0层至16层叠加的聚醋膜透光图像；
[0031] 图9为本发明计算的薄膜相对面密度与Lambert衍生算法、光强直接算法比较。
【具体实施方式】
[0032] 为使本发明更明显易懂，兹W优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0033] 实施例1:羊毛须丛曲线的测量计算与效果考查
[0034] 须丛制作：随机抽取出一段长度大于最长纤维两倍的毛条试样，用专用夹持器垂 直于毛条长度方向夹持住毛条，然后用梳子对毛条一端进行梳理，去除浮游纤维，制得待测 羊毛须丛，参见图1。
[0035] 须丛曲线的物理意义：图1所示的须丛实际是一个层状纤维集合体，纺纱牵伸机 构设计和纺纱工艺设计等许多领域都需要知道该须丛任一横截面上的纤维量与横截面位 置的关系曲线，俗称须丛曲线。
[0036] 须丛透光图像测量：将制作好的羊毛须丛放入光学检测装置，获取须丛的透光数 字灰度图像，如图1所示。灰度值范围为0~255,分辨率为1000,精度为0. 0254mm。平行 和垂直于纤维轴建立图像的坐标系。
[0037]用本发明专利计算须丛曲线：根据公式（2)可W计算须丛任一横截面上即第j列 像素点上纤维的相对面密度Wjf，Wjf=m行η列的数字灰度图像矩阵中第j列像素点上总 计面密虔
与该试样最厚列（须丛起始横截面）的总面密度
的比值，即：
[0038]
[0039] 式中，该纤维无穷厚时的反射率心取为0.6 ;Τι,= 11,/A为须丛数字灰度图像上第 i行第j列像素点处的透射率，A为数字灰度图像中无纤维处像素点的灰度值，Ii,为须丛数 字灰度图像上第i行第j列像素点的灰度值；Timgy=IimsX/A为须丛数字灰度图中第i行最 厚列（起始列）的透射率，Iimam为须丛数字灰度图像上第i行最厚列（起始列）像素点的 灰度值。
[0040]W上面求得的第j列像素点上纤维的相对面密度W，f为纵坐标，W横截面所在位置 为横坐标，绘制须丛曲线，如图2中的黑点所示。
[0041] 效果考查：另一方面，利用AlmeterlOO仪器的电容式传感器测得该须丛任一横截 面的相对质量随横截面位置的变化曲线，如图2中的"Δ"所示。图2中的2曲线高度一致，