本发明涉及分析木材孔隙结构技术领域，具体为一种基于x射线显微ct表征木材孔隙结构的方法。
背景技术：
木材是一种可再生的自然资源，对于人类生活起巨大的支持作用。木材经人工采伐后加工形成各种木制材料，主要应用于建筑工程、家具、装修材料、饰品等方面，与人们的生活、生产紧密相关。木材具有优良的特性，其饰面有一种特殊的优美观感，且具有高强重比、良好的声学和美学特性。同时，木材本身也存在一些缺陷，如尺寸不稳定(胀缩性)、易腐朽、易燃等等。因此，人们往往需要对木材原料进行改性、干燥等加工处理，以改良木材的某些缺陷。木材的各向异性和不均匀性使其孔隙结构复杂多变，加工过程中也会对木材孔隙结构发生改变。木材内部的孔隙结构能够影响介质运输、渗透性，进而影响木材的改性和干燥工艺。因此，有必要对木材的孔隙结构作进一步的了解和研究。
木材的孔隙结构一般通过孔隙率、孔隙体积、比表面积、孔隙直径、表面积等参数进行表征。目前孔隙结构表征方法主要有以下几种：扫描电镜、压汞法、气体吸附法、原子力显微镜、热孔计法、冷孔计法等。然而，这些方法或多或少存在某些方面的缺陷，如孔隙直径限制、视野限制、局部孔隙信息、样品制备复杂、二维图像引起的信息失真等等。同时，现有的测试技术大多数为破坏性测试，木材样品测试分析之后只能废弃扔掉，同一样品测试方法单一。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种准确、直观地再现木材中的孔隙结构形貌，并进行定量计算和可视化观察的基于x射线显微ct表征木材孔隙结构的方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于x射线显微ct表征木材孔隙结构的方法，具体步骤如下：
s1，确定所需分析或研究测试样品的孔隙尺寸范围，选择合适的x射线显微ct测试分辨率及对应的测试镜头，挑选合适尺寸的木材样品；
s2，将木材样品放置于x射线显微ct仪器中进行ct扫描，获取一系列有序的二维灰度图像；
s3，将步骤s2中获取的二维灰度图像通过软件重建木材样品的三维数字图像；
s4，用avizo软件选取感兴趣区域roi，并进行孔隙结构的可视化观察和定量分析。
作为上述方案的改进，所述的木材样品尺寸为微米级至厘米级，根据不同测量分辨率精度的显微ct分辨的最小孔隙尺度，所述的测试样品的孔隙尺度范围为1μm-500μm。
作为上述方案的改进，所述的步骤s2中，样品在x射线显微ct中扫描测试，调整好木材样品的旋转中心，木材样品在水平方向360°旋转，样品每旋转一定角度暂停，同时拍摄一张二维灰度照片，最终获得一系列有序的二维灰度图像。
作为上述方案的改进，所述的步骤s3中通过voxelstudiorecon利用fdk重建算法将步骤s2中获取一系列有序的二维灰度图像合并成一个三维立体图像文件*.ct后，并转成通用的*.raw格式文件。
作为上述方案的改进，所述的步骤4包括以下步骤：
s4.1挑选木材立体图像中的感兴趣区域roi，选择需要的分析尺寸；
s4.2随机选取一张二维灰度图像，选择合适阈值提取孔隙部分，对感兴趣区域roi数据体进行二值化处理，其中灰度值1表示为孔隙，灰度值0表示为木材；
s4.3用avizo软件进行可视化观察和计算孔隙结构的相关参数，包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积。
作为上述方案的改进，所述的步骤s4.1中所述的选择需要的分析尺寸为400×400×400pixel。
x射线显微ct技术，又叫计算机层析成像，是一种无损检测的方法，样品测试后可继续做其他有损或无损测试。这项技术的原理是根据物质对于x射线吸收程度的差异，具体体现在物质密度差异。x射线穿过物体时，由于不同物质密度不同，x射线出现不同程度的衰减，其衰减规律遵循beer定律。衰减后的x射线被探测器捕获，通过转换计算，显示出不同的灰度值。
x射线显微ct技术能够可视化观察木材内部孔隙结构形貌、定量计算孔隙结构相关参数。这种技术的可贵之处在于它是一种可视化测试分析方法，能够让人们清晰、准确、直观地了解木材的孔隙结构，对木材加工处理具有十分重要意义。目前，这种技术的测试分辨率涵盖几百纳米到几百微米不等，测试应用范围较广。
本发明具有以下有益效果：本发明是无损检测，可以在不破坏样品的情况下测试样品；本发明是可视化观察，测试结果可以从不同方向、不同角度进行清晰观察样品内部结构；本发明可以定量计算孔隙结构参数，包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积等。对于无损研究木材的介质运输、渗透性及可视化分析具有重要的意义。
附图说明
图1为扫描过程中的单张刺猬木材二维灰度图像。
图2为重建后的刺猬木材三维数字图像。
图3为感兴趣区域(roi)四视图图像。
图4为图3中xy切面二值化处理过程图像。
图5为对图4二值化处理后图像。
图6为刺猬木材三维图像。
图7为孔隙三维图像。
图8为孔隙在刺猬木材中三维分布图像。
具体实施方式
实施例
以实验室的x射线显微ct为例，该仪器可分辨木材的最小孔径为1μm，对刺猬红木木材进行显微ct扫描测试。以下为相关名词解释：
孔隙率，孔隙体积占总体积的比例。
孔隙三维分布，孔隙在感兴趣区域内的空间分布。
孔隙表面积、孔隙体积、孔隙等效直径、孔隙比表面积，表征孔隙结构的参数。
实验样品刺猬红木木材，基于x射线显微ct表征刺猬红木木材微观孔隙结构：
步骤1，本次实验所用样品为刺猬红木木材，研究刺猬木材的孔径1μm及以上的微米级孔隙结构，选择x射线显微ct仪器的20倍放大镜头(其测试分辨率可达1μm)，刺猬木材选用约为1mm直径、外观形状近似圆柱状样品，取于刺猬红木木材芯部；
步骤2，将刺猬木材样品用封泥固定在样品夹上，放置于x射线显微ct仪器中的样品台进行ct扫描，测试条件：电流245μa，电压40kv，曝光时间40s，图像合并数1张。调整样品旋转中心，木材样品在水平方向360°旋转，每隔0.40°样品停住，探测器获取一张二维灰度图像ct0001.dr如图1，总共获取900张二维灰度图像(ct0001.dr～ct0900.dr)；
步骤3，所有二维灰度图像文件导入voxelstudiorecon软件，利用fdk重建算法重建，调整垂直位移参数和水平角度偏移参数，重建刺猬红木木材的三维数字图像如图2，形成32位的rosewood.ct文件，同时转换成16位的rosewood.raw文件；
步骤4，将rosewood.raw文件导入avizo软件，将图像进行非局部均值滤波处理，选取感兴趣区域roi，尺寸为400×400×400像素，其四视图如图3，从roi区域中随机选择xy切面(第200张)如图4，通过灰度直方图中选取合适的阈值，灰度值小于该阈值的像素点表示为孔隙成分，反之则为木材成分。通过单张切面阈值分割提取出其中的孔隙，将该阈值应用于整个感兴趣区域roi，整个数据体执行二值化处理，形成只有两种灰度值(灰度值0和1)的数据体，其中灰度值1代表孔隙，灰度值0代表刺猬红木木材如图5。通过avizo软件可以统计整个roi区域的孔隙和木材像素点数据见表1，得出刺猬木材的孔隙率为39.92％，定量计算每个孔隙的等效直径、表面积、体积、比表面积结果，其分布统计趋势见表2至表5。avizo软件可以将木材和孔隙以三维图像的形式显示出来如图6、图7，同时也可将孔隙在木材中的分布直观地表现出来如图8。
表1孔隙成分占比
表2孔隙等效直径分布统计
表3孔隙表面积分布统计
表4孔隙体积分布统计
表5孔隙比表面积分布统计
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。