一种基于高分辨率X-rayCT定量表征纸张表面形貌的方法

本发明涉及造纸和计算机图像处理领域，具体涉及一种基于高分辨率x-ray ct定量表征纸张表面形貌的方法。

背景技术：

1、纸类产品是日常生活、工作及生产过程中必不可少的材料，特别是随着“限塑令”的颁布，对纸类产品的数量及质量要求均逐年上升。在纸类产品的诸多性能中，纸张表面形貌对纸张印刷性能、电子柔性纸基性能均有较大影响，同时也能有效评价纸张抄造过程中加填、涂布等工艺的实施效果。但是，由于纸张表面形貌属于微观结构，较难通过常规手段获取其特征，目前常用方法包括：扫描电子显微镜观测、干涉显微测量方法、机械/光学探针式测量以及高精度真空传感器测量方法。其中，扫描电镜法通常只能获取样品微米级别尺寸的图像，针对纸张这一非均匀性材料，该方法的测量精度和准确度欠佳；干涉显微测量和光学探针测量法都是采用光学干涉原理对纸张表面形貌进行测量，但受到空气介质影响，易导致干涉条纹扭曲失真，影响测量结果；机械探针式测量易出现断针现象，且为破坏性检测方法；而高精度真空传感器测量方法只能获得纸张表面平滑度测量值，无法获取直观图像，限制了运用范围。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，公开了一种基于高分辨率x-ray ct定量表征纸张表面形貌的方法，通过高分辨率x-ray ct对纸张样品进行断层扫描，再针对纸张样品切片图像进行处理计算，实现了快速、准确的纸张表面形貌测量。

2、本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

3、一种基于高分辨率x-ray ct定量表征纸张表面形貌的方法，包括如下步骤：

4、s1、制备待表征纸张样品的。所述的纸张样品可为手抄纸、机抄纸、加填纸、涂布纸等纸类材料。为便于x-ray ct扫描，需将纸张样品裁剪为10×10mm大小；

5、s2、采用x-ray ct扫描得到纸张样品的断层扫描图像序列。本发明所采用的x-rayct扫描模式为纳米分辨率模式，光源电压为50kv，旋转步长为0.3°，曝光时间为1000ms，像素大小为400nm。以纸张厚度方向为z向，纸张长度和宽度方向分别为x向和y向，所述断层扫描图像序列是沿y向的x-z平面有序堆叠切片图像，如下称为纸张样品切片图像，单张纸张样品切片图像的大小为2250×500像素，颜色深度为8bit。

6、s3、采用最大类间方差法和图像开运算方法对断层扫描图像序列中所有纸张样品切片图像分别进行图像分割和降噪处理。与常规图像处理方法不同，本发明中由于使用高分辨率x-ray ct扫描技术(扫描像素大小为500nm及以下)，图像噪点较多，单个噪点面积较大且其灰度接近纤维灰度，因此，需要采用先分割再降噪的顺序处理图像，具体方法为：

7、s31、使用最大类间方差法，依据纸张样品切片图像灰度特性，对其做二值化处理，分割为：背景区域(空白及纸张孔隙区域)，标记为0，纸张样品切片图像中显示为黑色；目标区域(纤维)，标记为1，纸张样品切片图像中显示为黑色白色；

8、s32、由于纸张样品切片图像中，噪点灰度与纤维灰度接近，基于步骤s31分割纸张样品切片图像后的目标区域中仍存在较多面积远小于纤维区域的孤立噪点区域，需采用图像开运算方法，依据孤立区域面积大小去除噪点区域。本发明中，设定孤立噪点面积大小的阈值为180像素，即面积小于该像素的孤立区域被识别为噪点被去除。

9、s4、采用图像闭运算和canny边缘检测算法分别处理每张纸张样品切片图像，提取纸张表面轮廓线，具体步骤如下：

10、s41、采用图像闭运算算法，即使用规则图形通过增加像素大小不断膨胀的方式填充纸张样品切片图像目标区域内的孔隙；再基于规则图形覆盖范围对纸张样品切片图像目标区域内的孔隙进行腐蚀(删除规则图形覆盖范围内的噪点)。通过该方法处理纸张样品切片图像，以达到平滑目标物体(纤维)轮廓、消除小孔隙或噪声和填充缝隙的目的。本发明中，用于膨胀和腐蚀的规则图形选择圆形(disk)，初始半径设置为70像素。

11、s42、通过步骤s41处理纸张样品切片图像后，再使用canny边缘检测算法获得纸张样品切片图像的边缘，即纸张表面轮廓线。本发明中，边缘检测算子使用sobel算子。

12、s43、将通过步骤s42所获得的纸张表面轮廓线进行裁剪，去除目标区域(纤维)四周的空白区域，并将纸张样品切片图像沿z方向中心线裁剪成上、下两部分，该步骤的目的是便于后续分别计算分析纸张上、下表面轮廓线的特性。

13、s5、基于步骤s4获得从纸张样品切片图像中提取的纸张表面轮廓线，可依据纸张不同表面形貌特性的定义及计算公式定量计算并表征纸张表面形貌特性。本发明专利以纸张表面平滑度及纸张表面形貌的高度均匀性为例，通过计算纸张表面轮廓线长度s反映轮廓的平滑程度；计算纸张表面轮廓线均方根偏差(rq)表示纸张表面轮廓偏离轮廓中线高度，即偏离纸张表面轮廓线z向最大高度和最小高度平均值的程度，从而分析纸张表面形貌的高度均匀性，计算方法如下：

14、s51、与步骤s2中定义的纸张样品切片图像为x-z平面相对应，定义纸张表面轮廓线函数为z＝f(x)，则提取纸张表面轮廓线长度s为：

15、

16、上式中，f(x)′代表纸张表面轮廓线在x轴上坐标x处的斜率。

17、s52、计算纸张表面轮廓线均方根偏差rq：

18、

19、其中：

20、上式中，l代表步骤s43中对纸张表面轮廓线进行裁剪后纸张表面轮廓线在x方向的长度，即纸张表面轮廓线取样长度；δf(x)为纸张表面轮廓中线高度；max(f(x))和min(f(x))分别代表纸张表面轮廓线在z方向的最大高度值和最小高度值。

21、s53、针对步骤s3至s4得到的所有处理后纸张样品切片图像，重复步骤s51至s52，得到不同纸张样品切片图像的纸张表面轮廓线长度(s)以及纸张表面轮廓线均方根偏差rq，再通过求平均的方法得到完整纸张的表面形貌特性。

22、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

23、(1)相比扫描电镜法只能扫描样品微米级别尺寸的区域，采用x-ray ct表征纸张表面形貌，可一次性获得10mm×10mm大小的纸张表面形貌图片，针对纸张这一特殊非均匀性材料，通过x-ray ct获取更大面积的图像，有利于提高对纸张表面形貌定量分析的准确性。

24、(2)相比于干涉显微测量和光学探针测量法容易受到空气介质影响，导致测量准确度不足的问题，采用x-ray ct表征纸张表面形貌，可有效规避空气介质对测量结果的影响，提高检测准确度。

25、(3)相比于机械探针式测量法易出现断针现象，且为破坏性检测方法的问题，采用x-ray ct表征纸张表面形貌，可减少设备损耗，同时不破坏被测纸张样品，减少实验资源消耗。

26、(4)相比于高精度真空传感器测量法存在无直观图像，运用范围较窄的问题，采用x-ray ct表征纸张表面形貌，可有效获取纸张表面形貌图像，并通过提取轮廓线计算表征不同类型纸张的表面形貌，该方法具有较高的泛用性。