靜電紡纖網(wǎng)纖維取向分布的測(cè)量程序設(shè)計(jì)

肖坤楠 李 佳 夏振然 孟 凱

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021;2.蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，蘇州，215123)

靜電紡纖網(wǎng)纖維取向分布的測(cè)量程序設(shè)計(jì)

肖坤楠1李 佳1夏振然1孟 凱2

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，蘇州，215021;2.蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，蘇州，215123)

在對(duì)靜電紡絲網(wǎng)的掃描電鏡圖片進(jìn)行濾波等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，使用LabVIEW軟件編程，通過處理轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度后的圖片來對(duì)纖維的取向分布進(jìn)行測(cè)量。所編測(cè)量程序可獨(dú)立運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)，具有方便、有效、直觀等特點(diǎn)。

LabVIEW，靜電紡絲，纖維取向分布，圖像處理

靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成為制備納米纖維組織工程支架的主要手段之一［1］。由于靜電紡纖網(wǎng)的取向分布會(huì)影響到細(xì)胞的生長(zhǎng)，因此靜電紡纖網(wǎng)的纖維取向分布測(cè)量受到了眾多學(xué)者的關(guān)注?；跇颖倦婄R圖像，20世紀(jì)90年代以來主要有流場(chǎng)分析法、傅里葉變換法和直接蹤跡法三種圖像處理方法［2-4］。王麗等［2］使用提取圖像中纖維之間孔洞的邊緣線取向的方法測(cè)量纖網(wǎng)電鏡圖像中纖維的取向分布;金春奎［5］應(yīng)用Matlab圖像處理工具，依據(jù)纖維反光區(qū)域內(nèi)切橢圓長(zhǎng)軸與x軸的夾角來描述圖像中樣本的取向效果。這些研究都取得了較好的成果，但大多數(shù)沒有形成面向用戶的方便的測(cè)量程序。

本文基于LabVIEW軟件［6］，采用處理轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度后的圖片的方法，編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜電紡纖網(wǎng)的纖維取向分布的測(cè)量，所編程序能和普通的應(yīng)用程序一樣運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)中［7］。

1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā)的圖形化程序平臺(tái)，有一個(gè)可以完成編程任務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和豐富的虛擬儀器控制面板。與C和BASIC語(yǔ)言一樣，LabVIEW也是一種通用的編程語(yǔ)言，俗稱G語(yǔ)言，所不同的是LabVIEW采用工程界熟悉的圖標(biāo)、圖案等圖形化符號(hào)替代了傳統(tǒng)的文本式代碼編程，使得編寫程序變得簡(jiǎn)單。最重要的是LabVIEW編寫的程序可方便地轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件［6］。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 圖片預(yù)處理

靜電紡纖網(wǎng)圖片一般由掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝，若要獲得圖片中纖維取向分布情況，首先要檢測(cè)出纖維的邊緣。圖像邊緣和噪聲都是圖像的高頻分量［8］，如果圖像中噪聲過多，則會(huì)影響圖像邊緣的檢測(cè)，因此在進(jìn)行邊緣檢測(cè)前必須對(duì)圖像進(jìn)行濾波、消除噪聲等處理。本程序利用LabVIEW自身所帶圖像濾波節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中值濾波［9-10］，以濾去圖像中的脈沖噪聲。濾波后將圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，再把灰度圖像二值化［9］?；叶葓D像的二值化指確定一個(gè)閾值T，然后根據(jù)像素點(diǎn)的灰度值與T值比較的結(jié)果來決定該點(diǎn)是轉(zhuǎn)換為0(黑色)或255(白色)，設(shè) f(x，y)為灰度圖像，F(xiàn)(x，y)為轉(zhuǎn)換后的二值圖像。轉(zhuǎn)換公式為:

T的選擇方式不同，處理效果也不一樣。經(jīng)過對(duì)幾種基本閾值分割方法的對(duì)比試驗(yàn)和纖維圖像特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用直方圖法［11-12］，即獲取圖像直方圖，將閾值定位圖像直方圖雙峰波谷谷底正中位置。在理想狀況下，處理后的圖像纖維所在像素亮度為255，背景部分像素為0。圖1為靜電紡纖網(wǎng)SEM示例的部分截圖和經(jīng)過預(yù)處理后的效果圖。

圖1 靜電紡纖網(wǎng)預(yù)處理前后的SEM圖像

2.2 纖維排列方向算法

定義圖像中纖維的取向角為纖維從圖像下邊緣逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至與該纖維平行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。通過LabVIEW自帶圖像轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)使二值化后的圖像逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度θ，可使本來取向角為θ的纖維的取向角變?yōu)?°，再將圖像轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組進(jìn)行計(jì)算。

圖2(a)為一取向角為45°的直線，將圖像逆時(shí)針轉(zhuǎn)45°變?yōu)閳D2(b)，則直線的取向角變?yōu)?°。在轉(zhuǎn)動(dòng)圖像時(shí)，默認(rèn)以圖像中心為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)后圖形的尺寸仍然為原圖形的尺寸。在圖像為非圓形時(shí)，則會(huì)造成原圖部分信息喪失，且增加了部分干擾信息。為避免這種誤差，須對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)后的圖像進(jìn)行切割。如圖2(c)灰色區(qū)域，選取以圖片中心為中心，以圖片短邊為直徑的圓的內(nèi)接正方形為檢測(cè)區(qū)域。使用上述切割方法，無論轉(zhuǎn)什么角度，都能保證截取的區(qū)域?yàn)橛行^(qū)域，且在最大程度上保留了原圖片的信息。

圖2 纖維排列方向算法的圖像處理

將轉(zhuǎn)動(dòng)后的圖片轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組，則數(shù)組中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)圖像中每一個(gè)像素的亮度。如果某根纖維此時(shí)的纖維取向角為0°，則二維數(shù)組對(duì)應(yīng)此纖維的那一行或者幾行元素值應(yīng)全為255。計(jì)算數(shù)組每行元素之和，如果有m行的元素全為255，則可認(rèn)為在θ角度上有m像素寬度的纖維，即有m像素寬度的纖維的取向角為θ。以1°的間距依次轉(zhuǎn)動(dòng)圖像，即可得到各角度上纖維的寬度。將各角度上的纖維寬度除以各角度纖維寬度之和，則可得到纖維在各角度上的比例。

2.3 軟件界面及其他功能設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的前面板如圖3所示。打開程序，點(diǎn)擊“打開圖片”按鈕，對(duì)應(yīng)指示燈亮并自動(dòng)跳出路徑選擇對(duì)話框，選取相應(yīng)圖片后，程序開始對(duì)圖片進(jìn)行處理，指示燈滅則說明處理完成。纖維的取向分布顯示在前面板的圖表中。圖像取向分布的數(shù)據(jù)可以直接通過右擊前面板上的圖表，保存該圖表至粘貼板，或者直接保存為圖片的格式至指定位置，亦可以通過點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕至自定義的Excel表格。

圖3 測(cè)量程序前面板示意

保存在Excel表格的數(shù)據(jù)包括圖片的路徑、圖片的名字和圖片的取向分布數(shù)據(jù)，以便使用者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算等二次處理。點(diǎn)擊“打開數(shù)據(jù)”按鈕，可以將原先保存的數(shù)據(jù)顯示在圖表中，方便查看。程序界面的關(guān)閉、縮小、最大化功能與普通Windows應(yīng)用程序一樣，位于前面板右上角。核心程序框圖如圖4所示。

圖4 纖維取向測(cè)量程序核心程序框圖

3 應(yīng)用實(shí)例

圖5為靜電紡纖網(wǎng)SEM圖像示例，圖6為圖像經(jīng)本程序運(yùn)行得出的纖維取向分布圖。圖5(a)中纖維的取向分布呈無序性，其程序運(yùn)行結(jié)果如圖6(a)所示，顯示纖維的取向分布較為分散;圖5(b)中大多數(shù)纖維分布在10°～30°，其他方向有少量分布，其程序運(yùn)行結(jié)果如圖6(b)所示，顯示纖維取向也比較符合圖5(b)的分布。

圖5 靜電紡纖網(wǎng)的SEM圖像示例

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 纖維取向分布圖

本文基于LabVIEW軟件，開發(fā)了一款靜電紡纖網(wǎng)纖維取向分布的測(cè)量程序。該程序能和普通的應(yīng)用程序一樣運(yùn)行在PC操作系統(tǒng)中，具有直觀、可靠、實(shí)用等特點(diǎn)，可大大方便使用者對(duì)靜電紡纖網(wǎng)中纖維取向分布的測(cè)量。該程序所得測(cè)量數(shù)據(jù)可保存為圖表或者Excel文件，能方便使用者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。

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A program for measuring fiber orientation distribution of electro-spun fiber web

Xiao Kunnan1，Li Jia1，Xia Zhenran1，Meng Kai2
(1.College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University;2.National Engineering Laboratory for Modern Silk，Soochow University)

A program was written based on LabVIEW to measure fiber orientation distribution of the electro-spun fiber web.The image of fiber web was generated by scanning electron microscopic and pretreated by filtering.The fiber orientation distribution could be obtained through processing the web image at different angle.This program was convenient，effective and intuitive and could be run on PC independently.

LabVIEW，electro-spinning，fiber orientation distribution，image processing

TS101.92+1.1

A

1004－7093(2012)07－0029－04

2011－12－02

肖坤楠，男，1987年生，在讀碩士研究生。研究方向?yàn)榧徔棓?shù)字化技術(shù)。

孟凱，E-mail:mk2009@suda.edu.cn