Photoshop和Matlab軟件在納米纖維膜孔隙率測試中的應用

王 丹 單小紅 潘江貴

1. 新疆大學紡織與服裝學院，新疆 烏魯木齊830046；2. 新疆阿克蘇地區纖維檢驗所，新疆 阿克蘇 843200

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Photoshop和Matlab軟件在納米纖維膜孔隙率測試中的應用

王 丹1單小紅1潘江貴2

1. 新疆大學紡織與服裝學院，新疆 烏魯木齊830046；2. 新疆阿克蘇地區纖維檢驗所，新疆 阿克蘇 843200

采用Photoshop軟件對納米纖維膜的掃描電鏡圖進行閾值分割，運用Photoshop和Matlab軟件對該二值圖像的黑色像素值進行計算，可得到納米纖維膜的孔隙率。測試結果表明：殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜的孔隙率隨著纖維平均直徑的增大而減小，且兩種圖像處理軟件得到的孔隙率相差不大。此外，通過Photoshop和Matlab軟件測量了不同放大倍數的納米纖維膜的孔隙率，測得的孔隙率差異在3%以下。

Photoshop，Matlab，孔隙率，圖像處理

纖維膜的孔隙率是指纖維膜中的孔隙體積占纖維膜總體積的比例，用百分數表示[1]。靜電紡絲技術的原理[2]是將幾萬伏的高壓電接到噴絲頭上，使聚合物帶電，在高壓電場力的作用下，針頭處的液滴形成泰勒錐，經過噴射抽長拉細，最終固化成纖維。由靜電紡制備的納米纖維具有比表面積大、孔隙率高等特點。測量納米纖維膜的孔隙率的方法有稱重法[3]、密度法[4]、圖像法[5]、體積法[6]、溶液置換法[7]等。采用圖像法測量纖維膜的孔隙率已受到越來越多的關注。李昕等[8]利用Matlab軟件計算了纖維膜的孔隙率。儲詠梅等[9]采用圖像處理方法計算出竹纖維的孔隙率，結果表明計算機VC編程的方法處理效率高，能較好地應用于纖維孔隙率的測量，有一定的實用價值。周明等[10]將Matlab軟件與密度法測量的納米纖維膜的孔隙率進行對比，結果發現依據圖像方法計算出的孔隙率與密度法的測試結果的偏差在4%以內，表明圖像法測試納米纖維膜的孔隙率是可行的，這為測量纖維膜的孔隙率提供了一種有效、快速且簡便的途徑。劉井紅等[11]利用Photoshop、Image Tool、Matlab和Visual C四種圖像處理軟件測定了納米纖維膜的孔隙率，測得的孔隙率分別為3.06%、3.06%、3.05%和3.06%，試驗結果表明：四種圖像處理方法得出的纖維膜的孔隙率較為接近，誤差在1%以下。

本文對Photoshop和Matlab兩種圖像處理軟件得到的納米纖維膜的孔隙率進行比較研究，分析不同放大倍數的納米纖維膜的掃描電鏡圖對其孔隙率測試結果的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：殼聚糖(CS，食品級，相對分子質量為70萬～80萬，上海藍季科技發展有限公司)；聚乙烯醇樹脂(PVA，化學純，相對分子質量為3萬～5萬)；冰乙酸(HAc，質量分數99.5%，分析純，天津市河東區紅巖試劑廠)。

試驗儀器：自制靜電發生器，日立S-4800型掃描電鏡等。

1.2 紡絲液的制備

將殼聚糖與聚乙烯醇樹脂分別溶于質量分數為90.0%和50.0%的乙酸溶液中，配制成質量分數為3.5%的殼聚糖溶液和質量分數為10.0%的聚乙烯醇樹脂溶液，并將殼聚糖溶液與聚乙烯醇樹脂溶液按10∶90、20∶80、30∶70的質量比混合，再將得到的混合溶液置于磁力攪拌器中攪拌2 h后靜置脫泡。

1.3 納米纖維膜的制備

在室溫下，將配制好的紡絲液倒入20 mL注射器中，針頭內徑為0.6 mm，負載電壓為20 kV，紡絲速率為0.8 mL/h，接收距離為15 cm，紡絲時間為5 h。

1.4 形態表征

在真空條件下，對不同質量分數的殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜進行表面噴金處理，噴金后的形貌采用日立S-4800型掃描電鏡(SEM)分析。纖維直徑的測量采用圖像分析軟件SmileView，纖維的平均直徑由測得的100根纖維的直徑計算而得。

1.5 對掃描電鏡圖進行閾值分割

將不同質量分數的混合納米纖維膜的掃描電鏡圖導入Photoshop軟件，首先將其轉化成灰階圖像，調整圖像閾值，進行圖像分割。閾值調節需要注意兩點：①盡量使掃描電鏡圖表面纖維層為考察層；②“Method”選項中選擇“50%閾值”。具體步驟為：

Photoshop界面→打開圖片→調整閾值→確定→圖像→模式→位圖→Method中選擇50%閾值→得到二元黑白圖像。

其中，黑色部分表示孔隙部分，其他則為非孔隙部分。

1.6 孔隙率測定

1.6.1 Matlab軟件計算

將分割后的二元黑白圖像導入Matlab，利用Matlab軟件計算出黑色部分的像素值占全部像素值的比率，即為納米纖維膜的孔隙率。閾值分割的二值圖像中，1顯示為白色，0顯示為黑色。主要代碼如下：

T=graythresh(I);I1=im2bw(I,T);

imshow(I1);

numVal_0=length(find(I1==0));

sum(sum(I1));

sum(sum(I1))/(length(I1(:,1))*length(I1(1,:)));

纖維膜的孔隙率記為p，則：

(1)

1.6.2 Photoshop軟件計算

按上述步驟得到的二元黑白圖像→Ctrl + J(復制背景圖層，即圖層1)→創建新的填充或調整圖層→純色→R=0, G=255, B=0→Ctrl + [→右擊圖層1→混合選項→混合顏色帶→選紅色→本圖層調節到50→確定→直方圖→整個圖像的像素值(記為n)→右擊圖層1→單擊選項編組到新建智能對象圖層中→直方圖→選中圖層→非孔隙部分的像素值(記為n1)。

則纖維膜的孔隙率p：

(2)

2 結果與討論

2.1 閾值的確定

閾值的原理：閾值即為臨界值，Photoshop中的閾值實際上是基于圖片亮度的一個黑白分界值，默認值是50%中性灰，即128[12]。亮度高于128(即<50%的灰)的會變成白色，低于128(即>50%的灰)的會變成黑色。調整滑塊至最左側或最右側，就可以顯示出所有白色或黑色像素。對圖像的評價方式有多種，一般采取主觀評價法。由于閾值的選取因人而異，因此本文選擇5位主體評價，標記為A～E，評價結果如表1所示。納米纖維孔隙率的計算采用多人評定的平均閾值，選擇處理后的圖像與原圖像相似性最好的閾值為最終確定的閾值。

表1 多人評定的閾值

2.2 不同放大倍數的掃描電鏡圖閾值分割前后比較

由圖1(a)、(c)、(e)和圖2(a)、(c)、(e)可以清楚地看到，混合納米纖維的直徑分布較均勻，孔隙結構明顯，孔隙數目較多。圖1(b)、(d)、(f)和圖2(b)、(d)、(f)中，混合納米纖維的孔隙區域呈黑色，纖維區域呈白色，且盡量使表面纖維為考察層，避免出現下層纖維。經過二值化處理后，灰度值高的孔洞全部轉化為灰度值為0的黑色圖像，灰度值低的纖維則轉化為灰度值為1的白色背景，以便于進行纖維面積計算[13]。

(a) 處理前(CS∶PVA=30∶70) (b) 處理后(CS∶PVA=30∶70)

(c) 處理前(CS∶PVA=20∶80) (d) 處理后(CS∶PVA=20∶80)

(e) 處理前(CS∶PVA=10∶90) (f) 處理后(CS∶PVA=10∶90)

(a) 處理前(CS∶PVA=30∶70) (b) 處理后(CS∶PVA=30∶70)

(c) 處理前(CS∶PVA=20∶80) (d) 處理后(CS∶PVA=20∶80)

(e) 處理前(CS∶PVA=10∶90) (f) 處理后(CS∶PVA=10∶90)

2.3 孔隙率測試結果

運用SmileView軟件對殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜掃描電鏡圖中100根纖維進行直徑測量，得出的平均直徑結果見表2。由表2可知，混合納米纖維膜的孔隙率隨著纖維平均直徑的增大而減小，孔隙率由51.515%減小到44.745%。這是由于在其他條件不變的情況下，殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維的平均直徑隨著聚乙烯醇質量分數的增加而增加，從而使得纖維膜的密度逐漸增大，殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜的孔隙率逐漸減小。由Photoshop和Matlab軟件得到的混合納米纖維膜的孔隙率結果甚為接近，誤差在1%以內。為了分析殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜掃描電鏡圖的放大倍數對孔隙率的影響，分別對放大20 000 和30 000倍的納米纖維膜掃描電鏡圖進行孔隙率計算，結果表明利用Photoshop和Matlab軟件測得的纖維孔隙率較為接近，誤差在3%以內。

表2 不同放大倍數的納米纖維膜掃描電鏡圖孔隙率測試結果

3 結果

(1) 運用Photoshop軟件將掃描電鏡圖像轉化成二值圖像，操作簡單、準確，通過閾值調整及比較，可以得到掃描電鏡圖中較合適的灰度區，提高二值圖像的效果。

(2) 由Photoshop和Matlab軟件測得的纖維孔隙率甚為接近，誤差在1%以內，且殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜掃描電鏡圖的放大倍數不同對孔隙率的影響不大，誤差在3%以內。

(3) 以上試驗分析表明，Photoshop和Matlab軟件用于殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜孔隙率的測定是可行的。

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Application of Photoshop and Matlab software on porosity test of nanofibers mat

WangDan1,ShanXiaohong1,PanJianggui2

1. College of Textile and Clothing, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2. the Fiber Institute of Aksu Prefecture, Aksu 843200,China

The threshold segmentation of scanning electron microscopy(SEM) image of nanofibers mat was analyzed by using Photoshop software. Photoshop and Matlab software were used to calculate the binary image of black pixels, and porosity of nanofibers mat was obtained. The results showed that the porosity of nanofibers mat was decreased with the increase of average fiber diameter, and the porosity from two image processing software was similar. In addition, the porosity of nanofibers mat with different magnification was also studied by means of Photoshop and Matlab software, and the difference between two porosities was below 3%.

Photoshop, Matlab, porosity, image processing

2015-09-26

王丹，女，1990年生，在讀碩士研究生，主要從事紡織新材料與新產品的開發

單小紅，E-mail：shanxh325@163.com

TS104

A

1004-7093(2016)06-0041-04