口罩過濾材料的三維結構建模

朱國慶,侯 爽,董晗睿,莫湘杰

(1.蘇州市纖維檢驗院,江蘇 蘇州215128;2.西安工程大學,陜西 西安710048;3.廣西路建工程集團有限公司,廣西 來賓546111)

2019新型冠狀病毒(2019-nCo V)在全世界的蔓延大大增加了人們對空氣過濾防護口罩的需求,目前在新型冠狀病毒防護中起到重要作用的醫用外科口罩的主體即為3層聚丙烯非織造布,其中間過濾層采用微米級聚丙烯制成的熔噴非織造材料[1]。

非織造材料的過濾性能主要取決于其結構,即纖維的堆砌方式和排列分布,具體來說,纖維直徑會影響纖維之間的空隙及堆積密度,從而影響材料的過濾效率和壓阻;纖網內的孔徑大小會影響可攔截顆粒物的尺寸;纖維集合體內的纖維取向排列影響過濾效率[2-5]。因此,準確建立非織造布三維細觀結構,從而對集合體結構進行有效調控是提高纖維過濾材料過濾性能的關鍵。通過前期研發的紡織品三維點云提取軟件,獲得了非織造布內部纖維堆砌排列的三維點云,并借助Geomagic Studio軟件建立織物試樣的三維模型,以期為非織造濾材的三維建模提供新的方法,為研究其結構參數與過濾性能的關系提供理論依據。

1 織物圖像采集

1.1 織物圖像采集系統

本文所用的圖像采集系統包括全自動顯微鏡、光源部分、CCD圖像采集設備和內置數字圖像處理軟件的PC機四個部分(見圖1)。采集多圖層圖像時,計算機控制載物平臺沿著Z軸以一定步長移動,放置在顯微鏡上的CCD攝像頭采集圖像,圖層數據通過串口傳輸至計算機,圖像處理軟件實時處理收集圖像數據。采集處理完一個視野后,計算機控制載物平臺沿X方向或Y方向移動至下一視野,繼續進行多焦面圖層的采集。

圖1 檢測系統硬件框架

1.2 圖像采集設備

系統采用M318北昂全自動顯微鏡,見圖2。顯微鏡配有電機制動三軸載物臺(MC200,BEION),平臺尺寸180×150 mm,移動范圍75×50 mm。三軸載物臺通過RS-232串口接入計算機,根據BEION-XYZLXD平臺協議編寫控制電機移動代碼,控制載物臺平面移動(X、Y軸)和聚焦(Z軸)。顯微鏡自帶可調亮鹵素燈(12V/20W)。

經過10次測量,得到像素實際長寬為2.16μm,Z方向平臺移動的單步長距離為0.15μm,并計算得顯微系統總景深值為8.86μm。

圖2 M318北昂全自動顯微鏡

1.3 圖層采集

1.3.1 儀器安裝及調試

顯微鏡與計算機通過串口相連接,將串口通訊線兩端分別連接到顯微鏡及電腦的COM口上,并將攝像機視頻通訊線連接到攝像機及電腦USB接口上,確認攝像機工作指示燈正常。進入顯微鏡自動控制程序,初始化顯微鏡,使用控制程序控制燈光亮度及移動載物臺,調節焦距。調焦時先快速轉動粗動調焦旋鈕至標本(載玻片)與物鏡頂部距離約5 mm位置,再緩慢旋轉粗動調焦旋鈕使工作平臺緩慢遠離物鏡,直至在視場中看到標本圖像;然后用微動調焦旋鈕對標本作精細調焦,至圖像最清晰為止。

1.3.2 操作步驟

1.3.3 樣品圖像采集

以非織造布為研究對象,圖4為樣品采集的50幅圖層中的部分圖層。

2 織物三維模型建立

圖3 圖像采集軟件界面

圖4 非織造布樣品的部分圖層

2.1 軟件原理

當物體離攝像頭的距離等于聚焦位置時,采集的圖像最清晰。圖5為聚焦示意圖,圖中O點所在平面為最佳聚焦平面,O1所在平面為遠景面,這是物體能清晰成像的最遠平面;遠景面到最佳聚焦平面之間的直線距離為后景深,O2所在平面是物體清晰成像的最近物平面,即近景面,近景面到最佳聚焦平面的直線距離為前景深。

圖5 物體聚焦示意圖

對于多深度目標,單一聚焦平面下采集的圖像會部分區域清晰,部分區域模糊,呈多焦面現象。而不同深度區域會在不同聚焦面下顯示清晰,因此用聚焦位置代表各表面點的深度值,物體各個表面點的最佳聚焦位置之間的差值就是表面點的深度差。實現三維重建和測量的基本方法如圖6所示:

圖6 三維重建方法示意圖

2.2 三維圖像建模

圖像像素的清晰程度可以作為判斷像素是否聚焦的依據。清晰度計算過程如下:

式中P表示以點(i,j)為中心的評價區域,d(u,v)為點(u,v)的梯度。軟件操作界面如圖7所示。

圖7 三維點云軟件操作界面

將獲得的各位置的空間三維坐標(x,y,z)導入Geomagic Studio(界面見圖8)建立三維模型,從而得到非織造布的三維圖像,如圖9所示。

3 結語

圖8 Geomagic Studio界面

圖9 非織造布三維圖

由于物體與攝像頭之間的距離發生改變會導致成像的清晰度發生改變,所以可以根據圖像清晰度反推出物體和攝像頭之間的距離。采用三維結構建模方法的優勢在于:只要一個攝像頭,就可以采集三維圖像的距離,從而建立非織造材料的真實三維結構。影響非織造材料過濾性能的參數不僅數量較多,且各參數與過濾性能是復雜的非線性聯動關系,僅僅通過傳統的試驗設計方法尋找最優結構參數組合會增加產品的研發周期。建立非織造材料三位結構模型可直接導入有限元軟件進行力學及過濾性能的模擬,模擬仿真結果可用于指導非織造過濾材料的結構參數優化,從而大幅降低產品的研發周期。