灰度值與立體織物密度關系研究

婁紅莉，湯丹芬，方允偉，石亞蒙

（1. 南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 210012； 2. 南京國材檢測有限公司，南京 210012）

0 前言

CT檢測，是非破壞性檢測與評價的最佳綜合性檢測方法［1-2］，廣泛應用在航空航天、武器行業［3-6］等部件的缺陷檢測、結構分析及密度均勻性分辨。美國軍方在上世紀80年代開始使用CT檢測材料的內部缺陷［7-8］，并制定了相應的ASTM標準密度測試方法［9-10］。立體織物因其成型的特殊性，尚未有資料顯示對其密度的準確測試方法。

本文從設計與制作參比密度樣品出發，優選掃描儀器，同時設計了新的掃描方式，最終根據測試結果進行數據分析，獲得灰度值與密度的關系曲線。通過密度的偏差范圍判斷立體織物的密度均勻性。

文中的灰度值指黑白圖像中點的顏色深度。在醫學、圖像識別領域有很廣泛的用途。參比密度樣品指測定立體織物的密度時，選用作密度參照的標準物質。

1 實驗過程

1.1 原料

石英纖維：B型195Tex石英紗，菲利華。

1.2 儀器和設備

CT檢測設備：德國diondo d2微納米CT檢測系統，德國diondo GmbH。

1.3 試驗方法設計

立體織物內部均勻性檢測的根本目標是獲得不同位置的密度，由密度變化的區間范圍判斷均勻與否。因此最終目的亦是獲得被測物體的密度值。現有的檢測方法可獲得被測物點、面的灰度值或者CT值，只需建立灰度值與密度值的對應關系，即可達到目的。

為達到研究目的，引入了參比密度樣品法。通過制作不同密度的參比密度樣品測得其灰度值，建立灰度值與密度的對應關系。參比密度樣品作為“密度參照物”，提供一個或多個密度量值作為其他量值的“參照值”。參比密度樣品用來和被檢測樣品的數據進行比照，得出被檢測樣品的密度。

2 參比密度樣品的設計與制作

參比密度樣品的設計需要滿足4點要求：

（1）參比密度樣品的材質與被檢測樣品的材質保持一致。

（2）參比密度樣品的尺寸一般要求為邊長≤30mm。

（3）參比密度樣品的密度梯度確定：應覆蓋被測樣品的所有密度范圍，同時參比密度樣品的密度梯度越小測量精準度越高。

（4）參比密度樣品的內部結構應滿足纖維架構穩定，密度均勻。

參比密度樣品的制作：

（1）參比密度樣品材質：采用與項目研究產品一致的原材料——石英纖維。

（2）由于織物的特性，切割后，斷面纖維會出現一定程度的松散，所以標樣必須保證適當的尺寸。經過大量的切割實驗，在保證織物切割完整、不脫散的情況下，所能獲得的參比密度樣品尺寸為： 長50 mm×寬50 mm×厚30 mm。

（3）設定參比密度樣品的密度梯度為表1所示：

表1 石英纖維參比密度樣品密度梯度表與其對應的體積分數

（4）參比密度樣品結構：制作了不同結構的參比密度樣品，對其進行工業CT掃描，測量灰度值變化區間，最終優選織物內部纖維分布均勻性好的結構。

（5）參比密度樣品包裝：為保護參比密度樣品用透明盒封裝。要求參比密度樣品與盒內壁貼合緊密，參比密度樣品在盒中不能移動。

3 儀器的選擇與掃描方式設計

現有的檢測方法是采用醫用CT進行織物內部掃描，醫用CT檢測存在2個問題。一是醫用CT受限于射線源強度不能超過一定范圍（人體可能承受），所以掃描精度低，呈現的織物內部的灰白圖像分辨率低，只能定性判斷，且誤判機率高；二是醫用CT掃描的直徑范圍受限，為0～400 mm，不能適應所有織物。

工業CT的射線源強度可根據需要進行調節，其掃描精度可達到微米級呈現，成像灰白圖分辨率高，可獲得織物內部細微結構情況。工業CT檢測織物內部情況時，直接將掃描圖片的顏色呈現為灰度值來表征所采集的圖像的特性。同時工業CT掃描直徑范圍可達到800 mm。

經上述分析，選用工業CT掃描來研究灰度值與織物密度的關系。建立灰度值與密度值的對應關系，通過密度變化的區間范圍判斷織物內部的均勻程度。

采用德國diondo d2微納米CT系統（見圖1）對參比密度樣品進行X射線掃描（圖2）。

圖1 德國diondo d2微納米CT系統

圖2 樣品X射線掃描圖

將采集到的二維圖像數字序列，根據中心切片定理重建掃描區域內被檢測參比密度樣品橫截面的射線衰減系數分布的映射圖像，形成三維CT結果。被檢測立體織物內部的密度越大的地方灰度值越大，圖像顏色越白。反之密度越小的地方灰度值越小，圖像顏色呈灰黑色。

4 數據呈現與分析

4.1 參比密度樣品檢測

選用內部密度均勻的結構制作了一組參比密度樣品，序號為35#～48#，參比密度樣品材質為石英纖維，其密度梯度見表2，每種密度梯度2個參比密度樣品。工業CT掃描后將采集到的二維圖像數字序列，形成三維CT結果見圖3。

表2 石英纖維參比密度樣品35#～48#密度梯度表與其對應的體積分數

圖3 CT掃描后灰度呈現

為清晰顯示每個參比密度樣品灰度值的差異，用彩虹色階來處理掃描后的參比密度樣品圖片，藍色為灰度值低的區域，紅色為灰度值高的區域（見圖4）。從圖中可看出參比密度樣品的密度階梯 清晰。

圖4 CT掃描彩虹色階圖

圖中左側灰度值色階條顯示最頂端紅色灰度值為40 000，最底端藍色灰度值為20 000。圖中44#與45#樣呈現藍綠相交，說明其灰度值正好處于顏色變化的區域24 000至25 000附近，從后期的灰度值統計中也可以體現這一點。

采用VG Studio分析軟件對CT數據進行灰度值統計，每個參比密度樣品的平均灰度值統計見表3。

表3 每個參比密度樣品的平均灰度值表

以參比密度樣品的密度為X軸，所對應的灰度值為Y軸，做散點圖（見圖5），可以觀察到這些點都分布在一條直線附近，密度越大灰度值越大，以這些點為基礎做線性回歸方程為：y=19 164x+16 023，R2=0.949。相關系數R大于0.9說明參比密度樣品密度與其相應的灰度值有強相關性。

圖5 密度與灰度值關系圖

密度與灰度值關系曲線的建立，可以獲求任意灰度值下的密度值，即將灰度值轉化為密度值。

4.2 參比密度樣品法測試立體織物

為了將上述結果進行驗證和應用，設計一件待測物體A，其稱重法的密度為0.968。將其與上述參比密度樣品同時掃描測量，見圖6。在A織物內部分區域測量了10個位置的平均灰度值，見圖7。

圖6 被測織物A為2.5D平板織物

圖7 A織物內部10個被測區域

10個被測區域的的平均灰度值見表4。將檢測到的灰度值代入到回歸方程y=19 164x+16 023中，計算得到10個被測區域的織物內部密度見表4。

表4 10個被測區域的密度值

表4中被測織物A內部10個被測區域密度的平均值為0.958，其變異系數為0.016，說明10個被測區域的纖維體積密度的離散性很低。

5 結論

（1）建立了一種立體織物各區域密度的定量檢測方法-參比密度樣品法。

（2）立體織物密度與其相應的工業CT灰度值有強相關性，織物密度越大其灰度值越大，織物密度越小其灰度值越小。

（3）建立了灰度值與密度的關系方程。檢測時只需將被測樣品與參比密度樣品同時進行掃描，將測得的灰度值帶入回歸方程中即可得到各區域位置的密度值。

（4）可根據密度值差異進行立體織物內部密度均勻性判斷。