靜電紡纖網(wǎng)纖維取向分布的測量程序設計

肖坤楠 李 佳 夏振然 孟 凱

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，蘇州，215021;2.蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，蘇州，215123)

靜電紡纖網(wǎng)纖維取向分布的測量程序設計

肖坤楠1李 佳1夏振然1孟 凱2

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，蘇州，215021;2.蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室，蘇州，215123)

在對靜電紡絲網(wǎng)的掃描電鏡圖片進行濾波等預處理的基礎上，使用LabVIEW軟件編程，通過處理轉動不同角度后的圖片來對纖維的取向分布進行測量。所編測量程序可獨立運行于個人計算機，具有方便、有效、直觀等特點。

LabVIEW，靜電紡絲，纖維取向分布，圖像處理

靜電紡絲技術已經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)的取向分布會影響到細胞的生長，因此靜電紡纖網(wǎng)的纖維取向分布測量受到了眾多學者的關注?；跇颖倦婄R圖像，20世紀90年代以來主要有流場分析法、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量纖網(wǎng)電鏡圖像中纖維的取向分布;金春奎［5］應用Matlab圖像處理工具，依據(jù)纖維反光區(qū)域內切橢圓長軸與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量程序。

本文基于LabVIEW軟件［6］，采用處理轉動不同角度后的圖片的方法，編程實現(xiàn)了對靜電紡纖網(wǎng)的纖維取向分布的測量，所編程序能和普通的應用程序一樣運行在個人計算機中［7］。

1 LabVIEW簡介

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

2 程序設計

2.1 圖片預處理

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，則會影響圖像邊緣的檢測，因此在進行邊緣檢測前必須對圖像進行濾波、消除噪聲等處理。本程序利用LabVIEW自身所帶圖像濾波節(jié)點進行中值濾波［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閾值T，然后根據(jù)像素點的灰度值與T值比較的結果來決定該點是轉換為0(黑色)或255(白色)，設 f(x，y)為灰度圖像，F(xiàn)(x，y)為轉換后的二值圖像。轉換公式為:

T的選擇方式不同，處理效果也不一樣。經過對幾種基本閾值分割方法的對比試驗和纖維圖像特點，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過預處理后的效果圖。

圖1 靜電紡纖網(wǎng)預處理前后的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針轉動至與該纖維平行時轉動的角度。通過LabVIEW自帶圖像轉動節(jié)點使二值化后的圖像逆時針轉動一個角度θ，可使本來取向角為θ的纖維的取向角變?yōu)?°，再將圖像轉換為二維數(shù)組進行計算。

圖2(a)為一取向角為45°的直線，將圖像逆時針轉45°變?yōu)閳D2(b)，則直線的取向角變?yōu)?°。在轉動圖像時，默認以圖像中心為軸進行轉動，轉動后圖形的尺寸仍然為原圖形的尺寸。在圖像為非圓形時，則會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，須對轉動后的圖像進行切割。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接正方形為檢測區(qū)域。使用上述切割方法，無論轉什么角度，都能保證截取的區(qū)域為有效區(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

將轉動后的圖片轉換為二維數(shù)組，則數(shù)組中的每個元素對應圖像中每一個像素的亮度。如果某根纖維此時的纖維取向角為0°，則二維數(shù)組對應此纖維的那一行或者幾行元素值應全為255。計算數(shù)組每行元素之和，如果有m行的元素全為255，則可認為在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°的間距依次轉動圖像，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計

測試系統(tǒng)的前面板如圖3所示。打開程序，點擊“打開圖片”按鈕，對應指示燈亮并自動跳出路徑選擇對話框，選取相應圖片后，程序開始對圖片進行處理，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，亦可以通過點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕至自定義的Excel表格。

圖3 測量程序前面板示意

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)，以便使用者對數(shù)據(jù)進行標準差計算等二次處理。點擊“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。程序界面的關閉、縮小、最大化功能與普通Windows應用程序一樣，位于前面板右上角。核心程序框圖如圖4所示。

圖4 纖維取向測量程序核心程序框圖

3 應用實例

圖5為靜電紡纖網(wǎng)SEM圖像示例，圖6為圖像經本程序運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，其程序運行結果如圖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，其程序運行結果如圖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 結語

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)纖維取向分布的測量程序。該程序能和普通的應用程序一樣運行在PC操作系統(tǒng)中，具有直觀、可靠、實用等特點，可大大方便使用者對靜電紡纖網(wǎng)中纖維取向分布的測量。該程序所得測量數(shù)據(jù)可保存為圖表或者Excel文件，能方便使用者對數(shù)據(jù)進行二次處理。

［1］KIM B S，PARK I K，HOSHIBA T，et al.Design of artificial extracellular matrices for tissue engineering［J］.Progress in Polymer Science，2011(36):238-268.

［2］王麗，陳霞，陳廷.基于圖像處理的非織造布纖維取向分布測量［J］.東華大學學報:自然科學版，2009，34(1):84-88.

［3］LEE C H，SHIN H J，CHO I H，et al.Nanofiber alignment and direction of mechanical strain affect the ECM production of human ACL fibroblast［J］.Biomaterials，2005，26:1261-1270.

［4］AYRES C，BOWLIN G L，HENDERSON S C，et al.Modulation of anisotropy in electrospun tissue-engineering scaffolds:analysis of fiber alignment by the fast fourier transform［J］.Biomaterials，2006，27(32):5524-5534.

［5］金春奎.基于圖像的靜電紡絲纖維的取向分析［J］.絲綢，2011，48(9):16-18.

［6］曾偉，師彥榮.虛擬儀器技術的發(fā)展及應用［J］.開發(fā)應用，2010，9(30):27-28.

［7］馮毅力，梁建軍，李汝勤.虛擬儀器及其在紡織測試中的應用［J］.紡織學報，2002，23(4):324-326.

［8］甄麗平，司邵偉.圖像濾波及邊緣檢測技術研究［J］.中國科技信息，2011(7):33-34.

［9］方莉，張萍.經典圖像去噪算法研究綜述［J］.工業(yè)控制計算機，2011，23(11):73-74.

［10］彭召意，周玉，吳志輝.彩色人體圖像的二值化方法［J］.計算機工程與設計，2010，31(6):1366-1368.

［11］孫少林，馬志強，湯偉.灰度二值化算法研究［J］.價值工程，2010，29(5):142-143.

［12］江明，劉輝，黃歡.圖像二值化技術的研究［J］.軟件導刊，2009，8(4):175-177.

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。研究方向為紡織數(shù)字化技術。

孟凱，E-mail:mk2009@suda.edu.cn