Photoshop和Matlab軟件在納米纖維膜孔隙率測(cè)試中的應(yīng)用

王 丹 單小紅 潘江貴

1. 新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046；2. 新疆阿克蘇地區(qū)纖維檢驗(yàn)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(cè)試中的應(yīng)用

王 丹1單小紅1潘江貴2

1. 新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046；2. 新疆阿克蘇地區(qū)纖維檢驗(yàn)所，新疆 阿克蘇 843200

采用Photoshop軟件對(duì)納米纖維膜的掃描電鏡圖進(jìn)行閾值分割，運(yùn)用Photoshop和Matlab軟件對(duì)該二值圖像的黑色像素值進(jìn)行計(jì)算，可得到納米纖維膜的孔隙率。測(cè)試結(jié)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(cè)量了不同放大倍數(shù)的納米纖維膜的孔隙率，測(cè)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?jǐn)?shù)表示[1]。靜電紡絲技術(shù)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(chǎng)力的作用下，針頭處的液滴形成泰勒錐，經(jīng)過噴射抽長(zhǎng)拉細(xì)，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(diǎn)。測(cè)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(cè)量纖維膜的孔隙率已受到越來越多的關(guān)注。李昕等[8]利用Matlab軟件計(jì)算了纖維膜的孔隙率。儲(chǔ)詠梅等[9]采用圖像處理方法計(jì)算出竹纖維的孔隙率，結(jié)果表明計(jì)算機(jī)VC編程的方法處理效率高，能較好地應(yīng)用于纖維孔隙率的測(cè)量，有一定的實(shí)用價(jià)值。周明等[10]將Matlab軟件與密度法測(cè)量的納米纖維膜的孔隙率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)依據(jù)圖像方法計(jì)算出的孔隙率與密度法的測(cè)試結(jié)果的偏差在4%以內(nèi)，表明圖像法測(cè)試納米纖維膜的孔隙率是可行的，這為測(cè)量纖維膜的孔隙率提供了一種有效、快速且簡(jiǎn)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(cè)定了納米纖維膜的孔隙率，測(cè)得的孔隙率分別為3.06%、3.06%、3.05%和3.06%，試驗(yàn)結(jié)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(duì)Photoshop和Matlab兩種圖像處理軟件得到的納米纖維膜的孔隙率進(jìn)行比較研究，分析不同放大倍數(shù)的納米纖維膜的掃描電鏡圖對(duì)其孔隙率測(cè)試結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料：殼聚糖(CS，食品級(jí)，相對(duì)分子質(zhì)量為70萬～80萬，上海藍(lán)季科技發(fā)展有限公司)；聚乙烯醇樹脂(PVA，化學(xué)純，相對(duì)分子質(zhì)量為3萬～5萬)；冰乙酸(HAc，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.5%，分析純，天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠)。

試驗(yàn)儀器：自制靜電發(fā)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.0%和50.0%的乙酸溶液中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的殼聚糖溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)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(nèi)徑為0.6 mm，負(fù)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(shí)間為5 h。

1.4 形態(tài)表征

在真空條件下，對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的殼聚糖/聚乙烯醇混合納米纖維膜進(jìn)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(cè)量采用圖像分析軟件SmileView，纖維的平均直徑由測(cè)得的100根纖維的直徑計(jì)算而得。

1.5 對(duì)掃描電鏡圖進(jìn)行閾值分割

將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混合納米纖維膜的掃描電鏡圖導(dǎo)入Photoshop軟件，首先將其轉(zhuǎn)化成灰階圖像，調(diào)整圖像閾值，進(jìn)行圖像分割。閾值調(diào)節(jié)需要注意兩點(diǎn)：①盡量使掃描電鏡圖表面纖維層為考察層；②“Method”選項(xiàng)中選擇“50%閾值”。具體步驟為：

Photoshop界面→打開圖片→調(diào)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(cè)定

1.6.1 Matlab軟件計(jì)算

將分割后的二元黑白圖像導(dǎo)入Matlab，利用Matlab軟件計(jì)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(jì)算

按上述步驟得到的二元黑白圖像→Ctrl + J(復(fù)制背景圖層，即圖層1)→創(chuàng)建新的填充或調(diào)整圖層→純色→R=0, G=255, B=0→Ctrl + [→右擊圖層1→混合選項(xiàng)→混合顏色帶→選紅色→本圖層調(diào)節(jié)到50→確定→直方圖→整個(gè)圖像的像素值(記為n)→右擊圖層1→單擊選項(xiàng)編組到新建智能對(duì)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(jié)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(shí)際上是基于圖片亮度的一個(gè)黑白分界值，默認(rèn)值是50%中性灰，即128[12]。亮度高于128(即<50%的灰)的會(huì)變成白色，低于128(即>50%的灰)的會(huì)變成黑色。調(diào)整滑塊至最左側(cè)或最右側(cè)，就可以顯示出所有白色或黑色像素。對(duì)圖像的評(píng)價(jià)方式有多種，一般采取主觀評(píng)價(jià)法。由于閾值的選取因人而異，因此本文選擇5位主體評(píng)價(jià)，標(biāo)記為A～E，評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。納米纖維孔隙率的計(jì)算采用多人評(píng)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(píng)定的閾值

2.2 不同放大倍數(shù)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(jié)構(gòu)明顯，孔隙數(shù)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(qū)域呈黑色，纖維區(qū)域呈白色，且盡量使表面纖維為考察層，避免出現(xiàn)下層纖維。經(jīng)過二值化處理后，灰度值高的孔洞全部轉(zhuǎn)化為灰度值為0的黑色圖像，灰度值低的纖維則轉(zhuǎn)化為灰度值為1的白色背景，以便于進(jìn)行纖維面積計(jì)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(cè)試結(jié)果

運(yùn)用SmileView軟件對(duì)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(jìn)行直徑測(cè)量，得出的平均直徑結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jié)果甚為接近，誤差在1%以內(nèi)。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(shù)對(duì)孔隙率的影響，分別對(duì)放大20 000 和30 000倍的納米纖維膜掃描電鏡圖進(jìn)行孔隙率計(jì)算，結(jié)果表明利用Photoshop和Matlab軟件測(cè)得的纖維孔隙率較為接近，誤差在3%以內(nèi)。

表2 不同放大倍數(shù)的納米纖維膜掃描電鏡圖孔隙率測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)果

(1) 運(yùn)用Photoshop軟件將掃描電鏡圖像轉(zhuǎn)化成二值圖像，操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，通過閾值調(diào)整及比較，可以得到掃描電鏡圖中較合適的灰度區(qū)，提高二值圖像的效果。

(2) 由Photoshop和Matlab軟件測(cè)得的纖維孔隙率甚為接近，誤差在1%以內(nèi)，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(shù)不同對(duì)孔隙率的影響不大，誤差在3%以內(nèi)。

(3) 以上試驗(yàn)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(cè)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(chǎn)品的開發(fā)

單小紅，E-mail：shanxh325@163.com

TS104

A

1004-7093(2016)06-0041-04