利用近紅外窄帶數(shù)字圖像分析法評價廢紙的脫墨效果

現(xiàn)有的廢紙脫墨效果評價方法包括視覺圖像分析法（人工分析和數(shù)字分析）和光學反射法（基于Kubelka-Munk方程）。圖像分析法的原理很簡單：將深色油墨（大多為黑色）從淺色背景（纖維）中剝離出來，然后利用視覺或電子設(shè)備捕捉。圖像分析法存在一些局限性，例如與紙張光學性能的相關(guān)性差，樣品與樣品以及紙張正反面之間的結(jié)果存在較大的差異。該文采用了一種創(chuàng)新方法，利用近紅外光譜和數(shù)字圖像設(shè)備克服上述局限性。此方法能夠?qū)⒂湍唿c從纖維背景中區(qū)分，得到高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，并且能夠明顯降低手抄片紙樣間及正反面間的差異性。根據(jù)基于圖像分析法的油墨脫除率公式，可以獲得可靠的油墨脫除率，這與紙張光學性能具有良好的相關(guān)性。該實驗也將這種方法用于新聞紙脫墨效果的評價，取得了積極的實驗結(jié)果。近紅外圖像分析技術(shù)可用于在線檢測系統(tǒng)，用于高濃紙漿的在線即時分析。

脫墨是高質(zhì)量的廢紙纖維回收利用的關(guān)鍵過程。用于脫墨效果評價的常規(guī)測試方法包括圖像分析法和光學反射法。圖像分析法包括：TAPPI標準測試法T 437 om-12《紙和紙板中的污物》；T 563 om-12《等值黑色面積（EBA）及利用圖像分析法計量紙漿、紙和紙板中的可見污物》；T 568 om-2《利用圖像分析法分析紙漿、紙和紙板中亞可見性雜質(zhì)的物理面積》；ISO 5350-4《紙漿：污物和碎片的評價——第4部分：利用等值黑色面積（EBA）法通過反射光進行檢測》。光學反射法包括：TAPPI 567 om-9《利用紅外反射法測定有效殘余油墨濃度（ERIC）》；ISO 9416《紙張光散射和光吸收系數(shù)的測定（利用Kubelka-Munk理論）》。

脫墨濾液的黑度（與自來水對比）可用作一種脫墨效果評價指標。圖像分析法主要是利用數(shù)碼圖像設(shè)備（掃描儀或照相機）從紙樣中獲取殘余油墨信息。通常認為油墨是黑色的或者等同于黑色。殘余油墨也被稱為污物或者油墨斑點。利用數(shù)碼設(shè)備獲得的圖像通過軟件進一步分析后，可以得到可對比的數(shù)據(jù)結(jié)果，如等值黑色面積（EBA）、平均斑點面積、斑點數(shù)量和斑點分布等。這些方法主要是針對大的油墨斑點或面積≥0.02 mm2的斑點（某些顆粒面積為0.01 mm2）。根據(jù)TAPPI T 568 om-2方法，可檢測亞可見斑點或面積為5.0×10-5～2.0×10-2mm2之間的油墨斑點，但是使用該方法的操作者難以將亞可見油墨斑點從相對粗糙的紙張表面分離出來，這就限制了油墨面積的檢測極限，即使是對于表面光滑的超壓紙，也只有當掃描儀的分辨率達到36 000 dpi以上時才能將亞可見油墨斑點與纖維區(qū)分開。此外，圖像分析法只能記錄暴露在紙張表面的油墨斑點。根據(jù)TAPPI T 272 sp-2《測定紙漿反射率用手抄片的制備（抄片器法）》制備的手抄片，大量油墨斑點被阻隔或部分阻隔在紙張表面以內(nèi)，這一現(xiàn)象在新聞紙回收利用過程中要比其他紙種表現(xiàn)更加明顯，這是因為新聞紙具有較高的松厚度（或厚度）。此外，由于圖像分析法得到的結(jié)果缺乏亞可見油墨的數(shù)據(jù)，由此獲得的脫墨數(shù)據(jù)與紙張的光學性能相關(guān)性較差；具有相似表觀性能的紙樣之間，其EBA差異明顯；同一紙樣的正反面結(jié)果也大不相同。紙張表面的不均勻性和油墨斑點與纖維間較差的對比度是圖像分析法面臨的主要障礙。這些缺點受到了光學反射法（如TAPPI T 567 om-9和ISO 9416）的挑戰(zhàn)。

為了消除木素發(fā)色基團和紙張顏色（如藍色、綠色）的影響，TAPPI T 567 om-9利用近紅外光（NIR，950 nm）測定有效殘余油墨濃度（ERIC）。在本研究的準備工作中，利用JAZ光譜儀對其他波長進行了檢測，在低于800 nm波長下，木素并不敏感。此外，NIR光在830～850 nm對純黑色和3色（青色、品紅、黃色）黑（或灰）油墨表現(xiàn)出強吸收。這表明油墨斑點與纖維之間的對比可以更加明顯。NIR光能夠擴大穿透深度可見性，可以檢測到隱藏在紙張表面以內(nèi)或者位于紙張另一面的油墨斑點。數(shù)碼相機的圖像感應(yīng)器對830～850 nm的光較敏感，可用于檢測油墨斑點。本實驗中，將市售的一款單反相機（DSLR）改裝，用于接收近紅外光。根據(jù)INGEDE 11《印刷產(chǎn)品可回收性評價——脫墨測試》（2012年7月）（未應(yīng)用脫墨性能計分卡）的方法對激光打印辦公用紙和膠印新聞紙試樣進行分析，將目前常用的評價方法（TAPPI T 563 om-12和T 567 om-9）和紙張光學性能用作參比。同時也研究了通過圖像分析法獲得的油墨脫除率，以及與ERIC相應(yīng)的脫墨率的對比。

1 實驗

1.1 樣品的制備

本實驗采用了2個紙種的原料，一種為黑白激光打印辦公用紙，另一種為膠印原生新聞紙。根據(jù)INGEDE 11的方法在實驗室進行脫墨。實驗條件下制備了3種手抄片：經(jīng)脫墨后的手抄片（DP）、未經(jīng)脫墨的手抄片（UP）和未經(jīng)印刷的手抄片（unpr）。手抄片的定量對掃描圖像分析會產(chǎn)生影響，但是本實驗采用多種定量的目的是分析NIR光的深度可見性，因此，辦公用紙制備了45、50和60 g/m2等3種定量的紙樣，新聞紙制備了40、45和50 g/m2等3種定量的紙樣。各紙樣以紙漿種類和定量命名，例如，DP45表示脫墨漿制備的定量為45 g/m2的手抄片。每種紙漿和每種定量分別制備10張手抄片，一共制備180張手抄片。將所有的手抄片用切紙刀裁切以去除不平整的紙張邊緣。

1.2 圖像的獲取

利用佳能T3i DSLR相機捕捉圖像，該相機將紅外阻隔濾鏡置于影像傳感器（CMOS，像素3 456×5 184，像素間距4.3 μm）前端，成為全光譜相機。將（840±10）nm手持式濾波片裝于佳能40 mm微距鏡頭上（以35 mm規(guī)格換算能夠獲得相當于64 mm的視角）。用4盞白熾燈（色溫 2 700 K，功率150 W）照射樣品，以獲得均勻和足夠的光線強度。用三角架支撐相機，將紙樣置于白色的塑料板上。在相同的光線、光圈和快門速度條件下對所有的紙樣從正反面拍照。紅外圖像獲取的示意圖見圖1。

原始的未經(jīng)壓縮的圖像文件最初以RAW格式保存，有效分辨率約為770 dpi。圖像文件利用Adobe Photoshop CS6轉(zhuǎn)化成TIFF格式。利用愛普生Perfection V750 Pro掃描儀對每個手抄片的正反面進行掃描，分辨率分別為600 dpi和1 200 dpi。所有的圖像都是在有色模式下操作，未經(jīng)任何亮度、對比度或飽和度調(diào)整。

1.3 測試

圖1 獲取紅外圖像的示意圖

利用Brightmeter Micro S-5測定紙樣的白度（T 458，C/2°光源，457 nm），同時也可以得到亮度（Y，557 nm）和CIE L*a*b*值。手抄片的厚度、不透明度利用Technidyne根據(jù)TAPPI方法進行測定。Verity IA Light和Dark Dirt v3.4軟件用于分析來自掃描儀和相機的圖像文件。每個手抄片的有效面積是紙張中心直徑11 cm的圓區(qū)域。通過考慮從掃描儀（分辨率分別為600 dpi和1 200 dpi）和相機（NIR）獲得的3組圖像文件的性能和準確性來確定該軟件的處理參數(shù)（例如最小斑點面積）。無論是DP或UP手抄片，每組圖像的參數(shù)相同。對于未經(jīng)印刷的手抄片，由于不會影響對DP和UP手抄片的分析，從而未計算EBA。

2 結(jié)果與討論

2.1 光學性能

DP和UP手抄片的白度、亮度和CIE L*a*b*（未說明）彼此相近，如圖2所示[圖中：（a）為辦公用紙；（b）為新聞紙]。

對于辦公用紙，DP手抄片的光學性能與unpr手抄片相近，這表明脫墨成功。DP和UP手抄片白度之間的差異相對較?。s4%），這表明UP紙樣的油墨覆蓋率較低。而對于新聞紙，DP和UP手抄片的光學性能略有不同，且二者的光學性能數(shù)值均遠低于unpr紙樣，這表明新聞紙脫墨失敗。

在3種不同定量的辦公用紙紙樣中，DP和unpr紙樣的不透明度基本相同，如圖3所示[圖中：（a）為辦公用紙；（b）為新聞紙]。只有從UP50紙樣的不透明度與相同定量的其他紙樣的差異可以看出油墨的作用，而且其貢獻有限。這些結(jié)果表明辦公紙樣脫墨成功，且UP手抄片的油墨覆蓋率較低。對于新聞紙，對比DP、UP、unpr這3種紙樣可以發(fā)現(xiàn)，油墨對紙張不透明度的貢獻很大。當考慮紙樣厚度時，新聞紙DP和UP手抄片的不透明度幾乎相同。DP紙張中仍存在大量的殘余油墨。

圖2 不同紙種和定量紙樣的白度和亮度

2.2 NIR圖像分析法的原理、能見度和優(yōu)勢

對比度差、紙張表面不均勻性和油墨印痕，使得這種

圖3 不同紙種和定量紙樣的不透明度和厚度

目前的圖像分析法，由于纖維與油墨斑點之間脫墨評價方法具有一定的局限性。根據(jù)前人的研究，深色的油墨斑點對NIR比較敏感，在圖像傳感器呈現(xiàn)為黑點。紙張中的纖維和其他淺色油墨會反射所有的近紅外光形成均勻的淺色背景（例如純白色和瓷磚會反射所有可見光），因此，NIR消除了由不均勻的纖維成形導致的紙張表面不均勻性帶來的影響。這可以在黑色油墨和纖維間產(chǎn)生高對比度，增加油墨斑點的可見性，且能夠提升分析能力。但是在本實驗中，紙樣反射的近紅外光不能直接到達圖像傳感器。市售數(shù)碼相機在圖像傳感器裝有RGB微型濾光片，以更好地展現(xiàn)可見光，目前尚不明確這些濾光片如何對近紅外光做出反應(yīng)。通過對比單個通道，發(fā)現(xiàn)來自藍色微型濾光片的圖像表現(xiàn)得與期望最接近（例如鮮明的油墨斑點和均勻的背景）。但是通過藍色通道獲得的EBA值比三通道（RGB）EBA值稍低（大約5%）。辦公用紙紙樣的圖像具有均勻的淺色背景和明顯的黑色油墨斑點，如圖4所示[（a）定量為45 g/m2辦公用紙脫墨紙樣正面；（b）定量為50 g/m2辦公用紙未脫墨紙樣反面；（c）定量為40 g/m2新聞紙脫墨紙樣反面]。

新聞紙紙樣的近紅外圖像并不像辦公用紙那樣明顯。盡管與可見光條件下的圖像相比，背景纖維紋理明顯減少，但是其近紅外圖像的纖維紋理仍然可見。840 nm的光線也許不能消除機械漿中木素發(fā)色基團的影響。另一個原因可能是藍色微型濾波片。

圖4 掃描儀（左側(cè)，600 dpi，8.4×）和近紅外相機（右側(cè)，10.7×）獲得的100%裁剪圖像

相機的近紅外圖像法在分析速度方面具有優(yōu)勢。例如，相機可以在1/30 s內(nèi)獲得1張照片，而掃描儀掃描600 dpi和1 200 dpi的圖像分別需要3～5 s和10～20 s的時間。

2.3 等值黑色面積對比分析

實驗分析了脫墨紙樣和未脫墨紙樣手抄片正反兩面的EBA值及其標準偏差[可以計量的最小油墨斑點面積根據(jù)圖像法（掃描儀和相機）的不同而有所差異]，結(jié)果分別如表1和表2所示。

手抄片的正面（F，光滑面）為接觸平板的一面，反面或背面（B，粗糙面）為靠近濾網(wǎng)的一面。對于光學性能，同一張紙樣的正反兩面具有相同的白度。辦公用紙DP和UP紙樣的差距較?。?%）。但是，無論DP還是UP紙樣，其正反兩面掃描圖像中的油墨斑點大不相同。通常，正面的EBA值低于反面，即粗糙面的EBA值高于平滑面，如圖5所示[圖中：（a）定量為45 g/m2的辦公用紙；（b）定量為50 g/m2的辦公用紙；（c）定量為 60 g/m2的辦公用紙；（d）新聞紙，NIR]。

表1 脫墨紙樣的EBA平均值及其標準偏差

表2 未脫墨紙樣的EBA平均值及其標準偏差

因此，手抄片的兩面性會影響EBA結(jié)果?？偤图垙堈磧擅娴腅BA值并不能消除這些差異。在1 200 dpi分辨率下掃描的圖像EBA值高于600 dpi掃描圖像的EBA值。由于紙張具有不均勻性，這些較高的EBA值是由眾多的干擾噪聲引起的。因此，高分辨率掃描圖像不能提高油墨斑點和纖維間的對比度，而且對于高質(zhì)量分析不可靠。

在近紅外圖像分析法中，每張紙樣單面或兩面的油墨斑點比較統(tǒng)一。很明顯，近紅外圖像分析法數(shù)據(jù)與紙張表面的均一性具有良好的相關(guān)性。NIR為紙樣的單面測量提供了可能性，這正是我們追求的目標。同時，利用NIR圖像分析辦公用紙，無論定量如何，其結(jié)果保持統(tǒng)一。此外，在紙樣定量達到60 g/m2時NIR圖像分析仍具有足夠的深度可見性。與掃描圖像相比，NIR圖像具有較低的EBA值。盡管細節(jié)尚不明確，但是噪聲和信號衰減都會導致如此。最低油墨斑點面積的確定主要由圖像分辨率和噪聲決定。與770 dpi圖像（NIR）相比，1 200 dpi的圖像可以檢測出較小的斑點。但是紙張表面的不均一性會產(chǎn)生大量的噪聲（可以在檢測器中發(fā)現(xiàn)），這會限制最小斑點面積的測定。

NIR圖像法能夠?qū)⑿侣劶堉械睦w維和油墨區(qū)分開，如圖4所示。

由圖5可以看出，NIR圖像法獲得的數(shù)據(jù)具有良好的一致性，尤其是定量為40 g/m2和45 g/m2的手抄片。NIR圖像法EBA值低于光學掃描法所得的數(shù)值，這是因為光學數(shù)據(jù)顯示新聞紙脫墨性較差。通常認為目前的NIR相機設(shè)置不能處理這種紙張，但是我們堅信未來會克服當前的局限（例如圖像傳感器和帶通濾波器），NIR方法可用于評價新聞紙試樣。

2.4 利用圖像分析法計算油墨脫除率

早期，我們開發(fā)了一種基于圖像分析法的油墨脫除率（IE）計算公式，如公式（1）所示：

圖5 基于EBA的脫墨效果評價

式中：EBAUP和EBADP是等值黑色面積值，單位為10-6。

在脫墨應(yīng)用中，油墨脫除率比EBA更容易理解且更方便。與利用ERIC方法獲得IE不同的是，采用圖像分析法不需要實際應(yīng)用中難以獲得的未印刷樣品。

同一種類相同定量的辦公用紙，獲得10個EBA數(shù)值，將其平均值帶入公式（1）中。采用2種方法計算IE值，一種是基于紙張單面，另一種是基于紙張雙面，以研究紙張兩面性的影響，如圖6所示[圖中：（a）和（b）分別為基于單面和雙面的紙張油墨脫除率]。

根據(jù)NIR數(shù)據(jù)采用這2種方法計算得到的IE值均一致。掃描圖像法得到的IE值差異明顯，這與先前的掃描圖像法EBA分析結(jié)果一致。NIR獲得的IE值高于掃描圖像法。考慮到先前從光學性能得到的推斷（辦公紙脫墨成功），認為IE值應(yīng)該會比較高，由此可以看出，這些通過NIR圖像法獲得的IE結(jié)果是準確的。由于新聞紙EBA結(jié)果較差，所以本文沒有討論新聞紙的IE值。

圖6 圖像法分析辦公用紙油墨脫除率

3 結(jié)論

本實驗開發(fā)了一種新型NIR圖像分析脫墨評價方法，可以克服目前基于圖像分析的脫墨評價方法產(chǎn)生的局限。在脫墨實驗中，以激光打印辦公用紙和新聞紙為原料。與當前的評價方法相比，NIR圖像分析法因其較深的穿透可見度，在數(shù)據(jù)獲取、結(jié)果一致性和可靠性方面具有優(yōu)勢。該方法在操作便利性、分析速率和深入應(yīng)用方面也具有優(yōu)勢。由于新聞紙脫墨性較差，該方法對新聞紙的評價并不成功，但是這積極推動了該項工作的提升。盡管NIR圖像分析法存在眾多的儀器設(shè)置的限制，例如來自圖像傳感器微型濾波片和相機自動伽馬校正的影響，但是我們認為NIR圖像分析法會發(fā)展成為一種具有競爭力的脫墨評價標準所采用的的分析方法。