灰度值與立體織物密度關(guān)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(shè)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(yè)［3-6］等部件的缺陷檢測、結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)計與制作參比密度樣品出發(fā)，優(yōu)選掃描儀器，同時設(shè)計了新的掃描方式，最終根據(jù)測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，獲得灰度值與密度的關(guān)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(yī)學、圖像識別領(lǐng)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(zhì)。

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(shè)備

CT檢測設(shè)備：德國diondo d2微納米CT檢測系統(tǒng)，德國diondo GmbH。

1.3 試驗方法設(shè)計

立體織物內(nèi)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(qū)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?，F(xiàn)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(guān)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(guān)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(shù)據(jù)進行比照，得出被檢測樣品的密度。

2 參比密度樣品的設(shè)計與制作

參比密度樣品的設(shè)計需要滿足4點要求：

（1）參比密度樣品的材質(zhì)與被檢測樣品的材質(zhì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)應滿足纖維架構(gòu)穩(wěn)定，密度均勻。

參比密度樣品的制作：

（1）參比密度樣品材質(zhì)：采用與項目研究產(chǎn)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(xiàn)一定程度的松散，所以標樣必須保證適當?shù)某叽?。?jīng)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(shè)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(shù)

（4）參比密度樣品結(jié)構(gòu)：制作了不同結(jié)構(gòu)的參比密度樣品，對其進行工業(yè)CT掃描，測量灰度值變化區(qū)間，最終優(yōu)選織物內(nèi)部纖維分布均勻性好的結(jié)構(gòu)。

（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(nèi)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(shè)計

現(xiàn)有的檢測方法是采用醫(yī)用CT進行織物內(nèi)部掃描，醫(yī)用CT檢測存在2個問題。一是醫(yī)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(xiàn)的織物內(nèi)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(yī)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(yè)CT的射線源強度可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，其掃描精度可達到微米級呈現(xiàn)，成像灰白圖分辨率高，可獲得織物內(nèi)部細微結(jié)構(gòu)情況。工業(yè)CT檢測織物內(nèi)部情況時，直接將掃描圖片的顏色呈現(xiàn)為灰度值來表征所采集的圖像的特性。同時工業(yè)CT掃描直徑范圍可達到800 mm。

經(jīng)上述分析，選用工業(yè)CT掃描來研究灰度值與織物密度的關(guān)系。建立灰度值與密度值的對應關(guān)系，通過密度變化的區(qū)間范圍判斷織物內(nèi)部的均勻程度。

采用德國diondo d2微納米CT系統(tǒng)（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(tǒng)

圖2 樣品X射線掃描圖

將采集到的二維圖像數(shù)字序列，根據(jù)中心切片定理重建掃描區(qū)域內(nèi)被檢測參比密度樣品橫截面的射線衰減系數(shù)分布的映射圖像，形成三維CT結(jié)果。被檢測立體織物內(nèi)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(shù)據(jù)呈現(xiàn)與分析

4.1 參比密度樣品檢測

選用內(nèi)部密度均勻的結(jié)構(gòu)制作了一組參比密度樣品，序號為35#～48#，參比密度樣品材質(zhì)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(yè)CT掃描后將采集到的二維圖像數(shù)字序列，形成三維CT結(jié)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(shù)

圖3 CT掃描后灰度呈現(xiàn)

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(qū)域，紅色為灰度值高的區(qū)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(cè)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(xiàn)藍綠相交，說明其灰度值正好處于顏色變化的區(qū)域24 000至25 000附近，從后期的灰度值統(tǒng)計中也可以體現(xiàn)這一點。

采用VG Studio分析軟件對CT數(shù)據(jù)進行灰度值統(tǒng)計，每個參比密度樣品的平均灰度值統(tǒng)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(chǔ)做線性回歸方程為：y=19 164x+16 023，R2=0.949。相關(guān)系數(shù)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(guān)性。

圖5 密度與灰度值關(guān)系圖

密度與灰度值關(guān)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(zhuǎn)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(jié)果進行驗證和應用，設(shè)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(nèi)部分區(qū)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(nèi)部10個被測區(qū)域

10個被測區(qū)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(qū)域的織物內(nèi)部密度見表4。

表4 10個被測區(qū)域的密度值

表4中被測織物A內(nèi)部10個被測區(qū)域密度的平均值為0.958，其變異系數(shù)為0.016，說明10個被測區(qū)域的纖維體積密度的離散性很低。

5 結(jié)論

（1）建立了一種立體織物各區(qū)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(yè)CT灰度值有強相關(guān)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(guān)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(qū)域位置的密度值。

（4）可根據(jù)密度值差異進行立體織物內(nèi)部密度均勻性判斷。