一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法，涉及纤维结构形态重建技术领域，采用SEM图像，进行二值化、形态学改善、骨架与边缘线提取、结点提取和直线替代曲线的一系列处理，最终获取纸张纤维素纤维二维结构模型。其中，“二值化”采用双阈值与局部阈值相结合的更精准的二值化算法；“形态学改善”采用了膨胀、腐蚀、开闭运算等修复算法；“直线替代曲线”采取了通过判断结点是否连通识别出可进行直线替代的曲线结点对的算法。解决了现有纸张纤维素结构模型与实际纤维微观结构差异较大或者模型参数过于复杂的问题，重建的结构模型可应用于多个纤维素应用领域的结构有限元仿真模拟计算。

Two dimensional structure reconstruction method of paper cellulose fiber based on image processing

The invention discloses a paper cellulose fiber two-dimensional structure reconstruction method based on image processing, and relates to the technical field of the structure and morphology of the fiber by SEM image reconstruction, a series of processing, binarization, morphological improvement, skeleton and edge extraction, node extraction and linear substitution curve, finally gets the paper fiber two-dimensional structure model. Among them, the \binarization\ by double threshold and local threshold combining more accurate binarization algorithm; \morphological improvement\ by expansion, corrosion, opening and closing operation restoration algorithm; \linear substitution curve\ taken by judging whether the node connectivity can be identified on the line instead of the curve point algorithm. To solve the differences in microstructure model and the actual structure of existing paper cellulose fiber is larger or the complexity of the model parameters, calculation of finite element simulation model reconstruction can be applied in many fields of applications of cellulose simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法
本专利技术涉及纤维结构形态学重建
，具体涉及一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法。
技术介绍
纤维素是自然界中分布最广、储量最大的天然高分子，每年植物通过光合作用产生纤维素数千亿吨，因此说纤维素是一种产量巨大的可再生资源。纤维素还具有可完全生物降解、无毒、无污染、易于改性、生物相容性好、可再生等优势，被认为是未来世界能源、化工的主要原料，可广泛用于造纸，纤维与纺织品以及纤维素衍生物等领域。纸张作为一种相对“年长”的纤维素纤维结构，在近年的一些科研领域又得到了应用，例如纸基电池隔膜。针对纸张结构的研究已经是相对“老旧”的学术问题了，针对纤维素宏观、微观甚至分子尺度的研究已经开展多年，然而由于纸张纤维素纤维结构的紊乱性与无序性，至今还没有一种基于纸张纤维素纤维微观图像，能够完美提取纸张/纤维结构形态的结构模型。早起研究中，纤维很多时候被简化为单纤维或孤立纤维，国外科学家在单纤维的基础上，考虑周围纤维的干扰来建立纤维模型，利用计算机技术生成二维编织(纤维平行和交叉排列)纤维结构。也有研究者利用计算机技术随机产生二维或者三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)读取通过SEM拍摄所得的纸张纤维素纤维微观结构图像OI；2)将纸张纤维素纤维微观结构图像OI从RGB格式转换为灰度图像，再将灰度图像进行二值化处理获得二值图像BW；3)运用形态学算法对二值图像BW中的纤维结构进行改善处理，得到图像BW1；4)运用卷积算法对图像BW1和原图像的灰度图像进行相关性计算，以此判定图像BW1的处理质量，当相关性达到设定的阈值时进行下一步处理，否则返回步骤3)进一步做形态学改善处理；5)对图像BW1进行纤维结构的骨架化提取得到骨架化图像SI，对图像BW1进行边缘线提取得到边缘线图像E...

【技术特征摘要】
1.一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)读取通过SEM拍摄所得的纸张纤维素纤维微观结构图像OI；2)将纸张纤维素纤维微观结构图像OI从RGB格式转换为灰度图像，再将灰度图像进行二值化处理获得二值图像BW；3)运用形态学算法对二值图像BW中的纤维结构进行改善处理，得到图像BW1；4)运用卷积算法对图像BW1和原图像的灰度图像进行相关性计算，以此判定图像BW1的处理质量，当相关性达到设定的阈值时进行下一步处理，否则返回步骤3)进一步做形态学改善处理；5)对图像BW1进行纤维结构的骨架化提取得到骨架化图像SI，对图像BW1进行边缘线提取得到边缘线图像EI；6)分别对提取的骨架化图像SI和边缘线图像EI进行线段结合点，即结点的提取，得到结点矩阵J；7)使用结点间连通判断识别算法，对两个结点间是否存在线段，即是否连通进行判断，获得所有相连通的结点对坐标数据；8)将所有被判断为连通的结点对进行连线绘图，以此实现骨架化图像SI和边缘线图像EI的曲线-直线转换，即将原图像中连接的曲线全部用直线代替，获得结构更为规则、数据量更为简单的纤维网络二维结构图像；9)通过绘制所得图像获得矢量数据，实现对图像的矢量化存储，并直接获得纸张纤维素纤维结构的骨架和边缘二维结构线体模型。2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法，其特征在于：步骤2)中，对灰度图像使用了双阈值和局部区域阈值相结合的图像二值化算法进行了精确的二值化处理，具体过程如下：2.1)使用双阈值对灰度图像进行二值化处理，得到二值图像BWa；2.2)对灰度图像的每个小区域分别使用局部区域阈值进行二值化处理，得到二值图像BWb；2.3)将二值图像BWa和二值图像BWb叠加起来，获得二值图像BW。3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的纸张纤维素纤维二维结构重建方法，其特征在于：所述步骤3)的改善处理包括以下手段：开运算、闭运算、膨胀、腐蚀、小区域剔除、填充和重构，其目的分别为：通过开运算将一些需要断开的狭隘连接进行断开处理；通过闭运算将一些相对靠近的缝隙进行连接，并且使纤维边缘更加圆滑；运用膨胀、腐蚀处理来控制纤维的厚度大小，进行尺寸上的调节；使用重构算法将一些丢失的纤维从原图中进行再一次的获取，并进行补充；通过小区域剔除运算，将像素面积小于设定阈值的独立块剔除...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旺玉，谢卫规，黄家乐，骆涛，彭羽健，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44