一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法技术

一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法。该方法将木材样品放置于X射线显微CT中进行扫描，样品在水平方向进行360°旋转，每旋转一定角度探测器对木材样品拍摄一张二维灰度图片，最后得到一系列有序的二维灰度图片，利用FDK重建算法在计算机上重构样品三维数字图像，运用Avizo软件选择感兴趣区域(ROI，Region OfInterest)，经分析得到木材样品的孔隙结构参数信息和孔隙三维空间分布情况。本发明专利技术可以在无损条件下对木材样品进行观察、分析其内部的微观孔隙结构，包括定量分析孔隙结构参数和可视化观察样品孔隙三维分布。研究木材内部孔隙结构提供可视化依据，对于进一步研究木材介质运输具有重要意义，广泛应用于木材的微米孔隙的结构分析和可视化观察。

A method for characterization of wood pore structure based on X ray micro CT

A method of characterizing wood pore structure based on X ray micro CT. In this method, wood samples are placed in X-ray micro-CT and scanned. The sample rotates 360 degrees horizontally. Each rotation angle detector takes a two-dimensional gray image of the wood sample. Finally, a series of ordered two-dimensional gray images are obtained. The three-dimensional digital image of the sample is reconstructed by FDK reconstruction algorithm on the computer. For example, Avizo software was used to select ROI (region of interest), and the pore structure parameters and pore three-dimensional spatial distribution of wood samples were obtained by analysis. The invention can observe and analyze the microscopic pore structure of wood samples under non-destructive conditions, including quantitative analysis of pore structure parameters and visual observation of three-dimensional pore distribution of the samples. It is of great significance to study the pore structure of wood for further study of transport of wood medium. It is widely used in structural analysis and visual observation of wood micropore.

【技术实现步骤摘要】
一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法
本专利技术涉及分析木材孔隙结构
，具体为一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法。
技术介绍
木材是一种可再生的自然资源，对于人类生活起巨大的支持作用。木材经人工采伐后加工形成各种木制材料，主要应用于建筑工程、家具、装修材料、饰品等方面，与人们的生活、生产紧密相关。木材具有优良的特性，其饰面有一种特殊的优美观感，且具有高强重比、良好的声学和美学特性。同时，木材本身也存在一些缺陷，如尺寸不稳定(胀缩性)、易腐朽、易燃等等。因此，人们往往需要对木材原料进行改性、干燥等加工处理，以改良木材的某些缺陷。木材的各向异性和不均匀性使其孔隙结构复杂多变，加工过程中也会对木材孔隙结构发生改变。木材内部的孔隙结构能够影响介质运输、渗透性，进而影响木材的改性和干燥工艺。因此，有必要对木材的孔隙结构作进一步的了解和研究。木材的孔隙结构一般通过孔隙率、孔隙体积、比表面积、孔隙直径、表面积等参数进行表征。目前孔隙结构表征方法主要有以下几种：扫描电镜、压汞法、气体吸附法、原子力显微镜、热孔计法、冷孔计法等。然而，这些方法或多或少存在某些方面的缺陷，如孔隙直径限制、视野限制、局部孔隙信息、样品制备复杂、二维图像引起的信息失真等等。同时，现有的测试技术大多数为破坏性测试，木材样品测试分析之后只能废弃扔掉，同一样品测试方法单一。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种准确、直观地再现木材中的孔隙结构形貌，并进行定量计算和可视化观察的基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法，具体步骤如下：S1，确定所需分析或研究测试样品的孔隙尺寸范围，选择合适的X射线显微CT测试分辨率及对应的测试镜头，挑选合适尺寸的木材样品；S2，将木材样品放置于X射线显微CT仪器中进行CT扫描，获取一系列有序的二维灰度图像；S3，将步骤S2中获取的二维灰度图像通过软件重建木材样品的三维数字图像；S4，用Avizo软件选取感兴趣区域ROI，并进行孔隙结构的可视化观察和定量分析。作为上述方案的改进，所述的木材样品尺寸为微米级至厘米级，根据不同测量分辨率精度的显微CT分辨的最小孔隙尺度，所述的测试样品的孔隙尺度范围为1μm-500μm。作为上述方案的改进，所述的步骤S2中，样品在X射线显微CT中扫描测试，调整好木材样品的旋转中心，木材样品在水平方向360°旋转，样品每旋转一定角度暂停，同时拍摄一张二维灰度照片，最终获得一系列有序的二维灰度图像。作为上述方案的改进，所述的步骤S3中通过VoxelStudioRecon利用FDK重建算法将步骤S2中获取一系列有序的二维灰度图像合并成一个三维立体图像文件*.CT后，并转成通用的*.raw格式文件。作为上述方案的改进，所述的步骤4包括以下步骤：S4.1挑选木材立体图像中的感兴趣区域ROI，选择需要的分析尺寸；S4.2随机选取一张二维灰度图像，选择合适阈值提取孔隙部分，对感兴趣区域ROI数据体进行二值化处理，其中灰度值1表示为孔隙，灰度值0表示为木材；S4.3用Avizo软件进行可视化观察和计算孔隙结构的相关参数，包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积。作为上述方案的改进，所述的步骤S4.1中所述的选择需要的分析尺寸为400×400×400pixel。X射线显微CT技术，又叫计算机层析成像，是一种无损检测的方法，样品测试后可继续做其他有损或无损测试。这项技术的原理是根据物质对于X射线吸收程度的差异，具体体现在物质密度差异。X射线穿过物体时，由于不同物质密度不同，X射线出现不同程度的衰减，其衰减规律遵循Beer定律。衰减后的X射线被探测器捕获，通过转换计算，显示出不同的灰度值。X射线显微CT技术能够可视化观察木材内部孔隙结构形貌、定量计算孔隙结构相关参数。这种技术的可贵之处在于它是一种可视化测试分析方法，能够让人们清晰、准确、直观地了解木材的孔隙结构，对木材加工处理具有十分重要意义。目前，这种技术的测试分辨率涵盖几百纳米到几百微米不等，测试应用范围较广。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术是无损检测，可以在不破坏样品的情况下测试样品；本专利技术是可视化观察，测试结果可以从不同方向、不同角度进行清晰观察样品内部结构；本专利技术可以定量计算孔隙结构参数，包括孔隙率、孔隙体积、表面积、等效直径、比表面积等。对于无损研究木材的介质运输、渗透性及可视化分析具有重要的意义。附图说明图1为扫描过程中的单张刺猬木材二维灰度图像。图2为重建后的刺猬木材三维数字图像。图3为感兴趣区域(ROI)四视图图像。图4为图3中XY切面二值化处理过程图像。图5为对图4二值化处理后图像。图6为刺猬木材三维图像。图7为孔隙三维图像。图8为孔隙在刺猬木材中三维分布图像。具体实施方式实施例以实验室的X射线显微CT为例，该仪器可分辨木材的最小孔径为1μm，对刺猬红木木材进行显微CT扫描测试。以下为相关名词解释：孔隙率，孔隙体积占总体积的比例。孔隙三维分布，孔隙在感兴趣区域内的空间分布。孔隙表面积、孔隙体积、孔隙等效直径、孔隙比表面积，表征孔隙结构的参数。实验样品刺猬红木木材，基于X射线显微CT表征刺猬红木木材微观孔隙结构：步骤1，本次实验所用样品为刺猬红木木材，研究刺猬木材的孔径1μm及以上的微米级孔隙结构，选择X射线显微CT仪器的20倍放大镜头(其测试分辨率可达1μm)，刺猬木材选用约为1mm直径、外观形状近似圆柱状样品，取于刺猬红木木材芯部；步骤2，将刺猬木材样品用封泥固定在样品夹上，放置于X射线显微CT仪器中的样品台进行CT扫描，测试条件：电流245μA，电压40KV，曝光时间40s，图像合并数1张。调整样品旋转中心，木材样品在水平方向360°旋转，每隔0.40°样品停住，探测器获取一张二维灰度图像CT0001.DR如图1，总共获取900张二维灰度图像(CT0001.DR～CT0900.DR)；步骤3，所有二维灰度图像文件导入VoxelStudioRecon软件，利用FDK重建算法重建，调整垂直位移参数和水平角度偏移参数，重建刺猬红木木材的三维数字图像如图2，形成32位的rosewood.CT文件，同时转换成16位的rosewood.raw文件；步骤4，将rosewood.raw文件导入Avizo软件，将图像进行非局部均值滤波处理，选取感兴趣区域ROI，尺寸为400×400×400像素，其四视图如图3，从ROI区域中随机选择XY切面(第200张)如图4，通过灰度直方图中选取合适的阈值，灰度值小于该阈值的像素点表示为孔隙成分，反之则为木材成分。通过单张切面阈值分割提取出其中的孔隙，将该阈值应用于整个感兴趣区域ROI，整个数据体执行二值化处理，形成只有两种灰度值(灰度值0和1)的数据体，其中灰度值1代表孔隙，灰度值0代表刺猬红木木材如图5。通过Avizo软件可以统计整个ROI区域的孔隙和木材像素点数据见表1，得出刺猬木材的孔隙率为39.92％，定量计算每个孔隙的等效直径、表面积、体积、比表面积结果，其分布统计趋势见表2至表5。Avizo软件可以将木材和孔隙以三维图像的形式显示出来如图6、图7，同时也可将孔隙在木材中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：S1，确定所需分析或研究测试样品的孔隙尺寸范围，选择合适的X射线显微CT测试分辨率及对应的测试镜头，挑选合适尺寸的木材样品；S2，将木材样品放置于X射线显微CT仪器中进行CT扫描，获取一系列有序的二维灰度图像；S3，将步骤S2中获取的二维灰度图像通过软件重建木材样品的三维数字图像；S4，用Avizo软件选取感兴趣区域ROI，并进行孔隙结构的可视化观察和定量分析。

【技术特征摘要】
1.一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：S1，确定所需分析或研究测试样品的孔隙尺寸范围，选择合适的X射线显微CT测试分辨率及对应的测试镜头，挑选合适尺寸的木材样品；S2，将木材样品放置于X射线显微CT仪器中进行CT扫描，获取一系列有序的二维灰度图像；S3，将步骤S2中获取的二维灰度图像通过软件重建木材样品的三维数字图像；S4，用Avizo软件选取感兴趣区域ROI，并进行孔隙结构的可视化观察和定量分析。2.根据权利要求1所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法，其特征在于，所述的木材样品尺寸为微米级至厘米级，根据不同测量分辨率精度的显微CT分辨的最小孔隙尺度，所述的测试样品的孔隙尺度范围为1μm-500μm。3.根据权利要求1所述的一种基于X射线显微CT表征木材孔隙结构的方法，其特征在于，所述的步骤S2中，样品在X射线显微CT中扫描测试，调整好木材样品的旋转中心，木材样品在水平方向360°旋转，样品每旋转一定角度暂停，同时拍摄一张二维灰度...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡建华，陈俊，张译方，孙一峰，冉文清，管啸晓，汪昭玮，刘梦影，谢宇达，魏俊峰，牟德海，
申请(专利权)人：广东省测试分析研究所中国广州分析测试中心，
类型：发明
国别省市：广东,44