[发明专利]通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法

说明书

本发明涉及一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，通过同视野多层多焦面非织造材料显微图像来提取纤维中轴线进而还原其在非织造材料里的三维形态及位置的方法，多层显微图像采集融合，纤维的圆形分割与圆心点的选取，圆心点深度的计算，纤维中轴线的提取和还原纤维封闭的三维表面；通过提取纤维中轴线上源点的深度以及源点处纤维的截面半径，进而通过空间插值的方式还原纤维轴线以及封闭表面的三维坐标。相比较于其他重建方法，本发明真实还原了纤维纵向之间的联系,对于后续研究非织造材料孔径大小及分布、孔径内表面积、孔隙体积、空气流体阻力和压差等关键参数提供了优质的三维模型。

技术领域

本发明涉及一种非织造材料三维重建技术，特别涉及一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法。

背景技术

2019新型冠状病毒(2019-nCoV)在全世界的蔓延大大增加了人们对空气过滤防护产品的需求，大多数空气过滤产品例如口罩、防尘面具、空气过滤机等其核心材料的空气过滤层多采用熔喷非织造材料。而良好的非织造材料要求能在较低过滤阻力条件下，高效捕获空气中不同尺寸颗粒物、病毒。在非织造材料内部有着丰富的多向立体微细弯曲孔道和很高的空隙率，因此有着非常好的过滤性能。然而正是因为非织造空气过滤材料孔隙结构非常复杂，目前只能依靠测试其等效孔径来近似描述，对于其真实内部结构，无论生产者还是使用者都没有准确数据。因此，准确获得非织造材料的三维结构具有极其重要的意义。

现有的关于非织造材料的三维重建技术主要有基于扫描电镜图像、光学显微镜、医学CT即X射线断层扫描技术。其中基于扫描电镜的技术有利用霍夫变换分析针刺非织造布中纤维的取向、通过非织造材料表层纤维网图像排列和取向利用随机算法构建材料的简易模型。扫描电镜获取的图像清晰度高，但成本高、效率低，而且局限于纤维网厚度、细度等问题。光学显微镜使用便捷、实用性好，基于光学显微镜的技术有利用图像处理技术分析了非织造材料的厚度、纤维长度、细度及卷曲，采用傅里叶变换对纺粘非织造材料显微图像进行纤网取向分析，采用随机算法设计三维模型来描述材料结构，以及结合材料表面图像特征模拟非织造材料加工过程，重建出材料三维结构。其中基于光学显微镜的单幅图像与基于扫描电镜的图像都丢失了目标的深度信息，仅仅依靠表层图像进行模拟，无法准确描述纤维之间纵向的联系，所以更加无法准备的表征非织造材料的孔隙结构。基于医学CT的技术可以找到目标的深度信息，但是存在很多弊端，价格高、检测速度慢、辐射等问题，更无法做到快速、精准、批量化的三维重建。目前已有一些技术参考CT成像的原理来基于光学显微镜对非织造材料连续拍摄多层不同聚焦深度的图像，从而拥有材料的深度信息又能避开CT的弊端。例如通过单一聚焦平面下采集的图像会部分清晰，部分模糊，呈多焦面现象，来根据纤维在不同图层的清晰度确定纤维的深度信息进行三维重建。但是面临的主要问题是在光学镜头景深范围内纤维表面会在多个图层中重复成像，造成表面点的唯一深度计算困难，以及下层被遮挡住，因此重建的三维模型只是各个图层聚焦点的堆叠而已，其中每一根纤维都是切断的，不连贯的，丢失了层与层之间的联系，也丧失了纤维在空间的真实形态。

发明内容

针对现在非织造材料的三维重建存在的问题，提出了一种通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，通过同视野多层多焦面非织造材料显微图像来提取纤维中轴线进而还原其在非织造材料里的三维形态及位置的方法。用于获取非织造材料的真实三维模型。

本发明的技术方案为：通过纤维中轴线还原非织造材料三维结构的方法，具体包括如下步骤：

1)、多层显微图像采集融合:获取同视野多层多焦面非织造材料显微图像的融合图像；

2)、纤维的圆形分割与圆心点的选取：将步骤1)所得的融合图像进行二值化阈值分割以及用形态学处理方法填充孔洞；然后通过提取半径算法得出半径分布图，在半径分布图上找到在纤维体上每一个径向方向的极大值点，这些极大值点组成纤维的中线；在中线上均匀选取源点，并且以此源点为圆心，对应此源心的半径画圆，将每条纤维分割成若干个独立的、且相互靠近的圆形区域；其中提取半径的计算方法为：