口罩过滤材料的三维结构建模

朱国庆,侯 爽,董晗睿,莫湘杰

(1.苏州市纤维检验院,江苏 苏州215128;2.西安工程大学,陕西 西安710048;3.广西路建工程集团有限公司,广西 来宾546111)

2019新型冠状病毒(2019-nCo V)在全世界的蔓延大大增加了人们对空气过滤防护口罩的需求,目前在新型冠状病毒防护中起到重要作用的医用外科口罩的主体即为3层聚丙烯非织造布,其中间过滤层采用微米级聚丙烯制成的熔喷非织造材料[1]。

非织造材料的过滤性能主要取决于其结构,即纤维的堆砌方式和排列分布,具体来说,纤维直径会影响纤维之间的空隙及堆积密度,从而影响材料的过滤效率和压阻;纤网内的孔径大小会影响可拦截颗粒物的尺寸;纤维集合体内的纤维取向排列影响过滤效率[2-5]。因此,准确建立非织造布三维细观结构,从而对集合体结构进行有效调控是提高纤维过滤材料过滤性能的关键。通过前期研发的纺织品三维点云提取软件,获得了非织造布内部纤维堆砌排列的三维点云,并借助Geomagic Studio软件建立织物试样的三维模型,以期为非织造滤材的三维建模提供新的方法,为研究其结构参数与过滤性能的关系提供理论依据。

1 织物图像采集

1.1 织物图像采集系统

本文所用的图像采集系统包括全自动显微镜、光源部分、CCD图像采集设备和内置数字图像处理软件的PC机四个部分(见图1)。采集多图层图像时,计算机控制载物平台沿着Z轴以一定步长移动,放置在显微镜上的CCD摄像头采集图像,图层数据通过串口传输至计算机,图像处理软件实时处理收集图像数据。采集处理完一个视野后,计算机控制载物平台沿X方向或Y方向移动至下一视野,继续进行多焦面图层的采集。

图1 检测系统硬件框架

1.2 图像采集设备

系统采用M318北昂全自动显微镜,见图2。显微镜配有电机制动三轴载物台(MC200,BEION),平台尺寸180×150 mm,移动范围75×50 mm。三轴载物台通过RS-232串口接入计算机,根据BEION-XYZLXD平台协议编写控制电机移动代码,控制载物台平面移动(X、Y轴)和聚焦(Z轴)。显微镜自带可调亮卤素灯(12V/20W)。

经过10次测量,得到像素实际长宽为2.16μm,Z方向平台移动的单步长距离为0.15μm,并计算得显微系统总景深值为8.86μm。

图2 M318北昂全自动显微镜

1.3 图层采集

1.3.1 仪器安装及调试

显微镜与计算机通过串口相连接,将串口通讯线两端分别连接到显微镜及电脑的COM口上,并将摄像机视频通讯线连接到摄像机及电脑USB接口上,确认摄像机工作指示灯正常。进入显微镜自动控制程序,初始化显微镜,使用控制程序控制灯光亮度及移动载物台,调节焦距。调焦时先快速转动粗动调焦旋钮至标本(载玻片)与物镜顶部距离约5 mm位置,再缓慢旋转粗动调焦旋钮使工作平台缓慢远离物镜,直至在视场中看到标本图像;然后用微动调焦旋钮对标本作精细调焦,至图像最清晰为止。

1.3.2 操作步骤

1.3.3 样品图像采集

以非织造布为研究对象,图4为样品采集的50幅图层中的部分图层。

2 织物三维模型建立

图3 图像采集软件界面

图4 非织造布样品的部分图层

2.1 软件原理

当物体离摄像头的距离等于聚焦位置时,采集的图像最清晰。图5为聚焦示意图,图中O点所在平面为最佳聚焦平面,O1所在平面为远景面,这是物体能清晰成像的最远平面;远景面到最佳聚焦平面之间的直线距离为后景深,O2所在平面是物体清晰成像的最近物平面,即近景面,近景面到最佳聚焦平面的直线距离为前景深。

图5 物体聚焦示意图

对于多深度目标,单一聚焦平面下采集的图像会部分区域清晰,部分区域模糊,呈多焦面现象。而不同深度区域会在不同聚焦面下显示清晰,因此用聚焦位置代表各表面点的深度值,物体各个表面点的最佳聚焦位置之间的差值就是表面点的深度差。实现三维重建和测量的基本方法如图6所示:

图6 三维重建方法示意图

2.2 三维图像建模

图像像素的清晰程度可以作为判断像素是否聚焦的依据。清晰度计算过程如下:

式中P表示以点(i,j)为中心的评价区域,d(u,v)为点(u,v)的梯度。软件操作界面如图7所示。

图7 三维点云软件操作界面

将获得的各位置的空间三维坐标(x,y,z)导入Geomagic Studio(界面见图8)建立三维模型,从而得到非织造布的三维图像,如图9所示。

3 结语

图8 Geomagic Studio界面

图9 非织造布三维图

由于物体与摄像头之间的距离发生改变会导致成像的清晰度发生改变,所以可以根据图像清晰度反推出物体和摄像头之间的距离。采用三维结构建模方法的优势在于:只要一个摄像头,就可以采集三维图像的距离,从而建立非织造材料的真实三维结构。影响非织造材料过滤性能的参数不仅数量较多,且各参数与过滤性能是复杂的非线性联动关系,仅仅通过传统的试验设计方法寻找最优结构参数组合会增加产品的研发周期。建立非织造材料三位结构模型可直接导入有限元软件进行力学及过滤性能的模拟,模拟仿真结果可用于指导非织造过滤材料的结构参数优化,从而大幅降低产品的研发周期。