灰度值与立体织物密度关系研究

娄红莉，汤丹芬，方允伟，石亚蒙

（1. 南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 210012； 2. 南京国材检测有限公司，南京 210012）

0 前言

CT检测，是非破坏性检测与评价的最佳综合性检测方法［1-2］，广泛应用在航空航天、武器行业［3-6］等部件的缺陷检测、结构分析及密度均匀性分辨。美国军方在上世纪80年代开始使用CT检测材料的内部缺陷［7-8］，并制定了相应的ASTM标准密度测试方法［9-10］。立体织物因其成型的特殊性，尚未有资料显示对其密度的准确测试方法。

本文从设计与制作参比密度样品出发，优选扫描仪器，同时设计了新的扫描方式，最终根据测试结果进行数据分析，获得灰度值与密度的关系曲线。通过密度的偏差范围判断立体织物的密度均匀性。

文中的灰度值指黑白图像中点的颜色深度。在医学、图像识别领域有很广泛的用途。参比密度样品指测定立体织物的密度时，选用作密度参照的标准物质。

1 实验过程

1.1 原料

石英纤维：B型195Tex石英纱，菲利华。

1.2 仪器和设备

CT检测设备：德国diondo d2微纳米CT检测系统，德国diondo GmbH。

1.3 试验方法设计

立体织物内部均匀性检测的根本目标是获得不同位置的密度，由密度变化的区间范围判断均匀与否。因此最终目的亦是获得被测物体的密度值。现有的检测方法可获得被测物点、面的灰度值或者CT值，只需建立灰度值与密度值的对应关系，即可达到目的。

为达到研究目的，引入了参比密度样品法。通过制作不同密度的参比密度样品测得其灰度值，建立灰度值与密度的对应关系。参比密度样品作为“密度参照物”，提供一个或多个密度量值作为其他量值的“参照值”。参比密度样品用来和被检测样品的数据进行比照，得出被检测样品的密度。

2 参比密度样品的设计与制作

参比密度样品的设计需要满足4点要求：

（1）参比密度样品的材质与被检测样品的材质保持一致。

（2）参比密度样品的尺寸一般要求为边长≤30mm。

（3）参比密度样品的密度梯度确定：应覆盖被测样品的所有密度范围，同时参比密度样品的密度梯度越小测量精准度越高。

（4）参比密度样品的内部结构应满足纤维架构稳定，密度均匀。

参比密度样品的制作：

（1）参比密度样品材质：采用与项目研究产品一致的原材料——石英纤维。

（2）由于织物的特性，切割后，断面纤维会出现一定程度的松散，所以标样必须保证适当的尺寸。经过大量的切割实验，在保证织物切割完整、不脱散的情况下，所能获得的参比密度样品尺寸为： 长50 mm×宽50 mm×厚30 mm。

（3）设定参比密度样品的密度梯度为表1所示：

表1 石英纤维参比密度样品密度梯度表与其对应的体积分数

（4）参比密度样品结构：制作了不同结构的参比密度样品，对其进行工业CT扫描，测量灰度值变化区间，最终优选织物内部纤维分布均匀性好的结构。

（5）参比密度样品包装：为保护参比密度样品用透明盒封装。要求参比密度样品与盒内壁贴合紧密，参比密度样品在盒中不能移动。

3 仪器的选择与扫描方式设计

现有的检测方法是采用医用CT进行织物内部扫描，医用CT检测存在2个问题。一是医用CT受限于射线源强度不能超过一定范围（人体可能承受），所以扫描精度低，呈现的织物内部的灰白图像分辨率低，只能定性判断，且误判机率高；二是医用CT扫描的直径范围受限，为0～400 mm，不能适应所有织物。

工业CT的射线源强度可根据需要进行调节，其扫描精度可达到微米级呈现，成像灰白图分辨率高，可获得织物内部细微结构情况。工业CT检测织物内部情况时，直接将扫描图片的颜色呈现为灰度值来表征所采集的图像的特性。同时工业CT扫描直径范围可达到800 mm。

经上述分析，选用工业CT扫描来研究灰度值与织物密度的关系。建立灰度值与密度值的对应关系，通过密度变化的区间范围判断织物内部的均匀程度。

采用德国diondo d2微纳米CT系统（见图1）对参比密度样品进行X射线扫描（图2）。

图1 德国diondo d2微纳米CT系统

图2 样品X射线扫描图

将采集到的二维图像数字序列，根据中心切片定理重建扫描区域内被检测参比密度样品横截面的射线衰减系数分布的映射图像，形成三维CT结果。被检测立体织物内部的密度越大的地方灰度值越大，图像颜色越白。反之密度越小的地方灰度值越小，图像颜色呈灰黑色。

4 数据呈现与分析

4.1 参比密度样品检测

选用内部密度均匀的结构制作了一组参比密度样品，序号为35#～48#，参比密度样品材质为石英纤维，其密度梯度见表2，每种密度梯度2个参比密度样品。工业CT扫描后将采集到的二维图像数字序列，形成三维CT结果见图3。

表2 石英纤维参比密度样品35#～48#密度梯度表与其对应的体积分数

图3 CT扫描后灰度呈现

为清晰显示每个参比密度样品灰度值的差异，用彩虹色阶来处理扫描后的参比密度样品图片，蓝色为灰度值低的区域，红色为灰度值高的区域（见图4）。从图中可看出参比密度样品的密度阶梯 清晰。

图4 CT扫描彩虹色阶图

图中左侧灰度值色阶条显示最顶端红色灰度值为40 000，最底端蓝色灰度值为20 000。图中44#与45#样呈现蓝绿相交，说明其灰度值正好处于颜色变化的区域24 000至25 000附近，从后期的灰度值统计中也可以体现这一点。

采用VG Studio分析软件对CT数据进行灰度值统计，每个参比密度样品的平均灰度值统计见表3。

表3 每个参比密度样品的平均灰度值表

以参比密度样品的密度为X轴，所对应的灰度值为Y轴，做散点图（见图5），可以观察到这些点都分布在一条直线附近，密度越大灰度值越大，以这些点为基础做线性回归方程为：y=19 164x+16 023，R2=0.949。相关系数R大于0.9说明参比密度样品密度与其相应的灰度值有强相关性。

图5 密度与灰度值关系图

密度与灰度值关系曲线的建立，可以获求任意灰度值下的密度值，即将灰度值转化为密度值。

4.2 参比密度样品法测试立体织物

为了将上述结果进行验证和应用，设计一件待测物体A，其称重法的密度为0.968。将其与上述参比密度样品同时扫描测量，见图6。在A织物内部分区域测量了10个位置的平均灰度值，见图7。

图6 被测织物A为2.5D平板织物

图7 A织物内部10个被测区域

10个被测区域的的平均灰度值见表4。将检测到的灰度值代入到回归方程y=19 164x+16 023中，计算得到10个被测区域的织物内部密度见表4。

表4 10个被测区域的密度值

表4中被测织物A内部10个被测区域密度的平均值为0.958，其变异系数为0.016，说明10个被测区域的纤维体积密度的离散性很低。

5 结论

（1）建立了一种立体织物各区域密度的定量检测方法-参比密度样品法。

（2）立体织物密度与其相应的工业CT灰度值有强相关性，织物密度越大其灰度值越大，织物密度越小其灰度值越小。

（3）建立了灰度值与密度的关系方程。检测时只需将被测样品与参比密度样品同时进行扫描，将测得的灰度值带入回归方程中即可得到各区域位置的密度值。

（4）可根据密度值差异进行立体织物内部密度均匀性判断。