图像法分析废纸浆中胶黏物和尘埃的研究

2010-11-22程江娜武书彬

中国造纸 2010年5期

关键词：纸浆尘埃杂质

程江娜武书彬李擘

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510641)

图像法分析废纸浆中胶黏物和尘埃的研究

程江娜武书彬李擘

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510641)

介绍了图像法应用于废纸浆中胶黏物和尘埃检测分析的基本理论,以及图像分析软件Spec&Scan在废纸浆检测应用中的特点,并以某造纸厂废纸浆为原料,对浆中的胶黏物和尘埃进行了检测分析。检测结果主要以灰度值来表征,通过统计的方法得到杂质颗粒面积、个数及颗粒平均尺寸大小等数据,由此对废纸浆质量及特点进行量化评价。

图像法;胶黏物;尘埃

对废纸浆中的杂质进行定量分析,是有效控制杂质、准确评价设备性能、提高纸浆质量的前提。废纸浆中常见的油墨、胶黏物、蜡等杂质,其特点各异,对应的分析检测方法也各不相同。

对胶黏物的检测,近年来,得到较多认可和应用的是图像分析法[1],特别是随着电子技术的快速发展,获取的图像更加清晰、准确,更易于后续软件的统计分析。图像分析法的应用关键在于突出胶黏物颗粒与背景之间的对比,常采用一些方法进行处理,以凸显胶黏物颗粒的形貌,强化反差,如 Doshi湿纸页法[2]、蓝色染色法[3]和氧化铝粉末-墨水法[4]等。其中,蓝色染色法根据胶黏物中含有有机成分的特点,将胶黏物颗粒染成蓝色,与白色的浆片背景形成明显的对比,该方法主要集中在压敏胶胶黏物的检测应用[3]中;氧化铝-墨水法则是利用胶黏物具有黏性的特点,使胶黏物颗粒表面黏附一层白色的氧化铝粉末,与染成黑色的抄片背景形成对照,该方法适用于多种胶黏物,应用范围尤为广泛。

对于油墨的检测,最常用的是光学法,但是在生产实践中,更注重的是浆料或者纸的外观质量,因此常通过检测包括油墨及其他颜色较暗的杂质在内的含量,来评价浆料净化的效果,即废纸浆在生产中常用的检测指标——尘埃度。TAPPI标准中对尘埃度的检测是通过人工对比的方式实现的,受主观性影响大,且效率较低[5-6],目前已较少使用。

鉴于胶黏物和尘埃已成为废纸浆中的主要杂质,并且又都能够应用图像法进行检测分析,特别是胶黏物,采取相应的方式处理后,浆片表面只有黑白两种颜色,能够采用与尘埃相同的方法进行分析。因此,美国Apogee Systems公司于近年来开发了专用于废纸浆分析的软件——Spec&Scan,在视觉特性基础上通过分析扫描图像对浆料质量做出评价。

本实验通过采用软件 Spec&Scan,以灰度值的大小作为具体检测指标,对浆中的胶黏物和尘埃扫描后进行定量分析,分别测定其在浆中的含量,对浆料的处理效果做出评价。其中,胶黏物的浆片处理方式与氧化铝粉末-墨水法相似,参照由 V IOTH公司提出[7]、现已成为 TAPPI标准的白色涂布转移纸涂层转移法[8]。

1 图像法应用于废纸浆检测分析的理论前提

由于 TAPPI标准尘埃检测方法中存在一些不足[5-6],Jordan等就仪器代替人工对尘埃检测的可行性进行了研究[9-10],结果发现采用仪器如电脑等手段对尘埃检测具有效率高和准确性好的特点[11],但是在电脑仿真人工检测过程中必须首先处理好两个问题:一是局部初始值 (Local thresholding)的确定;二是等效黑色面积 (Equivalent black area)的转换。

Roland[12]研究认为,人的肉眼在判定抄片上的斑点是否为尘埃时,会与其周围的背景做比较,这个过程在使用软件时可以通过设定局部初始值来实现。如图1中,曲线 S表示的是浆片上沿着某条线不同位置处的背景的灰度值;L表示的是在对应位置处界定尘埃点时所用到的具体判定值;M表示的是整体的平均灰度值;F表示的是设定的灰度初始值。判定抄片上的 a点、b点是否为尘埃点时,要与各自附近的背景对比,即与曲线 S上对应的灰度值比较,但实际的判定值是曲线L上对应的灰度值,这就是人的肉眼判定的原理。如果电脑检测,最简单的方式是通过设定灰度初始值来实现,即与M平行的直线 F,但 F的位置要在曲线 S最低点的下面,灰度值小于 F的判定为尘埃。

图1 浆片反射率曲线与灰度初始值的关系[12]

采用 TAPPI标准检测尘埃的过程中,人的肉眼在判定尘埃的面积时,会参照标准表中各种尺寸的黑点对不同深浅的尘埃点做等效黑色面积的转换,因此不同的人检测的结果不同[12]。但用电脑软件检测尘埃时,会将尘埃点分成最小扫描单位——像素,然后按照各像素点的尺寸和对应的灰度值计算出尘埃的总的灰度值。如图2中所示的两个点,尺寸大小和每个像素对应的灰度值各不相同,但最终的尘埃的总灰度值却相同,这样计算的结果就更为客观和精确。

图2 等效黑色面积转换示意图[12]

图像法正是基于以上这两点,对浆中或纸中的尘埃和其他杂质进行分析检测。

2 实验

2.1 原料

胶黏物检测所用原料为广东某废纸制浆厂浮选前后的浆料,所用废纸为混合办公废纸。

尘埃检测所用原料为广东某纸厂浮选后的废纸浆,废纸的配比为 55%MOW、35%ONP和 10%OMG。

2.2 实验装置与分析软件

浆中胶黏物的筛分所用仪器为加拿大 Pulmac公司制造的 MS-B3型MasterScreen。

尘埃检测所用浆片在标准抄片器上抄制。

胶黏物筛分后的浆片和尘埃检测所用浆片均在ZQJ1-B-1加热板中干燥,加热板为陕西科技大学制造。

胶黏物和尘埃检测所用软件为美国 Apogee Systems公司研发的 Spec&Scan,该软件需要配合惠普扫描仪使用,能够检测到最小直径为 0.043 mm或最小面积为 0.001 mm2的污点 /尘埃。

2.3 实验方法

2.3.1 图像法应用于废纸浆检测分析的基本原理

图像法检测废纸浆中的杂质时,其原理在于通过不同波段的光的反射来辨别杂质的颜色以及形状,实现对所认定的杂质进行检测分析。不同的图像分析软件所具体采用的方式不同,以 Spec&Scan为例说明如下。

针对废纸浆中常见的几种杂质——油墨颗粒、纤维束和胶黏物颗粒的颜色和颗粒形状各不相同的特点,软件 Spec&Scan借助型号为 ScanJet IIcx,3c或ScanJet IIcx,4c的惠普扫描仪,将红、绿、蓝 3个波段的光扫描得到的杂质图像信息按照式 (1)转换为杂质颗粒相应的灰度值。

其中,a、b、c分别为颜色增益系数。当 3个系数都为缺省值时,图像按照美国国家电视标准委员会的标准成像,此时,油墨粒子的灰度值最小,与胶黏物颗粒 (染成蓝色时)和纤维束的灰度值、以及纤维的灰度值有较大差异 (如表1所示),因此可以将油墨粒子区分出来。当需要区分胶黏物颗粒 (蓝色)和纤维束时,调整颜色增益系数的大小,增强蓝绿色或者黄色的效果,如:采用增强蓝绿色设置时,棕色纤维束的灰度值较之油墨点和胶黏物 (蓝色)的灰度值要大,比纸浆纤维的灰度值要小,由此可以分辨出纤维束的尺寸和数量;当采用增强黄色设置时,棕色纤维束的灰度值最低,胶黏物 (蓝色)的灰度值略小于纸浆纤维的灰度值,但比油墨点的要大,由此分辨出胶黏物颗粒 (蓝色)的相关信息。

表1 扫描仪的扫描设置与杂质成像之间的关系

对于杂质的判定除了上述从灰度值的角度进行,有时还需要结合颗粒形状等因素综合考虑。在Spec&Scan软件中,应用了偏心率作为另一个指标,对杂质的形状特征进行判定,从而对杂质的种类作出综合判定。

2.3.2 胶黏物检测样的制备方法

采用筛分方式处理将废纸浆中的胶黏物分离出来,该方法又称为胶黏物的“挑选”法[8],在 TAPPI标准[8]中有详细描述,即:取绝干质量为 20 g的浆料,在室温、1%浆浓条件下用标准疏解机疏解 5 min;转移到 Plumac筛分仪中筛分,筛板的筛缝为 0.15 mm或 0.10 mm,筛分出来的胶黏物颗粒经自动冲洗收集到专用的黑色滤纸上;表面覆盖一张专用的白色涂布转移纸,放入纸样抄取器的加热板中,在压力 80 kPa和温度 90℃条件下烘干 10 min;取出黑滤纸浆片,揭去表面的白色涂布转移纸,放在压力 100 kPa、流量 9.6 L/min的水流下冲洗,水喷头与黑滤纸的距离为 180 mm,将其表面的没有黏性的非胶黏物物质冲洗掉,留在表面的就是黏附了白色涂布层的胶黏物颗粒;然后再在表面盖上 1张有机硅涂层纸,放入加热板中,相同条件下烘干 5 min;取出后用黑色油笔将表面没有冲洗掉的非胶黏物杂质小心地涂染成黑色,待用。

2.3.3 尘埃检测样的制备方法

按照 TAPPI相应标准[5]抄制 12张抄片,定量为200 g/m2,在加热板中干燥。

3 结果与讨论

3.1 胶黏物检测的扫描特性及评价

3.1.1 胶黏物检测的扫描设置

胶黏物检测时主要设置项为灰度初始值的设定,在“扫描仪设置”(Scanner Setup)选项中选用手动设置方式 (Manual Threshold Setting)。颜色深浅与灰度值之间有一定的对应关系,白色的灰度值(White)为 “255”,黑色的灰度值 (Black)为“0”,其他颜色按照由浅到深的顺序对应的灰度值依次降低。经过筛分处理后的胶黏物浆片表面只有黑白两种颜色,此处需要统计的是表面黏附了白色涂层的胶黏物颗粒的信息,因此选取 “反向成像”方式扫描成像,黑滤纸上的纤维经过反向成像后灰度值为230～200之间,根据前述的图像法相关理论,初始值 (Threshold)设定为 180,如图3所示。

图3 Spec&Scan设置选项

3.1.2 浮选前、后浆中胶黏物的评价

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对浮选前、后抄制的胶黏物浆片进行扫描检测,得到浆中胶黏物的个数和面积的统计值,由此算出浮选前、后胶黏物颗粒的平均尺寸分别为0.125 mm2和 0.130 mm2,也就是说,经过浮选处理,浆中的小胶黏物颗粒得到了较多的去除,具体的去除情况可以从浮选前、后浆中胶黏物颗粒的具体分布看出。

为了便于分析,此处将浆中胶黏物的个数和面积转换为标准数值,即单位质量浆中所含的胶黏物数量和面积,使不同流程所检测的胶黏物含量值之间具有可比性。图4、图5为浮选前、后单位质量浆中不同尺寸的胶黏物颗粒的面积和个数分布。从图中可以看出,浮选后浆中 0.2 mm2以上尺寸大小的胶黏物面积比浮选前的要少,尤其是尺寸在 0.2～0.7 mm2和2～4 mm2之间的胶黏物面积减少的较为明显,与此相对应,上述两个尺寸范围内的胶黏物颗粒的个数也有对应程度的减少。由此可以看出,在该厂的浮选工艺和浮选设备条件下,去除的主要是尺寸较小和部分尺寸略大些的胶黏物颗粒,对于尺寸过于细小的胶黏物颗粒的去除作用不大,这是该厂浮选处理的特点。由于不同厂家的设备和所采取的工艺条件不完全相同,因此对胶黏物颗粒具体的去除尺寸范围和去除数量都有一定的差别。

3.1.3 浮选前、后浆中胶黏物含量的评价

浮选前后浆中胶黏物的含量变化可以通过换算另一个标准值来比较,即将检测到的胶黏物面积和数量除以所有检测面积得到单位面积胶黏物颗粒的面积和数量。在本实验中,浮选前、后浆中胶黏物含量从922.7 mm2/m2下降到 844.7 mm2/m2,由此可以推算出该浮选过程对胶黏物的去除效率。

或者也可以按照前述的换算方法换算为不同单位的另一个标准数值,即浮选前、后浆中胶黏物颗粒的含量分别为 1137.83 mm2/kg和 1042.5 mm2/kg,数量分别为 1117个 /kg和 1000个 /kg。

两种方法都可以表征浆中胶黏物含量的多少,仅是单位不同,由此胶黏物含量以及不同处理阶段胶黏物含量的变化就更为直观。

3.2 尘埃的扫描分析及评价

3.2.1 尘埃的扫描设置

3.2.2 尘埃的评价

扫描浆片得到的图像结果如图6所示。

从图6的扫描图像来看,浆片整体颜色较暗,里面的尘埃点较多,由于尘埃点的颜色深浅不一,很难与纤维区分,因此要设定一个判定时的界定值,也就是灰度初始值。此抄片的背景平均灰度为 167,平均灰度再降低 70为灰度初始值,能够较好地区分尘埃和纤维,因此设定灰度初始值为 97,扫描所得数据见图7,由从原始数据换算后得到的标准值可以看出,此浆中尘埃量为 260.2 mm2/m2,尘埃个数为38223个 /m2。

采取与上述胶黏物分析相同的方法,可以分析出浆中尘埃点的面积和数量的分布,比较不同处理单元处理前、后尘埃的相关信息,可以对浆料的净化质量及设备处理特点作出评价。

需要说明的是,以上数据均是在最小检测面积为0.001 mm2的条件下测得的,因此检测到的胶黏物颗粒数量较多。根据 TAPPI标准,人的肉眼能看到的实际最小面积为 0.04 mm2,因此,也可以设定这个面积为最小检测面积,对浆中的可见胶黏物颗粒进行检测。

4 结论

图像分析法是仿真人的肉眼对浆中杂质进行检测分析的方法,借助了数码和计算机技术之后,检测更为准确和高效。随着现代信息技术的发展,图像分析法能够针对杂质的具体特征进行检测分析,使得该技术的检测结果更为精确,应用性也更强。

图像分析法对浆中胶黏物和尘埃的检测主要通过统计颗粒面积和个数来表征,量化了杂质的含量。通过这些结果,可以对设备的性能和不同阶段废纸浆的净化质量及效率作出可靠的评价,是目前较为准确可行的检测技术之一。可用于实验室的实验结果分析和生产实践中杂质的控制等方面。

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Image Analysis of Stickies and D irt Count in Recycled Pulp

CHENG Jiang-na WU Shu-bin＊L IBo
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510641)

This paper introduced the theory of image analysis of stickies and dirt in recycled pulp,the characteristic of the software for image analysiswas presented.The statistic results of the particleswere indicated by grayscale value and the content of stickies and dirt countwere quantified based on the particle's size and area which can be used to evaluate the quality of the pulp from waste paper.

image analysis;stickies;dirt count

TS749+.7

0254-508X(2010)05-0005-05