静电纺纤网纤维取向分布的测量程序设计

肖坤楠 李 佳 夏振然 孟 凯

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215021;2.苏州大学现代丝绸国家工程实验室，苏州，215123)

静电纺纤网纤维取向分布的测量程序设计

肖坤楠1李 佳1夏振然1孟 凯2

(1.苏州大学纺织与服装工程学院，苏州，215021;2.苏州大学现代丝绸国家工程实验室，苏州，215123)

在对静电纺丝网的扫描电镜图片进行滤波等预处理的基础上，使用LabVIEW软件编程，通过处理转动不同角度后的图片来对纤维的取向分布进行测量。所编测量程序可独立运行于个人计算机，具有方便、有效、直观等特点。

LabVIEW，静电纺丝，纤维取向分布，图像处理

静电纺丝技术已经成为制备纳米纤维组织工程支架的主要手段之一［1］。由于静电纺纤网的取向分布会影响到细胞的生长，因此静电纺纤网的纤维取向分布测量受到了众多学者的关注。基于样本电镜图像，20世纪90年代以来主要有流场分析法、傅里叶变换法和直接踪迹法三种图像处理方法［2-4］。王丽等［2］使用提取图像中纤维之间孔洞的边缘线取向的方法测量纤网电镜图像中纤维的取向分布;金春奎［5］应用Matlab图像处理工具，依据纤维反光区域内切椭圆长轴与x轴的夹角来描述图像中样本的取向效果。这些研究都取得了较好的成果，但大多数没有形成面向用户的方便的测量程序。

本文基于LabVIEW软件［6］，采用处理转动不同角度后的图片的方法，编程实现了对静电纺纤网的纤维取向分布的测量，所编程序能和普通的应用程序一样运行在个人计算机中［7］。

1 LabVIEW简介

LabVIEW是由美国国家仪器(NI)公司研制开发的图形化程序平台，有一个可以完成编程任务的数据库和丰富的虚拟仪器控制面板。与C和BASIC语言一样，LabVIEW也是一种通用的编程语言，俗称G语言，所不同的是LabVIEW采用工程界熟悉的图标、图案等图形化符号替代了传统的文本式代码编程，使得编写程序变得简单。最重要的是LabVIEW编写的程序可方便地转换为可执行文件［6］。

2 程序设计

2.1 图片预处理

静电纺纤网图片一般由扫描电子显微镜(SEM)拍摄，若要获得图片中纤维取向分布情况，首先要检测出纤维的边缘。图像边缘和噪声都是图像的高频分量［8］，如果图像中噪声过多，则会影响图像边缘的检测，因此在进行边缘检测前必须对图像进行滤波、消除噪声等处理。本程序利用LabVIEW自身所带图像滤波节点进行中值滤波［9-10］，以滤去图像中的脉冲噪声。滤波后将图像转化为灰度图像，再把灰度图像二值化［9］。灰度图像的二值化指确定一个阈值T，然后根据像素点的灰度值与T值比较的结果来决定该点是转换为0(黑色)或255(白色)，设 f(x，y)为灰度图像，F(x，y)为转换后的二值图像。转换公式为:

T的选择方式不同，处理效果也不一样。经过对几种基本阈值分割方法的对比试验和纤维图像特点，本系统采用直方图法［11-12］，即获取图像直方图，将阈值定位图像直方图双峰波谷谷底正中位置。在理想状况下，处理后的图像纤维所在像素亮度为255，背景部分像素为0。图1为静电纺纤网SEM示例的部分截图和经过预处理后的效果图。

图1 静电纺纤网预处理前后的SEM图像

2.2 纤维排列方向算法

定义图像中纤维的取向角为纤维从图像下边缘逆时针转动至与该纤维平行时转动的角度。通过LabVIEW自带图像转动节点使二值化后的图像逆时针转动一个角度θ，可使本来取向角为θ的纤维的取向角变为0°，再将图像转换为二维数组进行计算。

图2(a)为一取向角为45°的直线，将图像逆时针转45°变为图2(b)，则直线的取向角变为0°。在转动图像时，默认以图像中心为轴进行转动，转动后图形的尺寸仍然为原图形的尺寸。在图像为非圆形时，则会造成原图部分信息丧失，且增加了部分干扰信息。为避免这种误差，须对转动后的图像进行切割。如图2(c)灰色区域，选取以图片中心为中心，以图片短边为直径的圆的内接正方形为检测区域。使用上述切割方法，无论转什么角度，都能保证截取的区域为有效区域，且在最大程度上保留了原图片的信息。

图2 纤维排列方向算法的图像处理

将转动后的图片转换为二维数组，则数组中的每个元素对应图像中每一个像素的亮度。如果某根纤维此时的纤维取向角为0°，则二维数组对应此纤维的那一行或者几行元素值应全为255。计算数组每行元素之和，如果有m行的元素全为255，则可认为在θ角度上有m像素宽度的纤维，即有m像素宽度的纤维的取向角为θ。以1°的间距依次转动图像，即可得到各角度上纤维的宽度。将各角度上的纤维宽度除以各角度纤维宽度之和，则可得到纤维在各角度上的比例。

2.3 软件界面及其他功能设计

测试系统的前面板如图3所示。打开程序，点击“打开图片”按钮，对应指示灯亮并自动跳出路径选择对话框，选取相应图片后，程序开始对图片进行处理，指示灯灭则说明处理完成。纤维的取向分布显示在前面板的图表中。图像取向分布的数据可以直接通过右击前面板上的图表，保存该图表至粘贴板，或者直接保存为图片的格式至指定位置，亦可以通过点击“保存数据”按钮至自定义的Excel表格。

图3 测量程序前面板示意

保存在Excel表格的数据包括图片的路径、图片的名字和图片的取向分布数据，以便使用者对数据进行标准差计算等二次处理。点击“打开数据”按钮，可以将原先保存的数据显示在图表中，方便查看。程序界面的关闭、缩小、最大化功能与普通Windows应用程序一样，位于前面板右上角。核心程序框图如图4所示。

图4 纤维取向测量程序核心程序框图

3 应用实例

图5为静电纺纤网SEM图像示例，图6为图像经本程序运行得出的纤维取向分布图。图5(a)中纤维的取向分布呈无序性，其程序运行结果如图6(a)所示，显示纤维的取向分布较为分散;图5(b)中大多数纤维分布在10°～30°，其他方向有少量分布，其程序运行结果如图6(b)所示，显示纤维取向也比较符合图5(b)的分布。

图5 静电纺纤网的SEM图像示例

4 结语

图6 纤维取向分布图

本文基于LabVIEW软件，开发了一款静电纺纤网纤维取向分布的测量程序。该程序能和普通的应用程序一样运行在PC操作系统中，具有直观、可靠、实用等特点，可大大方便使用者对静电纺纤网中纤维取向分布的测量。该程序所得测量数据可保存为图表或者Excel文件，能方便使用者对数据进行二次处理。

［1］KIM B S，PARK I K，HOSHIBA T，et al.Design of artificial extracellular matrices for tissue engineering［J］.Progress in Polymer Science，2011(36):238-268.

［2］王丽，陈霞，陈廷.基于图像处理的非织造布纤维取向分布测量［J］.东华大学学报:自然科学版，2009，34(1):84-88.

［3］LEE C H，SHIN H J，CHO I H，et al.Nanofiber alignment and direction of mechanical strain affect the ECM production of human ACL fibroblast［J］.Biomaterials，2005，26:1261-1270.

［4］AYRES C，BOWLIN G L，HENDERSON S C，et al.Modulation of anisotropy in electrospun tissue-engineering scaffolds:analysis of fiber alignment by the fast fourier transform［J］.Biomaterials，2006，27(32):5524-5534.

［5］金春奎.基于图像的静电纺丝纤维的取向分析［J］.丝绸，2011，48(9):16-18.

［6］曾伟，师彦荣.虚拟仪器技术的发展及应用［J］.开发应用，2010，9(30):27-28.

［7］冯毅力，梁建军，李汝勤.虚拟仪器及其在纺织测试中的应用［J］.纺织学报，2002，23(4):324-326.

［8］甄丽平，司邵伟.图像滤波及边缘检测技术研究［J］.中国科技信息，2011(7):33-34.

［9］方莉，张萍.经典图像去噪算法研究综述［J］.工业控制计算机，2011，23(11):73-74.

［10］彭召意，周玉，吴志辉.彩色人体图像的二值化方法［J］.计算机工程与设计，2010，31(6):1366-1368.

［11］孙少林，马志强，汤伟.灰度二值化算法研究［J］.价值工程，2010，29(5):142-143.

［12］江明，刘辉，黄欢.图像二值化技术的研究［J］.软件导刊，2009，8(4):175-177.

A program for measuring fiber orientation distribution of electro-spun fiber web

Xiao Kunnan1，Li Jia1，Xia Zhenran1，Meng Kai2
(1.College of Textile and Clothing Engineering，Soochow University;2.National Engineering Laboratory for Modern Silk，Soochow University)

A program was written based on LabVIEW to measure fiber orientation distribution of the electro-spun fiber web.The image of fiber web was generated by scanning electron microscopic and pretreated by filtering.The fiber orientation distribution could be obtained through processing the web image at different angle.This program was convenient，effective and intuitive and could be run on PC independently.

LabVIEW，electro-spinning，fiber orientation distribution，image processing

TS101.92+1.1

A

1004－7093(2012)07－0029－04

2011－12－02

肖坤楠，男，1987年生，在读硕士研究生。研究方向为纺织数字化技术。

孟凯，E-mail:mk2009@suda.edu.cn