XWY 造纸纤维测量仪自动测量纤维长度和宽度的应用

谭 敏 王 玉 谭皓晓

(珠海华伦造纸科技有限公司，广东珠海，519002)

植物纤维形态对造纸原料的选择和产品质量有直接影响，其中纤维的长度和宽度的影响最重要。但由于纸浆纤维形态不一、细小、柔软且容易絮聚，它的测量需依靠专业仪器进行。多年来造纸工作者为了快速准确地获得纤维长度和宽度值进行了不懈努力，从最初的将纤维放大后用直尺或线段进行手动测量，到借助光电技术在几分钟内测量数千根纤维的自动测量，新技术的开发和应用使纤维测量越来越便捷。近年来，纤维长度和宽度的测量方法由直接测量方法发展到在获取大量纤维图像后，用计算机测量图像中各个独立图形的面积和周长，再计算长度和宽度的间接测量方法。这种方法可批量处理成百上千根纤维，改变了以往由单根获得纤维长度再进行统计计算的做法。

珠海华伦造纸科技公司制造的XWY造纸纤维测量仪和芬兰Kajaani电子技术公司制造的FS纸浆纤维分析仪属直接法测量仪器，即直接获取纤维长度测量值。但测量纤维长度的方法不同，XWY纤维仪点击测量［1］依靠人工用鼠标分段点击纤维的不同部位，计算机通过计算各点间线段的像素数量自动计算纤维长度和宽度，然后再进行统计，每像素代表的实际尺寸用测微尺校准，该方法测量准确，但测量速度较慢。Kajaani-FS系列纸浆纤维分析仪采用偏振光源照射通过毛细管中的纤维物体，根据光电管阵列接受透过毛细管的偏振光信号的光电管数量确定纤维的长度，测量速度快但与传统测量值吻合性不高［2］。加拿大制浆造纸研究所、哥伦比亚大学和Optest公司联合开发的FQA纤维质量分析仪和瑞典Lorentzen＆Wettre公司生产的L＆W纤维分析仪属于间接测量纤维长度和宽度的仪器，该仪器用数码摄像机拍摄流动纤维悬浮液的图像，依靠计算机图像处理软件识别和计算图像中纤维的边长和面积，再计算出其长度和宽度，最后用仪器制造商提供的标准浆校准。XWY造纸纤维测量仪增加的纤维长度和宽度自动测量功能属于间接法测量，但样品采集方式为用数码摄像机逐幅拍摄，经显微镜放大纤维样品图像后测量其长度和宽度。用仪器自身点击法的测量结果校核自动测量结果的准确性。本文就XWY造纸纤维测量仪 (见图1)应用图像处理技术自动测量纸浆纤维的长度和宽度进行探讨，文中所称的纤维包括纸浆中的纤维细胞和非纤维细胞等。

图1 XWY造纸纤维测量仪

1 XWY造纸纤维测量仪测量原理

先用数码摄像机拍摄显微镜下纸浆纤维样品的图像，由计算机测量图像中各个纤维的边长和面积，不考虑纤维端头形状，所有纤维皆视为矩形，根据二元一次方程:①矩形图形边长=2×(长度+宽度)和②面积=长度×宽度，由计算机求解纤维的长度和宽度。纤维的长度和宽度是成百上千根纤维测量值的统计结果，测量纤维数量越多，统计结果越准确。我国造纸纤维长度测量标准要求，每个样品测量的纤维不少于200根［3］。在XWY造纸纤维测量仪的自动测量中，测量纤维数量远大于标准要求。

数码摄像机拍摄显微镜下纸浆纤维样品的图像时，尽可能固定摄像灯光强度和曝光时间，避免图像亮度的变化所造成的测量误差。由计算机对彩色图像的每个像素进行二值化处理［4］，把0～255共256个数值表示的像素变为仅用黑白两个数值表示，把图像变成黑白两色，其中背景为黑色，纤维等物体为白色。图像二值化的分离值称阈值，选定的阈值需确保图像二值化时纤维图像不失真，如阈值大了图像中纤维变细，浅颜色的纤维被丢失;阈值小了纤维变粗，相邻的纤维黏连在一起。二值化后的巨尾桉浆纤维图像见图2。

图2 巨尾桉浆纤维长度和宽度二值化图

纤维图形面积的计算方法［5］是:图像中每一白色物体代表一根纤维或一个非纤维物体，计算机由左到右、从上到下自动扫描图像，自动记录每一白色物体的总像素并用不同的颜色分别标识。经过反复扫描和标识，直到图像中所有的白色物体都用不同的颜色标识完毕，图像中颜色的总数是该图像的纤维总数，每一颜色物体的像素值是该颜色纤维的面积大小，根据每个像素对应的面积值就可计算每根纤维的实际面积值。

纤维图形边长的计算方法是:计算机把白色的纤维和非纤维物体的内部白色像素点变换成黑色像素点，仅留下单像素的白色封闭边框后，用上述测量面积的扫描方法，扫描和计算每一物体的白色封闭边框的总像素并标识不同的颜色，直到所有的白色封闭边框用不同的颜色标识完毕。图像中颜色的总数是该图像的纤维总数，每个颜色封闭边框的像素值是该纤维的边长，根据每个像素对应的长度值计算每根纤维的实际边长。

从图2看到，杂质和纤维的大小差别明显。如把长度小于0.2 mm的物质认定为杂质，大于数均长度或数均宽度数倍的物质认定为交叉或缠绕结团纤维，在计算中予以舍弃。对长度大于0.2 mm及长度和宽度小于某确定值的物质确定为纤维，统计后得出该纤维长度和宽度测量结果。

超出视野的纤维称为压边纤维，即该纤维在图像边缘被分成两段，仅图像中的一段能被观察和测量到，该部分纤维的处理方法是把它与不可见的黑外框连成一体，形成一个很大的物体。统计时，计算机把该物体的测量值删除，避免该纤维部分造成的测量误差;区分图像中的纤维和非纤维物体也可通过确定物体面积大小的方法完成。

2 实验方法

用数码显微镜获取的纸浆纤维图像显示在计算机屏幕中，数码显微镜选用放大倍数最小的物镜观察样品，该物镜对应的视野范围是7.3 mm×9.3 mm，视野中容纳的最长纤维可达10 mm以上，纤维图形几乎为矩形或类似矩形。

原料选择:选择纤维平均长度约0.8 mm的巨尾桉浆和纤维平均长度约1.9 mm的湿地松浆分别代表短纤维浆和长纤维浆，选择纤维平均长度0.69 mm麦草浆代表草类浆进行测量实验。巨尾桉浆纤维长度分布为0.2～1.7 mm，湿地松浆纤维长度分布为0.2～6.1 mm，麦草浆纤维长度分布为0.2～2.8 mm。实验比较XWY造纸纤维测量仪自动测量不同长度和宽度纤维的效果及影响。

凝胶制样方法:先将浆样染成深黑色，以帮助计算机分辨每一根纤维，洗去多余染料后加水制成水悬浮液，再加入海藻凝胶制成凝胶纤维悬浮液。温度低于30℃左右时，凝胶纤维悬浮液呈胶状，加热后变成水状液体，纤维在海藻凝胶中分散很好，不交织絮凝。将加热的液态凝胶纤维悬浮液搅拌均匀后，涂布到无色玻璃载玻片上，玻璃载玻片尺寸100 mm×120 mm左右。凝胶纤维悬浮液涂布到玻璃片后，很快冷却变成凝胶状，纤维固定在凝胶体内，既保留其分散状态，也不会造成凝胶体内的纤维跑失。凝胶体干燥后，形成的薄薄透明膜紧贴载玻片，纤维包裹在薄膜里，不仅能获取清晰的纤维图像，还可使纤维的弯曲限定在一个平面上，避免因显微镜的观测角度与纤维的弯曲角度不同对纤维长度造成观测误差。一块载玻片构成100多个观察视野，可测量上千根湿地松浆纤维和巨尾桉浆纤维。

随着显微镜载物台的移动，显微镜看到的样品图像动态地显示在显示器上，确定测量视野后，由彩色数码摄像机获取当前纤维图像，彩色数码摄像机拍摄时由纤维测量操作软件控制固定曝光时间，每幅测量图像的曝光量相同。确定测量图像后可人工处理交叉和缠绕的纤维，通过仪器软件中提供的纤维分离、连接工具，将纤维交叉或缠绕部位的黑像素擦去，使纤维分离，也可把断开的纤维用黑线连接。完成一个视野的自动测量后移动载物台获取另一幅图像进行同样自动测量，最终测量镜头按“弓”字形走向测完整个试片。

纤维长度和宽度自动测量值的校正方法是:分别用自动测量法和鼠标点击法测量同一载玻片的纤维，所得的测量结果，以鼠标点击法的为准，逐段修正自动测量法的测量结果，使两者尽量接近或相同。此方法比进口纤维仪采用的仪器制造商提供的标准长度纤维浆样校准测量结果更直观、可靠。

巨尾桉浆纤维相对较短，试样中，显微镜一个观察和测量图中有60～80根纤维，纤维分散良好，少量纤维存在相互交叉现象，极少纤维相互缠绕，见图3。

图3 巨尾桉浆纤维测量图

湿地松浆纤维一个测量图中约有20根纤维，长纤维不易均匀分散，纤维不仅相互交叉，还会缠绕构成封闭的图形，超出测量视野的压边纤维占测量视野纤维的比例也高，见图4。

图4 湿地松浆纤维测量图

在图像自动测量中，计算机把交叉或缠绕相连的多根纤维当成一根进行计算，它不仅不能准确反映图像中纤维的数量，还会增加纤维的测量误差，影响测量结果。为此课题组采取以下措施改善这一问题:①用凝胶法制片分散纤维，阻止纤维絮聚;②仪器软件中提供纤维分离、连接工具，对纤维交叉和缠绕进行人工处理，但这种人工处理降低了测量速度;③删除超出视野的压边纤维，避免该部分纤维造成的测量误差;④优化测量软件，由软件删除交叉纤维形成的纤维长度和宽度过大的数值，不考虑压边纤维的影响。

统计测量结果时，XWY造纸纤维测量仪提供不同纤维长度和宽度的分布频率，本实验对不同的浆种选用不同长度和宽度的分布频率统计测量结果。

3 测量结果

分别用鼠标点击测量法、人工分离交叉纤维后图像自动测量法、直接图像自动测量法和直接图像自动测量后对测量值进行优化等4种方法来测量巨尾桉浆纤维和湿地松浆纤维长度和宽度。

3.1 巨尾桉浆纤维长度和宽度的测量

巨尾桉浆图像中用鼠标点击测量法和图像自动测量法测得的纤维长度和宽度的结果见表1。

由表1可知，纸浆纤维的长度和宽度是许多根纤维测量值的统计结果。各纤维的长度和宽度差异很大，测量的纤维数量越大，统计结果越准确。根据纸浆纤维的投影类似细长的矩形这一特点，使用数码显微摄像机获取图像后，经计算机对样品图像进行处理并计算纤维图形的面积和周长，然后计算纤维的长度和宽度的间接测量方法，大大加快了测量速度。最新的XWY造纸纤维测量仪图像自动测量与L＆W纤维分析仪测量原理相似，都可在短时间内快速测量大量纤维。XWY造纸纤维测量仪图像自动测量法的测量速度较鼠标点击测量法大大提高。

良好分离的巨尾桉浆图像自动测量法测量值与鼠标点击测量法结果相比，两者的长度平均值基本吻合，数均长度相差0.03 mm，质均长度相差0.06 mm，二重质均长度相差0.08 mm。图像自动法测量时把宽度大于90 μm的巨尾桉浆管细胞包含在内，宽度大于45 μm的纤维占3.8%，鼠标点击法测量中，未见宽度大于45 μm的纤维。两种方法的测量结果，数均宽度差1 μm，质均宽度和二重质均宽度相差4 μm和13 μm，相互差别2%和56%。宽度较大的杂细胞增大了二重质均宽度值，这是造成两者测量差别明显变大的主要原因。

实验中，巨尾桉浆纤维虽然能分散良好，但仍存在少量纤维交叉的情况，纤维交叉影响纤维长度和宽度测量的准确性。不进行分离的巨尾桉浆图像用鼠标点击法和图像自动法测量其长度和宽度，结果相差值是:数均长度相差0.12 mm，质均长度相差0.27 mm，二重质均长度相差0.62 mm;数均宽度差1 μm，质均宽度和二重质均宽度分别差9 μm和20 μm。图像中纤维相互交叉的现象，不仅加大纤维的长度测量值，也加大纤维的宽度测量值。

表1 巨尾桉浆纤维长度和宽度测量结果

巨尾桉浆纤维长度和宽度的自动测量数据进行优化处理，去除数值大于数均值3倍的纤维，以除去交叉纤维的测量值，用鼠标点击法的测量结果调整自动测量的像素长度系数，经过上述优化处理后，直接自动测量结果接近人工分离处理的巨尾桉浆图像中的纤维测量结果，这样可减少人工分离交叉纤维的时间。

把测量图像中的交叉纤维和缠绕纤维分离后，鼠标点击测量法和图像自动测量法获得的纤维平均长度相近，但不同纤维长度的分布频率不同。表1结果表明，巨尾桉浆纤维长度小于0.6 mm时，两种方法测得到纤维所占比例几乎相同;0.6～1.0 mm部分纤维，鼠标点击测量法测得的大部分纤维的比例大于图像自动测量法的;大于1.0 mm部分的纤维，图像自动测量法的纤维比例大于鼠标点击测量法的。对于纤维平均宽度，图像自动测量法测得小于20 μm部分的巨尾桉浆的比例大于鼠标点击测量法的;20～30 μm部分，鼠标点击测量法测得的纤维比例大于图像自动测量法的;大于30 μm部分，图像自动测量法的纤维比例大于鼠标点击测量法的。

3.2 湿地松浆纤维长度和宽度的测量

湿地松浆纤维细长、柔软，容易相互交叉和缠绕。打浆后，纤维交叉和缠绕的情况更为明显，需人工将交叉和缠绕的纤维分离以获得准确的长度和宽度测量结果。鼠标点击测量法和图像自动测量法测得的湿地松浆纤维长度和宽度的结果见表2。

表2 湿地松浆纤维长度和宽度测量结果

表3 相互缠绕的湿地松浆纤维长度和宽度测量结果

由表2可见，图像自动测量法与鼠标点击测量法相比，良好分离的湿地松浆的长度测量值差别不大，前者的数均长度比后者的小 0.02 mm，质均长度小0.16 mm，二重质均长度小0.22 mm，相对差别分别为1%、6%和7%;数均宽度差2 μm，质均宽度和二重质均宽度差13 μm和23 μm，相对差别分别为5%、32%和52%。

与鼠标点击法测量结果相比，测量时对图像中交叉和缠绕的纤维不进行人工分离，图像自动测量法的纤维长度的最大值及平均长度值差别大;纤维宽度值差别较小，测量时无论是否对图像中的纤维进行人工分离，其测得的纤维宽度值基本相同。

比较表1和表2的结果可知，纤维长度越大，纤维交叉和缠绕的情况越多，其造成测量的误差也越大。

表3是湿地松浆交叉和缠绕纤维的测量结果。由表3可知，纤维相互缠绕，数根纤维缠绕后结团对纤维长度的测量结果影响最大，不仅测得的纤维数量减少，纤维长度和宽度的最大值和平均值也减少。

表2结果表明，在湿地松浆纤维测量中，对于长度小于1.4 mm的纤维，鼠标点击测量法测得的纤维比例小于图像自动测量法的;长度1.4～2.6 mm的纤维，鼠标点击测量法测得的纤维比例大于图像自动测量法的;大于2.6 mm的纤维，鼠标点击测量法测得的纤维比例小于图像自动测量法的。鼠标点击测量法和图像自动测量法测得的湿地松浆纤维宽度的分布频率也不相同。

巨尾桉浆纤维短，相同大小视野面积且适合测量的图像，容纳的纤维数量最多可达60～80根，计算机测量计算每一图像的纤维耗时约5 s，换言之，测量相同量的纤维，短纤维浆的测量速度远快于长纤维的。

3.3 麦草浆纤维长度和宽度的测量

麦草浆纤维长度差别大，含有宽的薄壁细胞等非纤维细胞，数均长度比巨尾桉浆纤维短，但纤维长度和宽度分布范围较巨尾桉浆纤维的宽。麦草浆纤维测量图像见图5。每个测量视野的纤维不少于巨尾桉浆纤维的数量，分别用鼠标点击测量法和各长度区间数值优化计算的纤维图像自动测量法测量麦草浆纤维长度和宽度测量结果见表4。由图5可知，在麦草浆测量图像中，纤维虽然存在交叉现象，但未见纤维缠绕。在测量时不分离交叉的纤维，在统计测量结果时删除大于数均长度3倍以上的纤维，并忽略压边纤维的影响，纤维长度和宽度的图像自动测量结果与鼠标点击法的测量结果基本相符，一个样品的测量时间小于5 min。

图5 麦草浆纤维测量图

表4 麦草浆纤维长度和宽度测量结果

4 结语

4.1 XWY造纸纤维测量仪用显微镜摄像获取载玻片上的纤维图像，经计算机处理各纤维图形后自动测量面积和边长，将各纤维图形假设为矩形，然后计算该纤维的长度和宽度。该方法与鼠标点击测量法相比，纤维长度和宽度的测量结果基本吻合，测量速度明显提高，操作便捷。测量2000根巨尾桉浆纤维和麦草浆纤维耗时约5 min，湿地松浆纤维耗时约10 min即可完成。

4.2 XWY造纸纤维测量仪是经显微镜放大纤维试片后进行拍摄采样的，在具有快速自动图像测量的同时，还具有很好的纤维观察功能。自动测量值采用鼠标点击测量法进行校准。鼠标点击测量值又用测微尺校准，不受图像颜色深浅的影响，测量准确。与进口的L＆W纤维分析仪测量原理相似，但图像采集方法和测量值的校准方式不同。

4.3 XWY造纸纤维测量仪的自动测量对纤维试片的制片要求较高，必须减少纤维交叉现象和缠绕现象，以免计算机将多根纤维识别成一根纤维。采用大尺寸载玻片和凝胶法制成的观测玻片，不仅很好地分散纤维，还保证在一个观测玻片中完成一个样品数千根纤维的测量。凝胶法制样使观测纤维紧贴观测玻片与观测角度垂直，可避免纤维的弯曲平面与观测角度不垂直，造成纤维投影长度小于实际长度的误差。

4.4 由于测量图像中交叉和缠绕纤维的影响，该纤维长度和宽度自动测量方法不适合细长、柔软、容易出现较多交叉和缠绕现象的纤维，如棉、韧皮纤维等，这类纤维用鼠标点击测量法为宜。与长纤维浆相比，较短纤维浆用凝胶法制片后的纤维图像交叉和缠绕现象较少，因此长度和宽度的自动测量速度快，结果更准确。

［1］ WANG Yu，TAN Min．The Application of Modern Electron Technology in Papermaking Fiber Analyzer［J］．China Pulp ＆ Paper，2008，27(5):69．王 玉，谭 敏．现代电子技术在造纸纤维测量仪的应用［J］．中国造纸，2008，27(5):69．

［2］ Wang Juhua．Papermaking Raw Materials of China an Atlas of Micrographs and the Characteristics of Fibers［M］．Beijing:China Light Industry Press，1999．王菊华．中国造纸原料纤维特性及显微图谱［M］．北京:中国轻工业出版社，1999．

［3］ GB/T 28218—2011 Pulps-Determination of Fiber Length by Automated Optical Analysis-Image Analysis Method［S］．GB/T 28218—2011纸浆纤维长度的测定 (图像分析法)［S］．

［4］ 刘 骏．Delphi数字图像处理及高级应用［M］．北京:科学出版社，2003．

［5］ 蒋先刚．基于Delphi的数字图像处理工程软件设计［M］．北京:中国水利水电出版社，2006．