基于扫描图像分析的短纤长度分析的标准化和协同化

H. Fischer， K. Haag， J. Müssig

1. 不来梅纤维研究所纤维室(德国) 2. HSB城市大学应用科学学院与仿生研究所生物材料组(德国)



基于扫描图像分析的短纤长度分析的标准化和协同化

H. Fischer， K. Haag， J. Müssig

1. 不来梅纤维研究所纤维室(德国) 2. HSB城市大学应用科学学院与仿生研究所生物材料组(德国)

扫描图像分析法对于测量纤维的宽度和长度越来越重要。市场上没有在毫米级测量纤维长度的标准。为了填补该空缺，德国增强塑料联盟(AVK)的纤维分析团队进行了比对试验。该试验可确保实验室间结果的一致性和稳定性。比对试验通过FiberShape系统，确定了一种用于长度分析的毫米级的统一扫描测量。

扫描图像分析； FiberShape系统； 比对试验； 纤维长度

纤维长度的不同分析方法都是基于市场的需求，瑞士IST公司基于光学系统的FiberShape扫描系统是其中的一种，它尤其适用于纤维长度和宽度的表征，系统基于一种高性能扫描仪及优化的图像分析软件，该图像分析软件起初是为鉴定类似钻石的颗粒而设计的。

德国不来梅纤维研究所和HSB城市大学应用科学学院在2014年末至2015年初组织了运用FiberShape系统的比对试验。比对试验目的为确定基于FiberShape系统的毫米级长度扫描测量的可重复性和一致性。由于目前市场上还没有针对这种长度的测量标准，比对试验有助于实验室之间的相互协调，确保一致的测试结果和测试方法的标准化。此外，该比对测试也是对参与测试活动的实验室的一个验证，以证明其提供的数据在可靠范围内。这是鉴定实验室合格的基本要求。

前期已经证明，可以利用FiberShap系统反复测量纤维，因此，该比对试验仅限于一个纤维样品，参与机构(匿名)采用标准的软件测试方法进行分析。根据参与者提供的试验数据，比对测试结果，然后由组织者对结果进行详细的统计分析。按照德国现行标准和国际标准(DIN ISO 5725，DIN ISO 13528、DIN EN ISO/ IEC 17043)进行评价。为保护参与者的隐私，测试结果匿名发布。

1　原料与试验

参与者需使用FiberShape V5.1.x 或更新版本的软件，以及一个最小分辨率为1600 像素/2.54 cm的平面扫描仪进行校准。根据MIL-STD-150A，通过USAF 1951分辨率对照卡对试验结果进行验证。

所有参与比对试验的机构一致认为纤维的线密度为6.7 dtex，长度为1 mm (纤维为德国Maag公司产品)。为了消除样品制备与测量条件差异引起的试验误差，将“试验手册”与样品一起分发给参与试验者。为确保统计的数据均为有效数据，需满足以下要求：

——测试面积不小于样品图片的2%；

——至少测量2500个试样。

为减少误差，在扫描的分布较好的纤维束区域内，需反复选取测试样品，或者多次扫描图像。

共有9个工业及研究团队参与了比对试验，比较评定了包含有“长度证书”的纤维及原始数据。6#参与者采用德国SKZ公司的异常值分析系统——FiVer, 1.71版，将灰度阈值调至86，因此其比对结果会呈现在比对图表中，但在统计评估时却不需要考虑。

平均长度值和标准偏差是与用于比较的“长度证书”比较，并利用R统计软件(3.0.1/2013-05-16版，澳大利亚R语言统计计算公司)对原始数据进行一些描述性的统计评估(带绝对偏差的中值、置信区间及盒形图等)。与此同时，对异常值进行了表征，并利用z值对参与机构的测试结果进行排序。

利用z值评价的试验结果如表1所示。

就最终的比对试验报告而言，各参与者都将收到一份隐去参与者姓名资料的数据分析统计表，参与者会被告知各自编号，以及其试验结果的质量分类。

表1　基于z值的结果分析

2　试验结果

所有参与机构的平均值及标准偏差如图1所示，纤维束的平均长度为(973±11)μm。

图1　　　　所有参与机构的平均值及标准偏差(红色表示异常值，绿色表示修改后的结果，黄色表示FiVer结果)

根据格鲁布斯理论，其中2#和6#参与机构得到的试验结果是异常值。经过鉴定，分析原因如下：

——2#参与机构扫描仪使用错误，或是在使用扫描软件时忘记调节灰度值；

——6#参与机构在错误的分辨率下使用扫描仪。

识别错误源之后，2#和6#参与机构重复其试验过程，并发送更改后的试验结果(2#-b和6#-b)。

由参与机构试验结果的直方图(图2)可见，所有有效结果(以蓝色显示)直方图具有相似的形状，异常值(以红色显示)与该形状不同，但更改后的结果(2#-b和6#-b)也具有相似的形状。

用z值对试验结果进行评估(图3)。绿色虚线是最高级别“好”，此时|z|<1；灰色虚线达到第二个级别“满意”，此时1≤|z|<2。蓝色表示的值是使用FiberShape系统产生的非异常值。经重复测量，异常值和其他分析系统的结果用红色显示，且被排除在统计评估之外。输出的6个参与机构的有效结果中，5个取得的等级为“好”，1个取得的等级为“满意”，由FiVer系统得到的结果如果也被纳入该评价，也将被评为“满意”等级。被确定为异常值(|z|>3)的属于“非常有问题”等级。在找出错误源后，修正后的结果(2#-b和6#-b)也达到“满意”或“好”的等级范围。

图2　所有参与机构试验结果的直方图(红色表示未被列入统计的结果)

图3　所有参与机构的试验结果(未被列入评估的用红色表示)

3　结论

FiberShape比对试验的成功，对于短纤维统一的、标准化的长度分析而言非常重要。试验测得纤维的平均长度为973 μm，接近制造商申报的长度，说明制造商的宣传中不包含任何不确定的信息。试验的所有有效结果都分布在一个较小的范围内。扫描仪的分辨率为(1 200±0.5)像素/2.54 cm时，纤维长度的标准差为11 μm，增加扫描分辨率可减小偏差。试验结果表明测试系统具有可重复性。

FiberShape比对试验达到了最初的目标：试验室之间的和谐，一致性结果的确定，以及为所有参与机构提供与其他实验室比较测试数据的准确性和系统化的机会。可确定异常值出现的原因，且在咨询了相关的参与机构后，能够产生与主要领域的参与机构同样好的结果。另外，这些异常值的存在表明，若要进行可靠的、可重复的测试，需要遵守合适的测试指南。

在最终的讨论中，德国增强塑料联盟(AVK)纤维分析团队的参与者一致认为，应该定期进行比对试验，且为达到更好的统计意义，在以后的测试中，应进行2类指标的分析(纤维长度和宽度)。

谢位 译颜雪 校

Standardization and harmonization of the length analysis of flock fibers by scanner-based image analysis

HolgerFischer1,KatharinaHaag2,JörgMüssig2

1.FaserinstitutBremene.V.-FIBRE,Bremen/Germany2.HSBCityUniversityofAppliedSciences,Biomimetics-TheBiologicalMaterialsGroup,Bremen/Germany

Scanner-based image analysis is of increasing importantce for the measurement of fiber width and length.For length measurements on fibers in mm-scale no calibration standards are available on the market. To close this gap，the idea to conduct this round robin test was born within the working group‘fiber analytics’of the AVK-Industrievereinigung Verstärkte kunststoffe e.V., Frankfurt/Germany. The test is a good and safe possibility to ensure inter-aboratorial harmonization and consistency of results. Finally，the round robin test enables a uniform measurement for scanner-based length analyses in mm-scale using the system Fibershape.

scanner-based image analysis； FiberShape system；round robin test； fiber length