XWY 造紙纖維測量儀自動測量纖維長度和寬度的應用

譚 敏 王 玉 譚皓曉

(珠海華倫造紙科技有限公司，廣東珠海，519002)

植物纖維形態對造紙原料的選擇和產品質量有直接影響，其中纖維的長度和寬度的影響最重要。但由于紙漿纖維形態不一、細小、柔軟且容易絮聚，它的測量需依靠專業儀器進行。多年來造紙工作者為了快速準確地獲得纖維長度和寬度值進行了不懈努力，從最初的將纖維放大后用直尺或線段進行手動測量，到借助光電技術在幾分鐘內測量數千根纖維的自動測量，新技術的開發和應用使纖維測量越來越便捷。近年來，纖維長度和寬度的測量方法由直接測量方法發展到在獲取大量纖維圖像后，用計算機測量圖像中各個獨立圖形的面積和周長，再計算長度和寬度的間接測量方法。這種方法可批量處理成百上千根纖維，改變了以往由單根獲得纖維長度再進行統計計算的做法。

珠海華倫造紙科技公司制造的XWY造紙纖維測量儀和芬蘭Kajaani電子技術公司制造的FS紙漿纖維分析儀屬直接法測量儀器，即直接獲取纖維長度測量值。但測量纖維長度的方法不同，XWY纖維儀點擊測量［1］依靠人工用鼠標分段點擊纖維的不同部位，計算機通過計算各點間線段的像素數量自動計算纖維長度和寬度，然后再進行統計，每像素代表的實際尺寸用測微尺校準，該方法測量準確，但測量速度較慢。Kajaani-FS系列紙漿纖維分析儀采用偏振光源照射通過毛細管中的纖維物體，根據光電管陣列接受透過毛細管的偏振光信號的光電管數量確定纖維的長度，測量速度快但與傳統測量值吻合性不高［2］。加拿大制漿造紙研究所、哥倫比亞大學和Optest公司聯合開發的FQA纖維質量分析儀和瑞典Lorentzen＆Wettre公司生產的L＆W纖維分析儀屬于間接測量纖維長度和寬度的儀器，該儀器用數碼攝像機拍攝流動纖維懸浮液的圖像，依靠計算機圖像處理軟件識別和計算圖像中纖維的邊長和面積，再計算出其長度和寬度，最后用儀器制造商提供的標準漿校準。XWY造紙纖維測量儀增加的纖維長度和寬度自動測量功能屬于間接法測量，但樣品采集方式為用數碼攝像機逐幅拍攝，經顯微鏡放大纖維樣品圖像后測量其長度和寬度。用儀器自身點擊法的測量結果校核自動測量結果的準確性。本文就XWY造紙纖維測量儀 (見圖1)應用圖像處理技術自動測量紙漿纖維的長度和寬度進行探討，文中所稱的纖維包括紙漿中的纖維細胞和非纖維細胞等。

圖1 XWY造紙纖維測量儀

1 XWY造紙纖維測量儀測量原理

先用數碼攝像機拍攝顯微鏡下紙漿纖維樣品的圖像，由計算機測量圖像中各個纖維的邊長和面積，不考慮纖維端頭形狀，所有纖維皆視為矩形，根據二元一次方程:①矩形圖形邊長=2×(長度+寬度)和②面積=長度×寬度，由計算機求解纖維的長度和寬度。纖維的長度和寬度是成百上千根纖維測量值的統計結果，測量纖維數量越多，統計結果越準確。我國造紙纖維長度測量標準要求，每個樣品測量的纖維不少于200根［3］。在XWY造紙纖維測量儀的自動測量中，測量纖維數量遠大于標準要求。

數碼攝像機拍攝顯微鏡下紙漿纖維樣品的圖像時，盡可能固定攝像燈光強度和曝光時間，避免圖像亮度的變化所造成的測量誤差。由計算機對彩色圖像的每個像素進行二值化處理［4］，把0～255共256個數值表示的像素變為僅用黑白兩個數值表示，把圖像變成黑白兩色，其中背景為黑色，纖維等物體為白色。圖像二值化的分離值稱閾值，選定的閾值需確保圖像二值化時纖維圖像不失真，如閾值大了圖像中纖維變細，淺顏色的纖維被丟失;閾值小了纖維變粗，相鄰的纖維黏連在一起。二值化后的巨尾桉漿纖維圖像見圖2。

圖2 巨尾桉漿纖維長度和寬度二值化圖

纖維圖形面積的計算方法［5］是:圖像中每一白色物體代表一根纖維或一個非纖維物體，計算機由左到右、從上到下自動掃描圖像，自動記錄每一白色物體的總像素并用不同的顏色分別標識。經過反復掃描和標識，直到圖像中所有的白色物體都用不同的顏色標識完畢，圖像中顏色的總數是該圖像的纖維總數，每一顏色物體的像素值是該顏色纖維的面積大小，根據每個像素對應的面積值就可計算每根纖維的實際面積值。

纖維圖形邊長的計算方法是:計算機把白色的纖維和非纖維物體的內部白色像素點變換成黑色像素點，僅留下單像素的白色封閉邊框后，用上述測量面積的掃描方法，掃描和計算每一物體的白色封閉邊框的總像素并標識不同的顏色，直到所有的白色封閉邊框用不同的顏色標識完畢。圖像中顏色的總數是該圖像的纖維總數，每個顏色封閉邊框的像素值是該纖維的邊長，根據每個像素對應的長度值計算每根纖維的實際邊長。

從圖2看到，雜質和纖維的大小差別明顯。如把長度小于0.2 mm的物質認定為雜質，大于數均長度或數均寬度數倍的物質認定為交叉或纏繞結團纖維，在計算中予以舍棄。對長度大于0.2 mm及長度和寬度小于某確定值的物質確定為纖維，統計后得出該纖維長度和寬度測量結果。

超出視野的纖維稱為壓邊纖維，即該纖維在圖像邊緣被分成兩段，僅圖像中的一段能被觀察和測量到，該部分纖維的處理方法是把它與不可見的黑外框連成一體，形成一個很大的物體。統計時，計算機把該物體的測量值刪除，避免該纖維部分造成的測量誤差;區分圖像中的纖維和非纖維物體也可通過確定物體面積大小的方法完成。

2 實驗方法

用數碼顯微鏡獲取的紙漿纖維圖像顯示在計算機屏幕中，數碼顯微鏡選用放大倍數最小的物鏡觀察樣品，該物鏡對應的視野范圍是7.3 mm×9.3 mm，視野中容納的最長纖維可達10 mm以上，纖維圖形幾乎為矩形或類似矩形。

原料選擇:選擇纖維平均長度約0.8 mm的巨尾桉漿和纖維平均長度約1.9 mm的濕地松漿分別代表短纖維漿和長纖維漿，選擇纖維平均長度0.69 mm麥草漿代表草類漿進行測量實驗。巨尾桉漿纖維長度分布為0.2～1.7 mm，濕地松漿纖維長度分布為0.2～6.1 mm，麥草漿纖維長度分布為0.2～2.8 mm。實驗比較XWY造紙纖維測量儀自動測量不同長度和寬度纖維的效果及影響。

凝膠制樣方法:先將漿樣染成深黑色，以幫助計算機分辨每一根纖維，洗去多余染料后加水制成水懸浮液，再加入海藻凝膠制成凝膠纖維懸浮液。溫度低于30℃左右時，凝膠纖維懸浮液呈膠狀，加熱后變成水狀液體，纖維在海藻凝膠中分散很好，不交織絮凝。將加熱的液態凝膠纖維懸浮液攪拌均勻后，涂布到無色玻璃載玻片上，玻璃載玻片尺寸100 mm×120 mm左右。凝膠纖維懸浮液涂布到玻璃片后，很快冷卻變成凝膠狀，纖維固定在凝膠體內，既保留其分散狀態，也不會造成凝膠體內的纖維跑失。凝膠體干燥后，形成的薄薄透明膜緊貼載玻片，纖維包裹在薄膜里，不僅能獲取清晰的纖維圖像，還可使纖維的彎曲限定在一個平面上，避免因顯微鏡的觀測角度與纖維的彎曲角度不同對纖維長度造成觀測誤差。一塊載玻片構成100多個觀察視野，可測量上千根濕地松漿纖維和巨尾桉漿纖維。

隨著顯微鏡載物臺的移動，顯微鏡看到的樣品圖像動態地顯示在顯示器上，確定測量視野后，由彩色數碼攝像機獲取當前纖維圖像，彩色數碼攝像機拍攝時由纖維測量操作軟件控制固定曝光時間，每幅測量圖像的曝光量相同。確定測量圖像后可人工處理交叉和纏繞的纖維，通過儀器軟件中提供的纖維分離、連接工具，將纖維交叉或纏繞部位的黑像素擦去，使纖維分離，也可把斷開的纖維用黑線連接。完成一個視野的自動測量后移動載物臺獲取另一幅圖像進行同樣自動測量，最終測量鏡頭按“弓”字形走向測完整個試片。

纖維長度和寬度自動測量值的校正方法是:分別用自動測量法和鼠標點擊法測量同一載玻片的纖維，所得的測量結果，以鼠標點擊法的為準，逐段修正自動測量法的測量結果，使兩者盡量接近或相同。此方法比進口纖維儀采用的儀器制造商提供的標準長度纖維漿樣校準測量結果更直觀、可靠。

巨尾桉漿纖維相對較短，試樣中，顯微鏡一個觀察和測量圖中有60～80根纖維，纖維分散良好，少量纖維存在相互交叉現象，極少纖維相互纏繞，見圖3。

圖3 巨尾桉漿纖維測量圖

濕地松漿纖維一個測量圖中約有20根纖維，長纖維不易均勻分散，纖維不僅相互交叉，還會纏繞構成封閉的圖形，超出測量視野的壓邊纖維占測量視野纖維的比例也高，見圖4。

圖4 濕地松漿纖維測量圖

在圖像自動測量中，計算機把交叉或纏繞相連的多根纖維當成一根進行計算，它不僅不能準確反映圖像中纖維的數量，還會增加纖維的測量誤差，影響測量結果。為此課題組采取以下措施改善這一問題:①用凝膠法制片分散纖維，阻止纖維絮聚;②儀器軟件中提供纖維分離、連接工具，對纖維交叉和纏繞進行人工處理，但這種人工處理降低了測量速度;③刪除超出視野的壓邊纖維，避免該部分纖維造成的測量誤差;④優化測量軟件，由軟件刪除交叉纖維形成的纖維長度和寬度過大的數值，不考慮壓邊纖維的影響。

統計測量結果時，XWY造紙纖維測量儀提供不同纖維長度和寬度的分布頻率，本實驗對不同的漿種選用不同長度和寬度的分布頻率統計測量結果。

3 測量結果

分別用鼠標點擊測量法、人工分離交叉纖維后圖像自動測量法、直接圖像自動測量法和直接圖像自動測量后對測量值進行優化等4種方法來測量巨尾桉漿纖維和濕地松漿纖維長度和寬度。

3.1 巨尾桉漿纖維長度和寬度的測量

巨尾桉漿圖像中用鼠標點擊測量法和圖像自動測量法測得的纖維長度和寬度的結果見表1。

由表1可知，紙漿纖維的長度和寬度是許多根纖維測量值的統計結果。各纖維的長度和寬度差異很大，測量的纖維數量越大，統計結果越準確。根據紙漿纖維的投影類似細長的矩形這一特點，使用數碼顯微攝像機獲取圖像后，經計算機對樣品圖像進行處理并計算纖維圖形的面積和周長，然后計算纖維的長度和寬度的間接測量方法，大大加快了測量速度。最新的XWY造紙纖維測量儀圖像自動測量與L＆W纖維分析儀測量原理相似，都可在短時間內快速測量大量纖維。XWY造紙纖維測量儀圖像自動測量法的測量速度較鼠標點擊測量法大大提高。

良好分離的巨尾桉漿圖像自動測量法測量值與鼠標點擊測量法結果相比，兩者的長度平均值基本吻合，數均長度相差0.03 mm，質均長度相差0.06 mm，二重質均長度相差0.08 mm。圖像自動法測量時把寬度大于90 μm的巨尾桉漿管細胞包含在內，寬度大于45 μm的纖維占3.8%，鼠標點擊法測量中，未見寬度大于45 μm的纖維。兩種方法的測量結果，數均寬度差1 μm，質均寬度和二重質均寬度相差4 μm和13 μm，相互差別2%和56%。寬度較大的雜細胞增大了二重質均寬度值，這是造成兩者測量差別明顯變大的主要原因。

實驗中，巨尾桉漿纖維雖然能分散良好，但仍存在少量纖維交叉的情況，纖維交叉影響纖維長度和寬度測量的準確性。不進行分離的巨尾桉漿圖像用鼠標點擊法和圖像自動法測量其長度和寬度，結果相差值是:數均長度相差0.12 mm，質均長度相差0.27 mm，二重質均長度相差0.62 mm;數均寬度差1 μm，質均寬度和二重質均寬度分別差9 μm和20 μm。圖像中纖維相互交叉的現象，不僅加大纖維的長度測量值，也加大纖維的寬度測量值。

表1 巨尾桉漿纖維長度和寬度測量結果

巨尾桉漿纖維長度和寬度的自動測量數據進行優化處理，去除數值大于數均值3倍的纖維，以除去交叉纖維的測量值，用鼠標點擊法的測量結果調整自動測量的像素長度系數，經過上述優化處理后，直接自動測量結果接近人工分離處理的巨尾桉漿圖像中的纖維測量結果，這樣可減少人工分離交叉纖維的時間。

把測量圖像中的交叉纖維和纏繞纖維分離后，鼠標點擊測量法和圖像自動測量法獲得的纖維平均長度相近，但不同纖維長度的分布頻率不同。表1結果表明，巨尾桉漿纖維長度小于0.6 mm時，兩種方法測得到纖維所占比例幾乎相同;0.6～1.0 mm部分纖維，鼠標點擊測量法測得的大部分纖維的比例大于圖像自動測量法的;大于1.0 mm部分的纖維，圖像自動測量法的纖維比例大于鼠標點擊測量法的。對于纖維平均寬度，圖像自動測量法測得小于20 μm部分的巨尾桉漿的比例大于鼠標點擊測量法的;20～30 μm部分，鼠標點擊測量法測得的纖維比例大于圖像自動測量法的;大于30 μm部分，圖像自動測量法的纖維比例大于鼠標點擊測量法的。

3.2 濕地松漿纖維長度和寬度的測量

濕地松漿纖維細長、柔軟，容易相互交叉和纏繞。打漿后，纖維交叉和纏繞的情況更為明顯，需人工將交叉和纏繞的纖維分離以獲得準確的長度和寬度測量結果。鼠標點擊測量法和圖像自動測量法測得的濕地松漿纖維長度和寬度的結果見表2。

表2 濕地松漿纖維長度和寬度測量結果

表3 相互纏繞的濕地松漿纖維長度和寬度測量結果

由表2可見，圖像自動測量法與鼠標點擊測量法相比，良好分離的濕地松漿的長度測量值差別不大，前者的數均長度比后者的小 0.02 mm，質均長度小0.16 mm，二重質均長度小0.22 mm，相對差別分別為1%、6%和7%;數均寬度差2 μm，質均寬度和二重質均寬度差13 μm和23 μm，相對差別分別為5%、32%和52%。

與鼠標點擊法測量結果相比，測量時對圖像中交叉和纏繞的纖維不進行人工分離，圖像自動測量法的纖維長度的最大值及平均長度值差別大;纖維寬度值差別較小，測量時無論是否對圖像中的纖維進行人工分離，其測得的纖維寬度值基本相同。

比較表1和表2的結果可知，纖維長度越大，纖維交叉和纏繞的情況越多，其造成測量的誤差也越大。

表3是濕地松漿交叉和纏繞纖維的測量結果。由表3可知，纖維相互纏繞，數根纖維纏繞后結團對纖維長度的測量結果影響最大，不僅測得的纖維數量減少，纖維長度和寬度的最大值和平均值也減少。

表2結果表明，在濕地松漿纖維測量中，對于長度小于1.4 mm的纖維，鼠標點擊測量法測得的纖維比例小于圖像自動測量法的;長度1.4～2.6 mm的纖維，鼠標點擊測量法測得的纖維比例大于圖像自動測量法的;大于2.6 mm的纖維，鼠標點擊測量法測得的纖維比例小于圖像自動測量法的。鼠標點擊測量法和圖像自動測量法測得的濕地松漿纖維寬度的分布頻率也不相同。

巨尾桉漿纖維短，相同大小視野面積且適合測量的圖像，容納的纖維數量最多可達60～80根，計算機測量計算每一圖像的纖維耗時約5 s，換言之，測量相同量的纖維，短纖維漿的測量速度遠快于長纖維的。

3.3 麥草漿纖維長度和寬度的測量

麥草漿纖維長度差別大，含有寬的薄壁細胞等非纖維細胞，數均長度比巨尾桉漿纖維短，但纖維長度和寬度分布范圍較巨尾桉漿纖維的寬。麥草漿纖維測量圖像見圖5。每個測量視野的纖維不少于巨尾桉漿纖維的數量，分別用鼠標點擊測量法和各長度區間數值優化計算的纖維圖像自動測量法測量麥草漿纖維長度和寬度測量結果見表4。由圖5可知，在麥草漿測量圖像中，纖維雖然存在交叉現象，但未見纖維纏繞。在測量時不分離交叉的纖維，在統計測量結果時刪除大于數均長度3倍以上的纖維，并忽略壓邊纖維的影響，纖維長度和寬度的圖像自動測量結果與鼠標點擊法的測量結果基本相符，一個樣品的測量時間小于5 min。

圖5 麥草漿纖維測量圖

表4 麥草漿纖維長度和寬度測量結果

4 結語

4.1 XWY造紙纖維測量儀用顯微鏡攝像獲取載玻片上的纖維圖像，經計算機處理各纖維圖形后自動測量面積和邊長，將各纖維圖形假設為矩形，然后計算該纖維的長度和寬度。該方法與鼠標點擊測量法相比，纖維長度和寬度的測量結果基本吻合，測量速度明顯提高，操作便捷。測量2000根巨尾桉漿纖維和麥草漿纖維耗時約5 min，濕地松漿纖維耗時約10 min即可完成。

4.2 XWY造紙纖維測量儀是經顯微鏡放大纖維試片后進行拍攝采樣的，在具有快速自動圖像測量的同時，還具有很好的纖維觀察功能。自動測量值采用鼠標點擊測量法進行校準。鼠標點擊測量值又用測微尺校準，不受圖像顏色深淺的影響，測量準確。與進口的L＆W纖維分析儀測量原理相似，但圖像采集方法和測量值的校準方式不同。

4.3 XWY造紙纖維測量儀的自動測量對纖維試片的制片要求較高，必須減少纖維交叉現象和纏繞現象，以免計算機將多根纖維識別成一根纖維。采用大尺寸載玻片和凝膠法制成的觀測玻片，不僅很好地分散纖維，還保證在一個觀測玻片中完成一個樣品數千根纖維的測量。凝膠法制樣使觀測纖維緊貼觀測玻片與觀測角度垂直，可避免纖維的彎曲平面與觀測角度不垂直，造成纖維投影長度小于實際長度的誤差。

4.4 由于測量圖像中交叉和纏繞纖維的影響，該纖維長度和寬度自動測量方法不適合細長、柔軟、容易出現較多交叉和纏繞現象的纖維，如棉、韌皮纖維等，這類纖維用鼠標點擊測量法為宜。與長纖維漿相比，較短纖維漿用凝膠法制片后的纖維圖像交叉和纏繞現象較少，因此長度和寬度的自動測量速度快，結果更準確。

［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，譚 敏．現代電子技術在造紙纖維測量儀的應用［J］．中國造紙，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．王菊華．中國造紙原料纖維特性及顯微圖譜［M］．北京:中國輕工業出版社，1999．

［3］ GB/T 28218—2011 Pulps-Determination of Fiber Length by Automated Optical Analysis-Image Analysis Method［S］．GB/T 28218—2011紙漿纖維長度的測定 (圖像分析法)［S］．

［4］ 劉 駿．Delphi數字圖像處理及高級應用［M］．北京:科學出版社，2003．

［5］ 蔣先剛．基于Delphi的數字圖像處理工程軟件設計［M］．北京:中國水利水電出版社，2006．