基于掃描圖像分析的短纖長度分析的標準化和協同化

H. Fischer， K. Haag， J. Müssig

1. 不來梅纖維研究所纖維室(德國) 2. HSB城市大學應用科學學院與仿生研究所生物材料組(德國)

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基于掃描圖像分析的短纖長度分析的標準化和協同化

H. Fischer， K. Haag， J. Müssig

1. 不來梅纖維研究所纖維室(德國) 2. HSB城市大學應用科學學院與仿生研究所生物材料組(德國)

掃描圖像分析法對于測量纖維的寬度和長度越來越重要。市場上沒有在毫米級測量纖維長度的標準。為了填補該空缺，德國增強塑料聯盟(AVK)的纖維分析團隊進行了比對試驗。該試驗可確保實驗室間結果的一致性和穩定性。比對試驗通過FiberShape系統，確定了一種用于長度分析的毫米級的統一掃描測量。

掃描圖像分析； FiberShape系統； 比對試驗； 纖維長度

纖維長度的不同分析方法都是基于市場的需求，瑞士IST公司基于光學系統的FiberShape掃描系統是其中的一種，它尤其適用于纖維長度和寬度的表征，系統基于一種高性能掃描儀及優化的圖像分析軟件，該圖像分析軟件起初是為鑒定類似鉆石的顆粒而設計的。

德國不來梅纖維研究所和HSB城市大學應用科學學院在2014年末至2015年初組織了運用FiberShape系統的比對試驗。比對試驗目的為確定基于FiberShape系統的毫米級長度掃描測量的可重復性和一致性。由于目前市場上還沒有針對這種長度的測量標準，比對試驗有助于實驗室之間的相互協調，確保一致的測試結果和測試方法的標準化。此外，該比對測試也是對參與測試活動的實驗室的一個驗證，以證明其提供的數據在可靠范圍內。這是鑒定實驗室合格的基本要求。

前期已經證明，可以利用FiberShap系統反復測量纖維，因此，該比對試驗僅限于一個纖維樣品，參與機構(匿名)采用標準的軟件測試方法進行分析。根據參與者提供的試驗數據，比對測試結果，然后由組織者對結果進行詳細的統計分析。按照德國現行標準和國際標準(DIN ISO 5725，DIN ISO 13528、DIN EN ISO/ IEC 17043)進行評價。為保護參與者的隱私，測試結果匿名發布。

1　原料與試驗

參與者需使用FiberShape V5.1.x 或更新版本的軟件，以及一個最小分辨率為1600 像素/2.54 cm的平面掃描儀進行校準。根據MIL-STD-150A，通過USAF 1951分辨率對照卡對試驗結果進行驗證。

所有參與比對試驗的機構一致認為纖維的線密度為6.7 dtex，長度為1 mm (纖維為德國Maag公司產品)。為了消除樣品制備與測量條件差異引起的試驗誤差，將“試驗手冊”與樣品一起分發給參與試驗者。為確保統計的數據均為有效數據，需滿足以下要求：

——測試面積不小于樣品圖片的2%；

——至少測量2500個試樣。

為減少誤差，在掃描的分布較好的纖維束區域內，需反復選取測試樣品，或者多次掃描圖像。

共有9個工業及研究團隊參與了比對試驗，比較評定了包含有“長度證書”的纖維及原始數據。6#參與者采用德國SKZ公司的異常值分析系統——FiVer, 1.71版，將灰度閾值調至86，因此其比對結果會呈現在比對圖表中，但在統計評估時卻不需要考慮。

平均長度值和標準偏差是與用于比較的“長度證書”比較，并利用R統計軟件(3.0.1/2013-05-16版，澳大利亞R語言統計計算公司)對原始數據進行一些描述性的統計評估(帶絕對偏差的中值、置信區間及盒形圖等)。與此同時，對異常值進行了表征，并利用z值對參與機構的測試結果進行排序。

利用z值評價的試驗結果如表1所示。

就最終的比對試驗報告而言，各參與者都將收到一份隱去參與者姓名資料的數據分析統計表，參與者會被告知各自編號，以及其試驗結果的質量分類。

表1　基于z值的結果分析

2　試驗結果

所有參與機構的平均值及標準偏差如圖1所示，纖維束的平均長度為(973±11)μm。

圖1　　　　所有參與機構的平均值及標準偏差(紅色表示異常值，綠色表示修改后的結果，黃色表示FiVer結果)

根據格魯布斯理論，其中2#和6#參與機構得到的試驗結果是異常值。經過鑒定，分析原因如下：

——2#參與機構掃描儀使用錯誤，或是在使用掃描軟件時忘記調節灰度值；

——6#參與機構在錯誤的分辨率下使用掃描儀。

識別錯誤源之后，2#和6#參與機構重復其試驗過程，并發送更改后的試驗結果(2#-b和6#-b)。

由參與機構試驗結果的直方圖(圖2)可見，所有有效結果(以藍色顯示)直方圖具有相似的形狀，異常值(以紅色顯示)與該形狀不同，但更改后的結果(2#-b和6#-b)也具有相似的形狀。

用z值對試驗結果進行評估(圖3)。綠色虛線是最高級別“好”，此時|z|<1；灰色虛線達到第二個級別“滿意”，此時1≤|z|<2。藍色表示的值是使用FiberShape系統產生的非異常值。經重復測量，異常值和其他分析系統的結果用紅色顯示，且被排除在統計評估之外。輸出的6個參與機構的有效結果中，5個取得的等級為“好”，1個取得的等級為“滿意”，由FiVer系統得到的結果如果也被納入該評價，也將被評為“滿意”等級。被確定為異常值(|z|>3)的屬于“非常有問題”等級。在找出錯誤源后，修正后的結果(2#-b和6#-b)也達到“滿意”或“好”的等級范圍。

圖2　所有參與機構試驗結果的直方圖(紅色表示未被列入統計的結果)

圖3　所有參與機構的試驗結果(未被列入評估的用紅色表示)

3　結論

FiberShape比對試驗的成功，對于短纖維統一的、標準化的長度分析而言非常重要。試驗測得纖維的平均長度為973 μm，接近制造商申報的長度，說明制造商的宣傳中不包含任何不確定的信息。試驗的所有有效結果都分布在一個較小的范圍內。掃描儀的分辨率為(1 200±0.5)像素/2.54 cm時，纖維長度的標準差為11 μm，增加掃描分辨率可減小偏差。試驗結果表明測試系統具有可重復性。

FiberShape比對試驗達到了最初的目標：試驗室之間的和諧，一致性結果的確定，以及為所有參與機構提供與其他實驗室比較測試數據的準確性和系統化的機會?？纱_定異常值出現的原因，且在咨詢了相關的參與機構后，能夠產生與主要領域的參與機構同樣好的結果。另外，這些異常值的存在表明，若要進行可靠的、可重復的測試，需要遵守合適的測試指南。

在最終的討論中，德國增強塑料聯盟(AVK)纖維分析團隊的參與者一致認為，應該定期進行比對試驗，且為達到更好的統計意義，在以后的測試中，應進行2類指標的分析(纖維長度和寬度)。

謝位 譯顏雪 校

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

HolgerFischer1,KatharinaHaag2,J?rgMüssig2

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 Verst?rkte 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