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謝振合1,張　海2(1·華南理工大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,廣東廣州　510640;2·華南理工大學(xué)工業(yè)裝備與控制工程學(xué)院,廣東廣州　510640)

作者簡(jiǎn)介:謝振合(1972-),男,河南南陽(yáng)人,華南理工大學(xué)助教,碩士,從事應(yīng)用數(shù)學(xué)的教學(xué)和研究工作。

炭黑分散度是指炭黑聚集體(粒子)在膠料中分散的均勻程度,它包括兩層含義:一是表征分布在膠料中的炭黑粒子尺寸大小,二是表征炭黑粒子在膠料中分布的均勻程度。膠料的物理性能、動(dòng)態(tài)性能、加工性能以及成品的使用性能均與炭黑分散度有關(guān)。炭黑分散度除取決于炭黑性質(zhì)、膠料配方外,還與膠料的混煉工藝有關(guān)[1]。炭黑分散度的識(shí)別方法可分為人工識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別兩大類。目前,我國(guó)常用的人工識(shí)別方法為ASTM D 2663中的A法和B法、GB 6030—1985中的顯微照相法等[2]。ASTM D 2663中的A法是定性目測(cè)法,B法是定量目測(cè)法(測(cè)量膠料中未分散炭黑粒子的大小和數(shù)量,未涉及炭黑粒子在膠料中的分布情況)。人工識(shí)別炭黑分散度需要有經(jīng)驗(yàn)的操作人員根據(jù)觀察或拍攝到的圖像,綜合炭黑分散和分布情況以及膠料配方等多方面的因素來(lái)判斷膠料中炭黑分散度,其判別速度慢,耗時(shí)、耗力,容易受操作人員主觀因素的影響。

瑞典OPTIGRADER公司的Dispergrader法是一種自動(dòng)識(shí)別炭黑分散度的改進(jìn)顯微照相法,它采用圖像處理技術(shù)和分散度識(shí)別軟件,實(shí)現(xiàn)了炭黑分散度等級(jí)自動(dòng)判別。該法以圖像中白色亮點(diǎn)的個(gè)數(shù)和面積來(lái)判定炭黑分散度等級(jí)。應(yīng)用發(fā)現(xiàn),該法對(duì)同一試樣的多次重復(fù)測(cè)試會(huì)判定出不同的分散度等級(jí),即判級(jí)穩(wěn)定性差。國(guó)內(nèi)在炭黑分散度自動(dòng)識(shí)別方面已做了大量研究[3~7],創(chuàng)立的分散度識(shí)別方法仍以顯微照相法為基礎(chǔ),建模過(guò)程一般為:先對(duì)膠料樣本進(jìn)行視頻采集和圖像處理,然后提取圖像特征,并根據(jù)圖像特征設(shè)立分散度特征指標(biāo)體系,最后建立統(tǒng)計(jì)識(shí)別模型及編制分散度自動(dòng)識(shí)別軟件。但這些方法的計(jì)算參數(shù)主要為表征炭黑粒子個(gè)數(shù)和面積的參數(shù)(由特征指標(biāo)值經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)學(xué)運(yùn)算處理到區(qū)間[0,1]上而得),很少有關(guān)于炭黑粒子分布均勻性信息的參數(shù);同時(shí)研究對(duì)象主要為硫化膠。本工作針對(duì)混煉膠建立炭黑分散度指標(biāo)體系并確定圖像處理方法,以期為混煉膠炭黑分散度自動(dòng)識(shí)別模型的建立和自動(dòng)測(cè)試儀器的研制奠定基礎(chǔ)。

1　炭黑分散度特征指標(biāo)體系

選取的炭黑分散度特征指標(biāo)體系是否恰當(dāng)是決定炭黑分散度自動(dòng)識(shí)別模型判別效果的關(guān)鍵因素。為準(zhǔn)確識(shí)別炭黑分散度,要求選取的炭黑分散度特征指標(biāo)體系盡可能準(zhǔn)確而全面地反映各個(gè)等級(jí)圖像的特征和不同等級(jí)圖像的差異。判別炭黑分散度等級(jí)主要考慮3個(gè)因素:炭黑粒子的尺寸(在黑白化圖像中表現(xiàn)為白色區(qū)域的像素面積)、較大炭黑粒子數(shù)量以及炭黑粒子在膠料表面分布的均勻程度。炭黑分散性較好,即分散度等級(jí)較高的膠料小粒子炭黑較多,大粒子炭黑較少,不同位置炭黑粒子分布的差異較小;炭黑分散性較差,即分散度等級(jí)較低的膠料大粒子炭黑較多或/和不同位置炭黑粒子分布的差異較大。大粒子炭黑的分散性與其形狀有關(guān)。在粒子面積相等的情況下,橢圓形炭黑粒子的分散性比圓形或近似圓形的炭黑粒子好。可以采用分形(對(duì)沒(méi)有特征長(zhǎng)度但具有一定意義的自相似圖形和結(jié)構(gòu)的總稱)的方法設(shè)立表征大粒子炭黑分布形狀的特征指標(biāo)。炭黑粒子的分布本質(zhì)上是一種分形分布,其分散度與分形的形質(zhì)有關(guān),但圖形的分形維數(shù)不易計(jì)算,可用橢圓度來(lái)表征炭黑粒子的分布形狀。

根據(jù)混煉膠塑性值較大、硬度小、粘彈性不均勻的特點(diǎn),為較好地表征炭黑分散性和分布均勻性,確定混煉膠炭黑分散度特征指標(biāo)如下。

(1)按面積大小將炭黑粒子劃分為6個(gè)區(qū)段,用各區(qū)段的炭黑粒子面積總和來(lái)表征不同面積的炭黑粒子數(shù)量,共有6個(gè)指標(biāo):X1~X6。

(2)根據(jù)分形的思想,定義橢圓度4SπD2(D為炭黑粒子直徑,S為炭黑粒子面積)來(lái)表征較大炭黑粒子的分布特征,共有2個(gè)指標(biāo):X7和X8。

(3)按上下及左右位置分布將圖像分成面積相等的4個(gè)矩形區(qū)域,用4個(gè)區(qū)域炭黑粒子面積總和的方差來(lái)表征炭黑粒子分布的均勻性,即指標(biāo)X9?；鞜捘z炭黑分散度的9個(gè)特征指標(biāo)的定義如下(劃分面積區(qū)段時(shí),通過(guò)分析圖像樣本的特征,得出區(qū)分各級(jí)樣本的關(guān)鍵面積分界值為20,35,50,75,100)。

X1:區(qū)域面積大于100個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子面積和占炭黑粒子面積總和的百分比。

X2:區(qū)域面積介于76~100個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子面積和占炭黑粒子面積總和的百分比。

X3:區(qū)域面積介于51~75個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子面積和占炭黑粒子面積總和的百分比。

X4:區(qū)域面積介于36~50個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子面積和占炭黑粒子面積總和的百分比。

X5:區(qū)域面積介于21~35個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子面積和占炭黑粒子面積總和的百分比。

X6:區(qū)域面積介于10~20個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子面積和占炭黑粒子面積總和的百分比。

X7:區(qū)域面積大于100個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子中橢圓度小于0.8的炭黑粒子橢圓度和占炭黑粒子橢圓度總和的百分比。

X8:區(qū)域面積介于40~100個(gè)像素點(diǎn)的炭黑粒子中橢圓度小于0.8的炭黑粒子橢圓度和占炭黑粒子橢圓度總和的百分比。

X9:4個(gè)區(qū)域炭黑粒子面積總和的方差。

2　圖像處理方法

2.1　基本流程

混煉膠圖像處理的具體流程為:圖像采集,圖像顯示,圖像灰度化、濾波、黑白二值化,圖像特征值計(jì)算,粒子統(tǒng)計(jì)顯示等環(huán)節(jié)。圖像采集裝置主要由高精度顯微放大鏡、CCD攝像機(jī)、光照設(shè)備和視頻采集卡組成,最終采集得到數(shù)字化圖像。其中,CCD攝像機(jī)順序掃描圖像,形成模擬視頻信號(hào)。圖像采集卡將攝取的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為能在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的數(shù)字圖像。圖像顯示是將采集到的圖像以640×480像素的24位位圖顯示出來(lái),24位位圖用3個(gè)字節(jié)來(lái)記錄每個(gè)像素點(diǎn)的顏色信息,可以通過(guò)調(diào)整鏡頭的連續(xù)放大倍數(shù)和視頻亮度來(lái)保證最佳顯示畫(huà)面,最后圖像以適合于圖像分割和圖像特征值計(jì)算的BMP灰度圖像文件格式儲(chǔ)存于圖片庫(kù)中。

2.2　灰度圖像的條紋處理

切割混煉膠的顯微鏡圖像中一般會(huì)有切痕條紋(如圖1所示)。如果不消除這些切痕條紋,在圖像黑白二值化時(shí)會(huì)將其誤當(dāng)作炭黑粒子,造成判別的分散度等級(jí)偏低。消除圖像切痕條紋假粒子的兩種方法是:①改變?cè)嚇拥姆胖梅较?讓切痕的條紋方向與光線的入射方向保持平行,使條紋的反射光線不能進(jìn)入圖像;②圖像自動(dòng)處理,即在圖像分割前先判斷區(qū)域的長(zhǎng)寬差絕對(duì)值是否超過(guò)一定值,如果超過(guò),就認(rèn)為該區(qū)域不是炭黑粒子聚集區(qū)域。

2.3　灰度圖像的黑白二值化

膠料圖像通常由代表炭黑粒子的目標(biāo)區(qū)域和背景組成。圖像灰度化后,要提取炭黑粒子的特征信息,就必須把目標(biāo)區(qū)域從背景中分離出來(lái)。目標(biāo)區(qū)域與背景分離的主要方法是圖像的黑白二值化處理,即通過(guò)設(shè)定閾值T,把灰度圖像轉(zhuǎn)換成僅用圖像目標(biāo)值和圖像背景值表征的二值圖像,其中目標(biāo)值取1,背景值取0。在BMP位圖中,0對(duì)應(yīng)于RGB值(0,0,0),1對(duì)應(yīng)于RGB值(255,255,255)。圖像二值化的方法很多,其中閾值的選取是圖像二值化的關(guān)鍵,會(huì)直接影響圖像特征值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

與硫化膠相比,混煉膠表面的粗糙度較大,其入射光線的反射角變化較大,圖像灰度分布不均勻,圖像二值化時(shí)不適合采用全局閾值法(整幅BMP灰度圖只選定一個(gè)灰度閾值)。經(jīng)分析,本研究采用局部域值法(也稱動(dòng)態(tài)閾值法),即根據(jù)分割圖像的局部灰度自動(dòng)選擇合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。具體過(guò)程為:將灰度圖像分成4×4的子區(qū)域,計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的平均灰度值,以此平均值作為該子區(qū)域的閾值,然后將該區(qū)域中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值與平均灰度值進(jìn)行比較,若大于平均灰度值,則置為255(全白色),否則置為0(全黑色)。二值化處理的公式為:

經(jīng)二值化處理后圖像中白色區(qū)域代表炭黑粒子。采用此法處理得到的二值化混煉膠圖像如圖2所示。

2·4　圖像特征值計(jì)算

在黑白二值化膠料圖像的白色區(qū)域面積和直徑值的計(jì)算方法中,經(jīng)典的區(qū)域填充算法是利用掃描線上區(qū)域的連貫性,填充當(dāng)前掃描線的一段區(qū)域,然后利用相鄰掃描線上區(qū)域的連貫性,在上下兩條相鄰掃描線的一段區(qū)域讀取區(qū)域特征值,并以種子堆棧的形式保留這些區(qū)域,反復(fù)處理堆棧內(nèi)的區(qū)段,直到保存的所有區(qū)域都處理完畢為止。

本研究采用的改進(jìn)填充算法是在掃描上下相鄰掃描線時(shí),記錄下未填充區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn),并將其壓入棧中。這樣,種子棧的元素不是種子點(diǎn)的坐標(biāo)而是未填充區(qū)段的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置,當(dāng)掃描到該線時(shí),只在起點(diǎn)和終點(diǎn)的中間掃描即可。相對(duì)于區(qū)域填充算法,該算法提高了各區(qū)域的填充速度,從而提高了算法的運(yùn)行效率。

3　未切割與切割混煉膠炭黑粒子分散度特征比較

未切割與切割混煉膠的顯微鏡圖像對(duì)比如圖3所示。從圖3可以看出,未切割與切割混煉膠表面特征不同,未切割混煉膠的表面粗糙度較切割混煉膠大。

表1~4示出了由提取圖像特征值統(tǒng)計(jì)得出的同一混煉膠切割前后表面不同面積區(qū)段和直徑區(qū)段的炭黑粒子數(shù)。

從表1~4可以看出,未切割混煉膠表面分布于各面積區(qū)段和直徑區(qū)段的炭黑粒子數(shù)遠(yuǎn)大于切割混煉膠(經(jīng)驗(yàn)證,切割混煉膠數(shù)據(jù)準(zhǔn)確),這說(shuō)明本研究炭黑分散度特征指標(biāo)體系及圖像處理閾值參數(shù)不適合未切割混煉膠。