DE102009043273A1

DE102009043273A1 - Verfahren und System zur Feststellung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums

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Publication number: DE102009043273A1
Application number: DE102009043273A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Lehmann; Sylvia Beier; Heiko Brosi; Michael Dr. Harenbrock; Holger Bastuck
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-04-29
Also published as: US8594382B2; US20110235867A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein System offenbart zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums. Das Verfahren enthält das Bereitstellen zumindest eines digitalen Bildes, das repräsentativ für das faserige Medium ist, eine Vorbearbeitung der Bilder, Binärisieren der Bilder, Erzeugen von virtuellen Linien auf dem Bild, Auflösen nach Faserrandpunkten auf jeder generierten Linie, Auflösen nach Fasermittelpunkten als ein Mittelwert für die Randpunkte, Erzeugen und Vergrößern der Messkreise um die Fasermittelpunkte, Repositionieren der Kreise und Mittelpunkte, um Faserkreuzungen zu vermeiden, Größenänderung der verschobenen Messkreise, um die einander gegenüberliegenden Ränder zu schneiden, und Berechnen der Faserdurchmesser und der Faserbeabstandung.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Filtrationsmedien und insbesondere Verfahren und Systeme, um eine Faserdurchmesserverteilung eines Filtermediums zu erhalten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zur Charakterisierung eines Filtermediums, um so seine Hauptleistungscharakteristika vorhersagen zu können. Der Markt für Filterprodukte wird heute getrieben durch die Notwendigkeit für effizientere Filter mit einer erhöhten Staubhaltekapazität bei einem geringeren Druckabfall. Die Materialienauswahl und Konstruktion des Filtermediums erlauben letztendlich die Filterleistung festzulegen. Hauptparameter eines Fasermediums sind Porosität und die Faserdurchmesserverteilung. Um die Filtermediumleistung zu optimieren, sind derzeitige Filtermedien häufig eine Kombination von Lagen mit unterschiedlichen Faserdurchmessern und/oder Porosität.
Die verbesserte Leistung von Filtermedien wird einerseits erzielt durch das Kombinieren verschiedener Filtermedienschichten, aber andererseits durch die Optimierung der Mischung von Faserdurchmessern innerhalb einer Schicht. Traditionell werden auf Zellulose basierende Papiere als faserförmige Filter verwendet. Auf Zellulose basierende Papiere, die von verschiedenen Holzarten stammen, liefern verschiedene Fasergrößen und -formen. Zellulose basierendes Papier ist allerdings ein natürliches Produkt mit all seinen inhärenten Fluktuationen der Eigenschaften und Einschränkung bezüglich des minimalen Faserdurchmessers. Ein anderes Filtermedium-Material ist ein synthetisches Vliesmedium, welches ein hoch technisiertes Produkt ist, das noch viel mehr Parameter zur Verfü gung stellt, um die Produktqualität und Eigenschaften zu steuern, zum Beispiel kleinere Fasern. Daher hat sich ein Trend entwickelt, synthetische Medien in Zellulose einzubringen oder aufzulegen, oder sogar vollständig zu synthetischen Filtermedien überzugehen.
Es ist bekannt, dass die Faserdurchmessergröße die Partikelsammeleffizienz mitbestimmt. Allerdings berücksichtigt die klassische Filtrationstheorie nicht die Faserdurchmesserverteilung, um die Filtrationsmediumsleistung oder den Druckabfall zu berechnen. Da die klassische Filtrationstheorie auf einem sogenannten Einzelfaseransatz basiert, kann die Leistung nur für einen isolierten einzelnen Faserdurchmesser vorausgesagt werden kann. Der allgemeine Ansatz zur Beseitigung dieses Problems mittels Integration über unterschiedliche Klassen einer Verteilung funktioniert nur für Partikeldurchmesser, aber nicht für Faserdurchmesser, da „das Fliessfeld und die Sammeleffizienz, die mit jeder Fasergröße assoziiert sind, durch das Vorhandensein von Fasern anderer Größe beeinflusst werden. In der Praxis ist der effektive Faserdurchmesser, basierend auf Messungen des Druckabfalls [...], eine geeignete Annäherung” (Hinds 1999).
Ein allgemeiner Weg zur Feststellung der Faserdurchmesserverteilung in einem Filtermedium besteht darin, eine Bedienperson die Faserdurchmesser zählen zu lassen, zum Beispiel wie in einem Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Bild einer Filtermediumprobe gezeigt. Dies ist ein sehr mühsamer Weg und die Qualität des gemessenen Ergebnisses ist abhängig von der Bedienperson. Daher wurden automatische Bildverarbeitungsverfahren erforscht. Pourdeyhimi und Dent (1999) leiteten eine Faserdurchmesserverteilung von Bildern ab mittels eines Algorithmus, der das Skeleton-und-Abstand-transformierte Bild verwendet. Talbot et al. (2000) ermittelten Faserdurchmesser durch eine automatische Bildanalyse von Querschnitts-SEM-Faserbildern. Um die Faserquerschnitte zu erhalten, mussten die Fasern zuerst in einem Kunstharz eingebettet werden, und dann mussten Querschnitte geschnitten werden. Dieses Verfahren ist immer noch sehr zeitaufwendig. Ghassemieh et al. (2002) verwendeten schnelle Fourier- Transformationen (FFT) für REM-Bilderdaten, um eine Faserdurchmesserverteilung zu erhalten. Luzhansky (2003) präsentierte eine automatische Bildverarbeitung eines REM-Bildes, und zwar basierend auf einem Algorithmus, der zuerst die Poren in einem segmentierten Bild auffindet und dann in Zick-Zack-Linie um den Umfang einer Pore fährt, um auf die Grenze einer angrenzenden Pore und zurück zu springen mittels einer Vorwärtsbewegung. Zibari et al. (2007) präsentierten ein Verfahren, um eine Faserdurchmesserverteilung auf der Grundlage binärer Bilder zu erhalten. Um die Probleme der Verfahren, die auf Skeletons beruhen, zu beseitigen, entfernten sie die Faserschnittpunkte. Zibari et al. publizierten (2008) eine weitere Veröffentlichung, die ihre Methode für simulierte Strukturen bestätigte und das Ergebnis mit manuell gemessenen Daten von REM-Bilder von mit Gold gesputterten Fasern verglich.
Unglücklicherweise haben die bekannten Verfahren zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung von Filtermedien Nachteile. Publizierte oder auf andere Art und Weise bekannt gewordene Verfahren generieren entweder exzessive Datenmengen oder sind zu anspruchsvoll durch Verwenden von Techniken, wie zum Beispiel die schnelle Fourier-Transformation (FFT), um für eine schnelle und einfache Bestimmung der Qualität der Faserdurchmessergröße geeignet zu sein. Keine der bekannten Bildverarbeitungsverfahren kann als eine zufriedenstellende praktische Standardlösung zur Erreichung des Ziels angesehen werden. Im Ergebnis ergibt sich, dass selbst heutzutage die Filtermediumfaserdurchmesser allgemein von Bedienpersonal gezählt werden (manuell), z. B. basierend auf REM-Bilder oder anderen bekannte Techniken.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums. Das Verfahren enthält das Bereitstellen mindestens eines digitalen Bildes, das repräsentativ für dieses Fasermedium ist, das Vorbearbeiten der Bilder, Binärisieren der Bilder, Generieren virtueller Linien auf dem Bild, Auflösen nach Faserrandpunk ten auf jeder generierten Linie, Auflösen nach Fasermittelpunkten als Mittelwert der Randpunkte, Generieren und Vergrößern von Messkreisen um die Fasermittelpunkte, Versetzen der Mittelpunkte, Größenpassung der Messkreise derart, dass diese Kreise sich schneiden, aber sich nicht über die gegenüberliegenden Ränder der Fasern hinaus erstrecken, Repositionieren der Kreise und Mittelpunkte, um Faserkreuzungen zu vermeiden, Größenanpassung dieser repositionierten Messkreise, um die gegenüberliegenden Ränder zu schneiden, und Berechnen der Faserdurchmesser und der Faserabstände.
Gemäß eines anderen Aspektes dieser Erfindung enthält der Umpositonierungsschritt des Verfahrens das Einstellen der Messkreise derart, dass Schnittpunkte auf gegenüberliegenden Seiten der Messkreise auf einer Linie angeordnet sind, die sich durch den Mittelpunkt des Kreises erstreckt.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung werden die Linien mit einer von einem Benutzer festgelegten einheitlichen Beabstandung erzeugt.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung enthält der Vorbearbeitungsprozess das Einstellen des Kontrastes der digitalen Bilder und Durchführung der Reduzierung des Bilderrauschens mit Hilfe eines Pixel-Mittelungssfilters.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung enthält der Binärisierungsschritt die Bestimmung eines Graustufenschwellwerts unter Verwendung des Verfahrens nach Otsu und Verwendung des Schwellwerts, um das Bild in ein binärisiertes Bild zu konvertieren, welches dann nur noch weiße und schwarze Pixelwerte aufweist.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung enthält das Verfahren nach dem Binärisierungsschritt des Weiteren das Bereinigen des binärisierten Bildes, um unzusammenhängende Bereiche, die nicht repräsentativ für die Fasergröße sind, zu beseitigen.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird ein computerlesbares Medium vorgesehen, in welchem eine Vielzahl von ausführbaren Instruktionen abgespeichert sind, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung, ein Computersystem zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums mit einem digitalen Computerprozessor, einer nichtflüchtigen Speichereinheit mit einem Bediensystem, eine mit dem Computerprozessor verbundene Anzeigeeinrichtung, eine Bedienereingabeeinrichtung, einem Computer-lauffähigem Code gespeichert auf der nichtflüchtigen Speichereinrichtung und ausführbar durch das Computersystem, wobei der Computer-lauffähige Code die Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung werden die digitalen Bilder der Faserstruktur mit den darauf aufgezeichneten berechneten Messkreisen auf dem Display des Computerterminal angezeigt. Eine Bedienperson interagiert mit der Erfindung, um die Messkreise erneut anzuschauen und Messkreise auszuwählen, die in den Berechnungen für die Faserdurchmesserverteilung zu ignorieren sind.
Die oben angegebenen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung einer anderen Ausführungsform eines computerdurchgeführten Verfahrens der automatischen Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung von faserigen Medienproben, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens der Bildvorbearbeitung, und zwar in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Flussdiagramm zur Skizzierung der Verfahrensschritte, die während des Linienerzeugungsprozesses durchgeführt werden, in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Skizzierung eines Verfahrens zur Bestimmung des Faserdurchmessers, in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt ein Flussdiagramm zur Skizzierung eines Verfahrens zur Versetzung des Mittelpunktes der Messkreise, gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Skizzierung eines Verfahrens zur Verschiebung der Messkreismittelpunkte (bei gleichem Durchmesser), gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein Flussdiagramm zur Skizzierung eines Verfahrens zur Verschiebung des Mittelpunktes, gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt ein Flussdiagramm zur Skizzierung eines anderen Verfahrens zur Verschiebung des Mittelpunktes, gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 und 10 zeigen Flussdiagramme zur Erläuterung eines anderen Ausführungsbeispiels eines computerdurchgeführten Verfahrens für die automatischen Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung von faserigen Medienproben, gemäß der vorliegenden Erfindung;
11A–11F sind binäre faserige Abbildungen zur Erläuterung des Verfahrens der 9 und 10, gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 zeigt ein binärisiertes Bild, wie es mit der vorliegenden Erfindung erzeugt worden ist, und zwar mit Kreisen, die die Position und Größe der gemessenen Fasern darstellen, gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 zeigt ein schematisches Diagramm eines auf einem Mikroprozessor basierenden Computersystems, das geeignet ist, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende detaillierte Beschreibung offenbart Ausführungsbeispiele zur Verwirklichung der Erfindung, die zur Zeit als beste Modi betrachtet werden. Die Beschreibung soll nicht als einschränkend verstanden werden und ist lediglich für den Zweck der Illustration des generellen Prinzips der Erfindung gedacht, da der Umfang der Erfindung am bestem durch die anhängenden Patentansprüche definiert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht neue fortschrittliche und computerautomatisierte Verfahren und Systeme vor, um die Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums, wie etwa (als ein Beispiel) eines Filtermediums.
Die verbesserte Leistung der heutigen Filtermedien ist einerseits erzielbar durch Kombinieren verschiedener Lagen, aber andererseits durch Optimieren der Mischung von Faserdurchmessern innerhalb einer Lage. Traditionell werden auf Zellulose basierende Papiere als faserige Filter verwendet. Dabei ergeben unterschiedliche Hölzer verschiedene Faserabmessungen und -formen. Zellulosepapier ist allerdings ein natürliches Produkt, mit all seinen inhärenten Fluktuationen der Eigenschaften und seiner Einschränkung bezüglich des minimalen Faserdurchmessers. Jedoch sind synthetische Vliesmedien ein hoch technisiertes Produkt, das noch viel mehr Parameter zur Verfügung stellt, um die Produktqualität und Eigenschaften zu steuern, zum Beispiel kleinere Fasern. Daher hat sich ein Trend entwickelt, synthetische Medien in Zellulose einzubringen oder aufzulegen, oder sogar vollständig zu synthetischen Filtermedien überzugehen. Die vorliegende Erfindung stellt neue fortschrittliche und mittels Computer automatisierte Verfahren zur Verfügung, um die Faserdurchmesserverteilung derartiger faserigen Medien zu erhalten.
Das Verfahren verwendet eine automatische Bildbearbeitung, wie zum Beispiel das Beschneiden des Bildes, Einstellung des Kontrastes, Segmentierung (zum Beispiel das Verfahren nach Otsu), Schließen und Entfernen von kleinen Objekten. Linien (horizontal, vertikal oder mit jedem beliebigen Winkel) werden virtuell auf das binäre Bild aufgetragen und Schnittpunkte dieser Linien mit den Rändern der Fasern werden berechnet. Startpunkte zur Messung der Faserdurchmesser werden in den faserigen Bereichen zwischen den Kreuzungspunkten angeordnet. In dem Verfahren wird der Faserdurchmesser berechnet durch Generieren von Kreisen auf diesen Startpunkten, die solange wachsen bis sie die Ränder (oder Kanten) der Faser erreichen. Da die Fasern üblicherweise nicht quer rechtwinklig zu den gezeichneten Linien angeordnet sind, ist die Distanz zwischen dem Startpunkt und den Rändern oftmals nicht der gleiche für alle Seiten. Vorteilhafterweise bewegen die Verfahren der vorliegenden Erfindung die Mittelpunkte der wachsenden Kreisdurchmesser so lange, bis eine Position gefunden worden ist, in welcher der Kreis an Ränder der Faser anstößt, die auf – gegenüberliegenden Seiten liegen und virtuell verbunden sind durch eine gerade Linie durch den Mittelpunkt. Des Weiteren trägt das Verfahren der Tatsache Rechnung, dass ein Startpunkt für die wachsenden Kreise in dem Bereich eines Querschnitts der Fasern liegen kann. Durch einen speziellen und verbesserten Schritt wird dann der Startpunkt aus diesem Bereich heraus bewegt. Schließlich wird ein Bild gespeichert, das all die Kreise zeigt, die für die Messung der Faserdurchmesser verwendet worden sind, und es wird auch ein Bericht mit den erhaltenen Daten erstellt, z. B. mit Faserdurchmessern und Faserabständen. Die eigentliche Messung der Faserdurchmesser ist vollständig automatisch und benötigt keine weiteren Eingaben des Benutzers. Des Weiteren ist das Programm nicht darauf limitiert, ein Bild zu analysieren sondern auch Schleifen über einen vorbestimmten Bilderstapel.
Die hierin offenbarten Verfahren, die für die automatische Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung von faserigen Medienproben angewendet werden, sind eine Kombination einer spezifischen Verwendung von aktuellen Rasterelektromikroskopbildern (oder alternativ Modell-erzeugte Bilder, wie zum Beispiel virtuelle REM-Bilder), Bildverarbeitungsverfahren und die neu entwickelten Verfahren zur Platzierung der Messpunkte und Gewinnung der Faserdurchmesser der vorliegenden Erfindung. Die Verfahren können in einen computerausführbaren Code implementiert sein, und zwar durch jede beliebige einzelne Art oder eine Kombination bekannter Arten von Maschinensprachen und Verfahren. Einige nicht einschränkende Beispiele enthalten C oder C++ Programme, JAVA_TM oder als Code, der mittels Simulations-Tools ausgeführt wird wie etwa (als Beispiel) MatLab_TM.
9 UND 10
Die Beschreibung betrifft zunächst die 9 und 10, die eine erste und einfacher zu verstehende Ausführungsform eines durch einen Computer durchgeführtes Verfahren der automatischen Bestimmung von Faserdurchmesserverteilungen von faserigen Mediumproben erläutern, wie sie im Einklang mit der vorliegenden Erfindung steht.
Das Verfahren beginnt bei dem Block 905 durch Bereitstellen eines von einem digitalen Computer lesbaren Bildes, das repräsentativ für eine zu analysierende faserige Struktur ist. Die Bilder können sein: XCT-Rohbilder von Proben eines Flachfiltermediumbogens, Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Bilder von wirklichen Filtermedien, oder alternativ virtuell hoch aufgelöste REM-artige Bilder, wie etwa ein Reflektionselektronenmikroskop(RM)-Bild von virtuellen Fasermedienstrukturen, wie sie zum Beispiel von GeOdict_TM generiert werden. GeOdict_TM ist ein Materialdesign- und Simulationssoftware-Paket, das entwickelt und ver marktet worden ist vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik in Kaiserlautern, Deutschland.
REM-Bilder von aktuellen Filtrationsmedien können produziert werden durch Anwenden eines Rasterelektronenmikroskops, das einen QBSD-Materialdetektor aufweist. Unter QBSD verstehen wir einen „Quadrant-Rückstreuungsdetektor” (Quadrant Back Scattering Detector), einen Detektor, der die rückgestreuten Elektronen sammelt, die in dem Probebereich, der mit dem Elektronenstrahl des REM bestrahlt wird, erzeugt werden.
Im Block 910 wird das Bild vorbearbeitet. Die Vorbearbeitung verwendet Bildmanipulationsverfahren, um die Qualität des Ausgangsbildes zu verbessern, auf das der Fasererfassungsalgorithmus angewendet werden soll. Die Vorbearbeitung kann einen oder alle der folgenden Schritte enthalten: Einstellungen des Kontrastes (Expandieren des Bereichs der Graustufenwerte von Pixel in dem Bild), Rauschunterdrückung (Reduzierung des digitalen Rauschens in dem Bild durch die Verwendung von computerimplementierten Pixel-Mittelungsfilterungstechniken).
In dem Block 915 wird das Bild binärisiert (Konvertieren des Graustufenbildes zu einem Schwarzweißbild, indem die Pixelwerte auf schwarz (0) oder weiß (1) limitiert werden). Der Binärisierungsschritt kann des Weiteren enthalten einen Bereinigungsschritt (Identifizieren und Beseitigen kleiner unzusammenhängender Bereiche von weißen Pixel, die bei dem Binärisierungsschritt übrig geblieben sind). Diese Bildmanipulationstechniken, die für Block 910 und 915 offenbart worden sind, werden später detailliert mit Bezug auf 2 weiter unten beschrieben.
Im Block 920 werden auf dem Bild virtuelle Linien generiert. Alle generierten Linien sind parallel zueinander und können mit einer einheitlichen Beabstandung auf dem Bild erzeugt werden, obwohl eine einheitliche Beabstandung der Linien nicht notwendig ist. Die Linien können in jede gewünschte Richtung positi oniert werden, wie zum Beispiel horizontal, vertikal oder mit jedem beliebigen Winkel.
Die Faserrandpunkte werden im Block 925 gelöst. Randpunkte sind die Punkte auf den generierten Linien, wo sich Pixelwerte von 0 zu 1 oder von 1 zu 0 ändern, was ein Anzeichen für den Übergang von einem faserigen Bereich zu einem nicht-faserigen Bereich der Linie ist und eine Indikation für die Kante der Fasern an den Orten ist, wo die erzeugten Linien die Fasern schneiden.
Im Block 930 werden die Fasermittelpunkte gelöst. Die Fasermittelpunkte sind ausgewählte Punkte auf dem Abschnitt der generierten Linie innerhalb einer faserigen Region (Pixelwert 1) und auf halbem Weg zwischen zwei Randpunkten. Orte dieser Punkte können in anderen Schritten angepasst werden, wie weiter unten beschrieben.
Dann werden im Block 930 alle Fasermittelpunkte (Mittelpunkte auf allen generierten Linien) verarbeitet. Dieses Verfahren ist in 10 illustriert. 10 zeigt ein Verfahren, das sequentiell und individuell auf alle Fasermittelpunkte angewendet wird. Im Block 1005 wird ein Kreis auf dem Mittelpunkt generiert. Der Durchmesser dieses Kreises kann ein spezifisches Minimum der Fasergröße sein, eine vorgegebene Prozentsatz des Durchmessers einer Minimumfasergröße oder ein Prozentsatz der Länge einer Linie, welche die Randpunkte, die diesen Mittelpunkt festlegen, verbindet. Auf alle Fälle wird ein Kreis von kleiner Größe anfänglich generiert.
Im Block 1010 wird der Kreis in vorher festgelegten Schritten vergrößert bis sich Abschnitte des Kreises über die Ränder der Fasern hinaus erstrecken.
Dann wird im Block 1015 ein Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Kreis lediglich an einer Seite des Kreismittelpunktes überlappt oder an zwei Seiten des Kreismittelpunktes (das heißt: Überlappen einander gegenüberliegender Ränder der Faser). Tritt diese Überlappung nur an einer Seite auf, dann wird in Block 1020 der Mittelpunkt in eine Richtung bewegt, die von dem Überlappungsbereich wegführt. Zum Beispiel, Verwendung einer Linie, die den Kreismittelpunkt mit dem über den Rand hinaus sich erstreckenden Kreisbereich verbindet; Bewegung des Kreismittelpunkt über eine vorbestimmte Distanz in einer Richtung weg von dem Kreisbereich, der sich über den Rand erstreckt. Steuerung geht dann zurück an 1010.
Block 1025 wird erreicht, falls ein Überlappen der gegenüberliegenden Ränder (gegenüberliegende Seiten) der Faser auftritt. In Block 1025 wird ein alternativer Kreismittelpunkt festgelegt durch Verbinden der überlappenden gegenüberliegenden Abschnitte des Kreises mit einer Linie und durch Verwenden des Mittelpunktes dieser Linie als einen neuen alternativen Mittelpunkt.
In einem Ausführungsbeispiel können die Überlappungsabschnitte dargestellt werden als eine Vielzahl von Pixeln. Es werden Linien erzeugt, um die Pixel miteinander zu verbinden und zwar bei gegenüberliegenden Überlappungsabschnitten. Potenzielle alternative Kreismittelpunkte werden berechnet als die Mittelpunkte der Linien, die die einander gegenüberliegenden überlappenden Pixel verbinden, und der potenzielle alternative Mittelpunkt, der am weitesten von dem bestehenden Kreismittelpunkt entfernt ist, wird als alternativer Mittelpunkt ausgewählt.
Eine vorbestimmte Prozentangabe der Länge dieser Linie legt den alternativen Mittelpunkt als alternativen Kreisdurchmesser fest.
Im Block 1030 wird ein Test durchgeführt, um sehen zu können, ob die Linie, die die einander gegenüberliegenden Überlappungsabschnitte der Kreise durch oder in einer vorbestimmte Entfernung zu dem Mittelpunkt des Kreises hindurchgeht. Falls der Test positiv ausfällt, ist die Messkreismanipulation beendet und der Faserdurchmesser wird als Durchmesser für den Kreis ausgewählt. Anderenfalls wird in Block 1030 die Steuerung zurück an Block 1035 gegeben, um den Kreismittelpunkt auf den alternativen Mittelpunkt und den Kreisdurch messer auf den alternativen Kreisdurchmesser zu setzen, und die Steuerung geht zurück auf den Block 1010.
Zurück zu 9: nachdem alle Fasermittelpunkte verarbeitet worden sind und die Faserdurchmessergrößenkreise generiert, positioniert und größenmäßig eingestellt (10) sind, fährt das Verfahren in Block 940 fort. In Block 940 wird das modifizierte Bild in einem digitalen Medium gespeichert, einschließlich der generierten Faserdurchmesserkreise (Messkreise) und Fasermittelpunkte.
In Block 945 werden die berechneten Faserdurchmesser, Faserabstände (Abstände zwischen den Fasermittelpunkten) und Fasermittelpunktorte angezeigt. Des Weiteren kann eine Nachbearbeitung durchgeführt werden, um unkorrekte Messungen der Faserdurchmesser zu identifizieren und zu eliminieren. Die Nachbearbeitung kann automatisch durchgeführt oder interaktiv sein, wobei ein Benutzer Messungen identifiziert, die ignoriert werden sollen, indem durch Anklicken von Messkreisen auf dem Display (als Beispiel) unter Verwendung einer Ortsauswahleinrichtung, wie etwa ein Touchscreen, eine Maus oder ein Trackball. Die endgültigen Fasermessungsreportdaten können als Datendatei gespeichert werden oder aber direkt an ein Tool für weitere Berechnungen und Berichterstellung, wie zum Beispiel eine Tabellenkalkulation, geschickt werden. Berechnete Ergebnisdaten einschließlich Faserdurchmesser und Faserabstände können während des Berichterstellungsschrittes einer weiteren Analyse unterzogen werden, um so die Minimum-, Maximum-, Mittel- und Standard-Abweichungen der Faserdurchmesser und der Faserabstände zu berechnen. Es können des Weiteren Diagramme einschließlich eines Faserdurchmesserdiagramms (relative Frequenz gegen Faserdurchmesser) und Faserabstandverteilung (relative Frequenz gegen Faserabstand) für die gemessenen faserhaltiger Medien generiert werden.
Das Verfahren ist dann beendet.
Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung können die Verfahren gemäß der 9 und 10 wie folgt modifiziert werden. Ein Anwender kann interaktiv eine zu messende Faser auswählen durch einen Mausklick auf die Faser in einem auf einem Computer dargestellten Bild der Faser. Eine virtuelle Linie (Block 920, 9) kann dann generiert werden durch den Mausklick, um die Randpunkte der Faser (Block 925, 9) zu finden, und dann läuft das Verfahren weiter bei 930.
11A–11F
Die 11A–11F sind binäre Faserbilder, die das Verfahren der 9 und 10 gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern.
Es wird nun Bezug auf 11A genommen. 11A repräsentiert ein binärisiertes REM-ähnliches Bild, in welchem zwei Faserrandpunkte F1 und F2 berechnet worden sind (wie oben beschrieben für Block 925), Punkte, die auf der virtuellen Linie L1 liegen (wie oben beschrieben in Block 920). Ein Mittelpunkt C1 – wie in 930 oben berechnet – wird gezeigt.
In 11B wird ein erster Kreis CR1 um einen Mittelpunkt C1 gezogen. Dann wird ein größerer Kreis CR2 um den gleichen Mittelpunkt C1 gezogen, wie dargestellt in 1005 und 1010 der 10.
11C zeigt, wie der Kreis CR2 den Rand FR1 der Faser FIB1 überlappt oder darüber hinaus reicht. Daher wird ein neuer Mittelpunkt berechnet, und zwar in einer Richtung weg von der Überlappung (Block 1020 oben) und ein neuer Satz von Kreisen wird um diesen verschobenen Mittelpunkt gezogen.
11D zeigt eine weitere Progression von wachsenden Kreisen und verschobenen Mittelpunkten gemäß dem Verfahren von 1010, 1015 und 1012, wie weiter oben besprochen.
Die 11E zeigt größer werdende und verschobene Kreise, die schließlich gegenüberliegende Seiten (einander gegenüberliegende Ränder), einer Faser schneiden. Wie in 1025, 1030 und 1035, siehe oben, wird ein neuer Kreismittelpunkt CD1 berechnet, so dass der Kreis sich aufwärts entlang der Faser FIB1 zu dem Kreis CDR1 bewegt oder dort entlang läuft und vorteilhafterweise die Messkreise aus den Kreuzungspunkten zwischen den Fasern FIB1 und FIB2 herausbewegt werden. Die Möglichkeit der Verschiebung der Fasermesskreise weg von derartigen Faserkreuzspunkten ist ein Vorteil des hier offenbarten Verfahrens, da andererfalls das Belassen des Messkreises an der Faserkreuzung zu einer falschen Messung des Faserdurchmessers führen würde. CDR1 wächst um CD1 bis er eine oder beide Ränder schneidet, wie bereits besprochen.
Die 11F zeigt die weitere Progression der Messkreise gemäß dem Verfahren der 9 und 10. Wie in 11F gezeigt, sind Stopbedingungen in dem Testblock 1030 (oben) erfüllt, wenn überlappende Abschnitte des Kreises mit einer durch den Kreismittelpunkt verlaufenden Linie verbunden werden können.
12
Die 12 repräsentiert ein binärisiertes Bild mit Kreisen, die die Position und die Größe der gemessenen Fasern darstellen, produziert gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.
1–8
Die 1–8 beziehen sich auf ein anderes spezifisches Ausführungsbeispiel eines mittels eines Computers ausführbaren Verfahrens einer automatischen Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung von faserigen Medienproben, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
1 – Verfahren zur automatischen Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung von faserigen Medien
Das Verfahren beginnt in Block 105. In Block 110 werden Bilder, die die Faserverteilung in einem Filtermedium darstellen, zur Verfügung gestellt. Die Bilder können sein: XCT-Rohbilder von Proben flacher Filtermediumbögen, Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Bilder von wirklichen Filtermedien, oder alternativ können die Bilder virtuelle hoch auflösende REM-ähnliche Bilder sein, wie etwa Bilder eines Reflexionsmikroskops (RM) von virtuellen Fasermedienstrukturen, wie sie zum Beispiel generiert werden durch GeoDict_TM. Mit dem Ausdruck „Bilderstapel” in Block 110 meinen wir ein oder mehrere REM-artige Bilder in einem digitalen Bildformat, das geeignet ist für eine Computerbearbeitung. Beispiele für die Bilderformate sind JPEG, BMP, TIFF und andere, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. REM-Bilder sind hier zu verstehen als tatsächliche REM-Bilder oder REM-ähnliche Bilder von wirklichen faserigen Medien als auch virtuelle REM-Bilder von theoretischen faserigen Medien, wie zum Beispiel kreiert mittels GeoDict_TM und mittels anderer Software für die Modellierung faserige Medien.
In Block 115 werden aus einer Datei spezifischen Modellierungsparameter herausgelesen und an einen Computerbildschirm ausgegeben, sie werden von einem Benutzer bestätigt oder auch auf andere Art und Weise in das System eingegeben. Modellierungsparameter, die eingegeben werden können (zum Beispiel auf einem formatierten Eingabesbildschirm) enthalten die Bild-Eingabedateien (SEM-Bilddateistapel), und das Verzeichnis, in das die Ausgabedateien (wie Berichtdateien und Datendateien) einzutragen sind. Andere Parameter enthalten die Anzahl von Linien, die auf jedem Bild generiert werden sollen. Wie an anderer Stelle noch beschrieben werden wird, werden die Schnittpunkte der generierten Linien mit den Rändern (oder Kanten) der Fasern in den REM-Bildern verwendet, um die Faserabstände und -durchmesser zu berechnen. Andere Parameter enthalten die Auflösung der zur Verfügung gestellten REM-Bilder (z. B. in Mikrometer pro Pixel) sowie die maximal erwarteten Faserdurchmesser (z. B. in Mikrometer).
In Block 120 wird die Vorbearbeitung des nächsten Bildes des REM-Bildstapels ausgeführt. Die Bildvorbearbeitung wird detailliert in den Erläuterungen für die 2 weiter unten erklärt und ist daher hier nicht näher erläutert. Kurz gesagt, die Bildvorbearbeitung ist darauf gerichtet, die Qualität des Bildes zu verbessern, auf das die Faserbestimmungs-Algorithmen angewendet werden, um die Algorithmen und Verfahren der vorliegenden Erfindung zu verbessern und in einigen Fällen deren Anwendung zu ermöglichen.
In Block 130 wird die Linienerzeugung und die Bearbeitung ausgeführt. Block 130 repräsentiert verschiedene Blöcke, die ausführlicher behandelt und detaillierter im Zusammenhang mit 3 weiter unten beschrieben werden. Im Wesentlichen bezieht sich die Linienerzeugung und Bearbeitung auf die Erzeugung von Linien in Bildern und die Bestimmung der Faserkanten und Mittelpunkte.
In Block 135 werden die Faserabstandsberechnungen durchgeführt. Die Berechnungen werden durchgeführt, um den Abstand zwischen den Mittelpunkten der Fasern im Bild festzulegen. Die Fasermittelpunkte sind zuvor im Block 130 aus den Faserrandpunkten berechnet worden. Faserabstände sind diejenigen Abstände zwischen individuellen Fasern, bestimmt durch die Abstände zwischen Fasermittelpunkten für eine gegebene (die jetzt vorhandene) erzeugte Linie im Bild. Faserabstände können berechnet werden zwischen einzelnen Fasern und benachbarten Fasern, die durch die generierte Linie geschnitten werden. Ein Minimum, ein Maximum und eine Glockenkurvenverteilung können für die Faserabstandsverteilung in dem Medium berechnet werden.
Block 140 ist ein Zustandstestblock. Falls mehr Linien verbleiben, die bearbeitet werden müssen (erzeugt und verarbeitet), dann führt die Steuerung zurück zu Block 130 – Liniengenerierung/Bearbeitung. Die Blöcke 130 (Verfahren in 3 skizziert), 135 und 140 bilden eine programmatische Bedingungsschleife. Falls alle Linien bearbeitet worden sind, dann geht die Steuerung über zu Block 145.
Im Block 145 werden die Faserdurchmesser bestimmt unter Verwendung von Anwenderverfahren und Algorithmen der vorliegenden Erfindung. Die Faserdurchmesserbestimmung wird detailliert erläutert im Zusammenhang mit 4 weiter unten und wird daher hier nicht weiter beschrieben.
Block 150 ist ein Zustandstestblock. Falls mehr Fasermittelpunkte zur Bearbeitung für die Faserdurchmesserbestimmung übrig bleiben, dann geht die Steuerung zurück zu Block 145. Falls alle Fasermittelpunkte bearbeitet worden sind, dann geht die Steuerung auf Block 152 über.
Block 152 ist ein Zustandstestblock. Falls alle Bilder in dem SEM-Bildereingabestapel bearbeitet worden sind, dann geht die Steuerung über zu Block 155, anderenfalls geht die Steuerung zurück zu Block 120 zum Vorbearbeitungsschritt des nächsten SEM-Bildes vom Stapel. Die Blöcke 120 bis 152 formen eine programmatische Schleife, um Faserdurchmesser und die Beabstandung von allen zur Verfügung gestellten REM-Bildern zu bearbeiten.
Im Block 150 werden die Datenanalyse und die Visualisierung der Ergebnisse durchgeführt. Dies enthält ein Bild oder Bilder, die die erzeugten Kreise zeigen, die zum Messen der Faserdurchmesser verwendet worden sind. Berechnete Ergebnisdaten, einschließlich Faserdurchmesser und Faserabstände und die Berechnung der Minimum-, Maximum-, Mittel- und Standard-Abweichung von Faserdurchmesser und Faserabstände. Graphische Darstellungen werden erzeugt einschließlich einer Faserdurchmesserdarstellung (relative Frequenz gegen Faserdurchmesser) und Faserabstandsverteilung (relative Frequenz gegen Faserabstand) für die gemessenen faserigen Medien. Weitere Analysen und graphischen Darstellungen direkt in dem Computercode können erzeugt werden, oder können in ein programmierbares Berarbeitungs- und Report-Tool-Packet geladen werden, wie zum Beispiel Microsoft Excel_TM als ein Beispiel für ein Tabellenkalkulations-/Kalkulations-Tool. Daten können in das Bearbeitungs- und Report-Tool übertragen werden unter Verwendung bekannter Verfahren, wie zum Beispiel die programmatischen Methode, die oben beschrieben worden ist, in kommaseparierte varriable (CSV) Dateien oder durch Direktverbindung unter Verwendung von Verfahren, die von Tools unterstützt werden einschließlich Dynamic Data Exchange (DDE), SQL oder ODBC (Open DataBase Connectivity).
Bei Block 199 endet das Verfahren.
2 – Verfahrensschritte, die im Bildvorbearbeitungsschritt durchgeführt werden
2 repräsentiert den Block 120 der 1, der detaillierter gezeigt wird für ein klareres Verständnis und beginnt mit Block 210 von 2. Die Verfahrensschritte von 2 verwenden Bildmanipulationsverfahren, um die Qualität der eingegebenen Bilder (REM-Bilderstapel) zu erhöhen, mit denen der Faserdurchmesser-Bestimmungsalgorithmus der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Im Block 210 wird der Bereich des Interesses (BI) des Bildes ausgewählt. Der Bereich des Interesses kann ausgewählt werden als eine Teilmenge des REM-Bildes. In Block 215 wird der Bildkontrast automatisch eingestellt. In diesem Schritt wird das Bild analysiert und der Graustufenwertbereich der Pixels in dem Bild bewertet. Falls der Bereich nicht vollständig verwendet wird, werden die Graustufenwerte expandiert derart, dass die Grauwerte den erreichbaren Bereich ausfüllen, um dadurch den Kontrast des Bildes zu verbessern. Diese Verbesserung des Kontrastes ist vorteilhaft für die Bildanalyse.
Im Block 220 wird die Rauschreduktion des Bildes durchgeführt. Bei diesem Verfahrensschritt wird ein Mittelwert-bildender Filter verwendet. In einem Ausführungsbeispiel arbeitet dieser Mittelwert-bildende Filter auf einen 2×2 Block von Bilderpixeln zur gleichen Zeit, obwohl die ausgewählte Pixelmanipulationsgröße nicht limitiert ist. Das Mittelwert-bildende Filter wird benutzt, um das sogenannte digitale Rauschen des Bildes zu reduzieren. Mit digitalem Rauschen meinen wir Sprünge in der Intensität von aneinander angrenzenden Grau-Pixeln, die in dem REM-Eingabebild enthalten sind. Das Mittelwert-bildende Filter berechnet den mittleren Wert von jedem 2×2 Feld in dem Bild und ordnet diesen Mittelwert den vier Pixeln in dem 2×2 Pixel-Block zu. Dieser Vorgang wiederholt sich für alle Pixel in dem REM-Bild. Bevorzugt arbeitet das Mittelwert bildende Filter auf 2×2 Pixel-Blöcken. Diese begrenzte Größe reduziert Bildinformationsverlust aufgrund des Mittelwert-bildenden Prozesses.
Im Block 225 erfolgt die Binärisierung des Bildes, das bezüglich des Kontrastes eingestellt und in Bezug auf Rauschen reduziert ist. Das Grauwert-(Graustufen)-Bild ist binärisiert, was bedeutet, es ist konvertiert in ein Schwarz-weiß-Bild (2 Farbendarstellung). Dieses Verfahren enthält das Auffinden eines Schwellgraustufenwertes, der verwendet wird, um entweder eine binäre 0 oder eine binäre 1 allen Pixeln des Bildes zuzuordnen, und zwar in Abhängigkeit ihres Wertes unterhalb oder oberhalb des berechneten Schwellwertes. Die Bestimmung des optimalen Schwellwertes ist wichtig zum Hervorheben der Fasern in dem Bild vom Hintergrund. In der vorliegenden Erfindung wird der Schwellwert berechnet unter Verwendung des Otsu-Verfahrens, welches ein wohlbekanntes Schwellwertverfahren für die entsprechenden Fachleute auf diesem Gebiet ist. Das Otsu-Verfahren basiert auf einer sehr einfachen Idee: Finde den Schwellwert, der die gewichtete Streuung innerhalb der Klasse minimiert. Das ist das gleiche wie das Maximieren der Streuung zwischen den Klassen.
Bei Block 230 wird das binärisierte Bild bereinigt. In diesem Bereinigungsschritt untersucht der Computercode das binärisierte Schwarzweißbild und sucht nach unzusammenhängenden Bereichen von weißen Pixels. Diese Bereiche rühren meistens von Fasern im Hintergrund des Bildes her, die einen geringeren Graustufenwert (dunkler) im dem Originalbild aufweisen, und bilden auch kleine Bereiche mit höheren Graustufenwerten, wo sie nicht von Fasern des Vordergrundes abgeschattet werden. Da diese unzusammenhängenden Bereiche nicht repräsentativ sind für die wahre Fasergröße (Durchmesser und Länge), würden sie die erfassten Durchmesserresultate verfälschen und werden daher vom Bild entfernt, indem diese Regionen in schwarze umgewandelt werden (Fasern werden als weiße Bereiche dargestellt).
3 – Verfahrensschritte, die für die Linienerzeugung durchgeführt werden
3 stellt das Blockdiagramm 130 von 1 in vergrößerter Form zur detaillierteren Darstellung und für ein klares Verständnis dar und beginnt mit Block 310 von 3. Im Block 310 wird eine Linie virtuell über das binäre Bild gezogen. In einem früheren Schritt (bei 1, Block 115) wurde die Anzahl der zu ziehenden Linien auf dem Bild spezifiziert. Falls dies die erste oder die letzte Linie auf dem Bild ist, berücksichtigt der Computercode, dass die Linie zumindest die Größe des maximalen Faserdurchmesser (Parameter spezifiziert bei Block 115) weg von der oberen und unteren Grenze des Bildes haben muss. Die Anzahl der Linien, die auf dem Bild gezogen werden müssen, legt dann die gleichmäßig beabstandete Verteilung der Linien dazwischen fest.
Im Block 315 werden Pixels auf der Linie in dem binären Bild bearbeitet, um die Faserrand-(oder Kanten)-Punkte zu identifizieren. Kantenpunkten werden in der Linie identifiziert als Punkte entlang der Linie, wo der Pixelwert sich ändert von 0 auf 1 oder von 1 auf 0. Die Fasern in den Bildern werden dargestellt durch die weißen (Pixelwert = 1) Abschnitte der Linie.
Im Block 320 werden dann die Fasermittelpunkte als Mittelwerte zwischen jedem Paar von Faserkantenpunkten berechnet.
4 – Verfahren zur Bestimmung von Faserdurchmessern
Das Verfahren beginnt bei Block 405. Wie aus der 1 zu sehen ist, werden die Fasermittelpunkte individuell bearbeitet. Im Block 410 ist ein kleiner Kreis um den Fasermittelpunkt generiert worden. Bei Block 415 sind das Stop-Flag und das Verschiebungs-Flag beide entfernt worden (auf 0 gesetzt worden). Block 420 ist ein Zustandstestblock. Falls der Kreisdurchmesser geringer als der Maximumfaserdurchmesser ist (Parameter, der in 1, Block 115 eingegeben worden ist) und das Stop-Flag ist nicht vorhanden, dann geht die Steuerung zum Block 425 über, anderenfalls geht die Steuerung zu Block 435.
Bei Block 425 wird das Verschiebungs-Flag gesetzt (Wert auf 1 gesetzt), um zumindest einen Durchlauf sicherzustellen. Dann wird bei Block 430 der Kreisdurchmesser um eines vordefinierten Schritt vergrößert.
Block 435 ist ein Zustandstestblock. Falls das Verschiebungs-Flag gesetzt und das Stop-Flag entfernt ist, dann geht die Steuerung auf den Block 440 über, anderenfalls auf Block 420.
Im Block 440 ist das Verschiebungs-Flag gelöscht. Dann wird bei Block 445 ein Kreis mit dem Kreisdurchmesser um den Mittelpunkt diskretisiert oder generiert, und der Kreis wird als eine Variable abgespeichert.
Block 450 ist ein Zustandstestblock. Falls der Kreis einen Abschnitt aufweist, der die Maße des Bildes überschreitet (Bildgrenzen in X und Y zeigen den Kreis als zu groß an, um verwendet zu werden), dann geht die Steuerung zu Block 445, anderenfalls zu Block 460.
Im Block 455 ist das Stop-Flag gesetzt und die Steuerung geht zu Block 470 über.
Bei Block 460 (wird erreicht, falls der Kreis die Bildausmaße nicht überschreitet) wird das binärisierte Bild kopiert (gespeichert), und zwar als ein temporäres Bild. Dann werden im Block 465 die Kreispixel in dem temporären Bild auf weiß gesetzt (Pixelwert = 1).
Block 470 ist ein Zustandstestblock. Die Pixelsumme() stellt ein Computerausführungsverfahren oder Funktion dar, um die Summe der Pixel in einem Bild zu berechnen. Das ist die Summe von allen Bildpixeln. Als Beispiel, in Pascal könnte die Pixelsumme eines 600×600 Bildes berechnet werden als:
Im Block 470, falls die Pixelsumme() des temporären Bildes größer als die Pixelsumme() des Originalbildes (des binärisierten Bildes vor Setzen der Pixels auf weiß) ist, erstreckt sich dann der Kreis über die Kante der Faser, so dass die Steuerung zu Block 475 geht, anderenfalls zu Block 420 zurückkehrt, um den Kreis wachsen zu lassen.
Im Block 475 wird das Differenzbild diff.bild berechnet durch Subtrahieren des temporären Bildes von dem Bild, basierend auf Pixel zu korrespondierendem Pixel. Das Differenzbild enthält schwarze Pixel mit Ausnahme der Bereiche, in denen der Kreis sich über den Faserrand oder die Kante hinaus erstreckt. Diese Pixel sind weiß.
Im Block 480 werden die Anzahl der weißen Pixel und deren Koordinaten aus dem vorherigen Durchlauf abgespeichert, um nicht überschrieben zu werden. Dann wird im Block 485 die Anzahl der weißen Pixel und deren Position in dem neuen Differenzbild (Block 475) gespeichert.
Im Block 490 wird der derzeitige Mittelpunkt zu einem Stapel (oder Liste) der letzten 10 Mittelpunkte addiert.
Im Block 495 beginnt die Mittelpunkt-Beziehung. Die Mittelpunktversetzung wird gemäß 5 näher erläutert.
Der Block 499 beendet das Faserdurchmesserbestimmungsverfahren.
5 – Verfahren zur Versetzung des Mittelpunktes von Messkreisen
5 zeigt den Block 495 von 4, allerdings in einer erweiterten Version mit mehr Details für ein besseres Verständnis des Verfahrens. Das Verfahren beginnt bei Block 505.
Dann wird in Block 540 ein Test durchgeführt, um zu sehen, ob alle verbliebenen Pixel in dem Differenzbild (diff.bild) sich auf der gleichen Seite des Mittelpunktes befinden. Falls alle verbliebenen Pixels sich auf derselben Seite befinden, geht die Steuerung zu Block 545 über für die Mittelpunktbewegung, anderenfalls geht die Steuerung zu Block 550 für die Mittelpunktverschiebung.
In Block 545 wird die Kreismittelpunktbewegung durchgeführt. Block 545 ist in erweiterter Version in 6 gezeigt und wird im Zusammenhang mit 6 weiter unten beschrieben.
Block 550 führt das Mittelpunktverschiebungsverfahren 1 aus. Block 550 ist in erweiterter Version in 7 gezeigt und wird weiter unten im Zusammenhang mit 7 beschrieben.
Block 555 ist ein Zustandstestblock. Falls der Mittelpunkt bewegt worden ist, dann führt die Steuerung zu Block 560, anderenfalls zu Block 599.
In Block 560 wird ein Test durchgeführt, der bestimmt, ob weiße Pixel in dem diff.bild (Differenzbild) aus dem vorgehenden Lauf gefunden worden sind. Falls dieser Zustand erfüllt wird, dann geht die Steuerung zu Block 565, anderenfalls zu Block 599.
Der Block 565 führt die Mittelpunktverschiebung gemäß Verfahren 2 aus. Der Block 565 ist in erweiterter Version in 8 gezeigt und wird weiter unten im Zusammenhang mit 8 erläutert.
Block 599 beendet das Mittelpunktbeziehungsverfahren.
6 – Verfahren zur Messkreismittelpunktbewegung (mit demselben Durchmesser)
Dieses Verfahren führt die Messkreismittelpunktbewegung aus. Falls ein Abschnitt des Kreises sich auf nur einer Seite der Faser über die Außenseite der Faser erstreckt, dann muss der Mittelpunkt in eine bessere Position bewegt werden, und zwar wird der Mittelpunkt in Richtung des Faserzentrums verschoben.
Das Verfahren startet bei Block 605. Im Block 610 wird ein Test durchgeführt, um zu sehen, ob alle verbliebenen Pixel des derzeitigen diff.bild sich auf der rechten Seite des Mittelpunktes befinden. Falls dies stimmt, geht die Steuerung zu Block 620 über, anderenfalls aber zu Block 615. Im Block 620 wird der Kreismittelpunkt nach links um ein Pixel verschoben und das Bewegungs-Flag wird gesetzt.
Im Block 615 wird ein Test durchgeführt, um zu sehen, ob alle verbliebenen Pixel sich links vom Mittelpunkt befinden. Falls dies zutrifft, geht die Steuerung weiter zu Block 625, anderenfalls geht sie zu Block 635. Im Block 625 wird der Mittelpunkt nach rechts um 1 Pixel versetzt, und es wird das Bewegungs-Flag gesetzt.
Im Block 635 wird ein Test durchgeführt, um zu sehen, ob die verbliebenen Pixel sich oberhalb des Mittelpunktes befinden. Falls diese Bedingung zutrifft, dann geht die Steuerung zu Block 645, wo der Mittelpunkt in Richtung nach unten (zum unterer Bereich des Bildes) um ein Pixel bewegt wird, und es wird das Bewegungs-Flag gesetzt. Anderenfalls geht die Steuerung zu Block 630.
Bei Block 630 wird ein Test durchgeführt, um festzustellen, ob alle verbliebenen Pixel sich unterhalb des Mittelpunktes befinden. Falls diese Bedingung zutrifft, dann geht die Steuerung zu Block 640, und der Mittelpunkt wird in Richtung nach oben (aufwärts im Bild) um 1 Pixel bewegt, und es wird das Bewegungs-Flag gesetzt.
Block 699 beendet das Verfahren zur Messkreismittelpunktbewegung.
7 – Verfahren zur Verschiebung des Mittelpunktes (Verfahren 1)
In diesem Verfahren überlappt der Messkreis die Faserstruktur und der Überlappungsbereich (weiße Pixel) existiert auf mehr als einer Seite des Mittelpunktes.
Das Verfahren beginnt bei Block 705. Im Block 710 werden die weißen Pixel in dem derzeitigen diff.bild (Differenzbild des derzeitigen Laufs) separiert derart, dass sie sich entweder links oder rechts vom Mittelpunkt befinden.
Im Block 715 werden die Längen (Abstände) der Verbindungslinien zwischen den linken und rechten Pixeln berechnet (Abstände zwischen allen Pixelpaaren).
Im Block 720 wird ein Zustandstest durchgeführt, um die berechnete Pixelpaar-Distanz innerhalb eines Bereichs (a*Durchmesser < Länge < b*Durchmesser) zu bestimmen, um sicherzustellen, dass die Pixel dieses Paares sich in unterschiedlichen Vierteln des Kreises befinden, wobei anderenfalls die kürzeste Distanz ganz klar die Distanz zwischen zwei aneinander angrenzenden Pixels wäre. Ein beispielhafter Wert für b ist 0.95, da Abstände größer oder gleich dem derzeitigen Kreisdurchmesser nicht brauchbar sind, da der Kreisdurchmesser bereits größer als der Faserdurchmesser ist (wenn der Kreis die einander gegenüberliegenden Seiten der Faser überlappt). Die Variable a beträgt entweder 0.7 oder 0.9, und zwar in Abhängigkeit vom Durchmesser des Kreises. Für Kreisdurchmesser mit weniger als 15 Pixel wird der Wert 0.9 genommen, anderenfalls der Wert 0.7. Der Grund dafür ist, dass die Kanten der Fasern in dem binären Bild nicht glatt sind sondern rau und mit kleinen Höckern versehen. Mit einer unteren Grenze von 0.7 für kleine Kreise steigt die Wahrscheinlichkeit, dass der Algorithmus in derartige kleine Höcker migriert, welche oftmals eine Größe von einigen Pixeln aufweisen. Um diesen Zustand zu vermeiden, wird die untere Grenze für kleine Kreisdurchmesser angehoben.
Falls in Block 720 eine zufriedenstellende Pixeldistanz gefunden worden ist, dann wird Block 725 ausgeführt, um die Mittelpunkte der berechneten Verbindungslinien zu speichern und um die kürzeste Distanz zu speichern.
Im Block 730 werden die Abstände zwischen dem aktuellen (derzeitigen) Kreismittelpunkt und den neuen berechneten alternativen Mittelpunkten (von Block 720) berechnet. In Block 735 wird der entfernteste alternative Mittelpunkt (größte Distanz) gespeichert als der neue Kreismittelpunkt.
Im Block 740 wird der Kreismittelpunkt zurückgesetzt auf x*-gekürzte Distanz (von Block 730), und es wird das Sprung-Flag gesetzt. In diesem Block muss der Durchmesser des Kreises verringert werden, da der derzeitige Kreis zu groß ist (er überlappt beide Seiten der Faser). Ein geeigneter Wert für ·x· ist 0.75, welcher den Kreisdurchmesser auf 75% der kleinsten errechneten Distanz (Block 730) reduziert, um sicherzustellen, dass der Kreis für den nächsten Lauf vollständig innerhalb der Faserstruktur liegt.
Im Block 745 werden die Anzahl und Positionen der verbliebenen Pixel in dem Differenzbild (diff.bild) zurückgesetzt (gelöscht).
Das Verfahren endet bei Block 799.
8 – Verfahren zur Verschiebung des Mittelpunktes (Verfahren 2)
Das Verfahren beginnt bei Block 805. Im Block 810 werden die verbliebenen Pixel (weiße Pixel) in den derzeitigen und in dem vorherigen Differenzbild (diff.bild) unterteilt in solche, die sich links und in solche, die sich rechts vom Kreismittelpunkt befinden
Im Block 815 geht die Steuerung, falls sich Pixel links des Mittelpunktes des derzeitigen diff.bild befinden, zu Block 825, anderenfalls zu Block 820.
Im Block 820 geht die Steuerung, falls sich Pixel rechts des Mittelpunktes des derzeitigen diff.bild befinden, zu Block 830, anderenfalls zu Block 899.
Im Block 825 geht die Steuerung, falls sich Pixel rechts vom Mittelpunkt des vorherige diff.bild befinden, zu Block 835, anderenfalls zu Block 899.
Im Block 830 geht die Steuerung, falls sich Pixel links vom Mittelpunkt des vorherige diff.bild befinden, zu Block 835, anderenfalls zu Block 820.
Im Block 835 wird ein Verfahren durchgeführt ähnlich demjenigen, das in Zusammenhang mit Block 720 von 7 besprochen wurde. Bei diesem Schritt werden die Abstände zwischen Paaren von Pixeln (Pixel, die aus einem Pool von derzeitigen und vorherigen diff.bild ausgewählt wurden) berechnet, und das Paar mit dem geringsten Abstand, das die Kriterien (a*Durchmesser < Länge < b*Durchmesser) erfüllt, wird ausgewählt. Wiederum ist ein beispielhafter Wert für b 0.95, da Abstände größer oder gleich des derzeitigen Kreisdurchmessers nicht brauchbar sind, da der Kreisdurchmesser bereits größer als der Faserdurchmesser ist (da der Kreis einander gegenüberliegende Seiten der Faser überlappt). Die Variable a ist entweder 0.7 oder 0.9 in Abhängigkeit vom Durchmesser des Kreises, wie in Verbindung mit Block 720 beschrieben. Die Mittelpunkte der berechneten Verbindungslinien und die gekürzte berechnete Pixeldistanz (die die oben angegebenen Kriterien erfüllt) werden gespeichert.
Dann werden im Block 840 die Abstände zwischen den aktuellen (derzeitigen) Kreismittelpunkten und den neuen berechneten alternativen Kreismittelpunkten (Mittelpunkte für die Verbindungslinien) berechnet.
Im Block 845 wird der entfernteste alternative Mittelpunkt gemäß der berechneten Abstände ausgewählt, und der Punkt wird als neuer Kreismittelpunkt abgespeichert.
Im Block 850 wird der Kreisdurchmesser zurückgesetzt auf x*-gekürzte Distanz, worin ein geeigneter Wert für x 1.5 beträgt. Im Block 855 werden die Anzahl und Positionen der verbliebenen Pixel in dem derzeitigen Differenzbild (diff.bild) zurückgesetzt (gelöscht).
Das Verfahren endet bei Block 899.
13
Die 13 zeigt ein schematisches Diagramm eines auf Mikroprozessor basierenden Computersystems, das geeignet ist zur Ausführung der Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das System enthält einen Mikroprozessor 1305, der mit einem nichtflüchtigen Speichergerät 1310 kommuniziert, beispielsweise eine Festplatte oder ein anderer nichtflüchtiger Speicher. Ein Betriebssystem und ein ausführender Computercode, der die Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert, können in dem Gerät 1310 gespeichert werden, als auch Eingabebilddateien, Ausgabedatendateien, Berichte, und so weiter. Ein Display 1320 und eine Tastatur 1325 stellen dem Benutzer Eingabe/Ausgabe-Geräte zur Verfügung, die geeignet sind für eine menschliche Interaktion mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung. Das System kann auch eine zusätzliche Eingang/Ausgang-Einrichtung (Aux I/O) 1330 für die Kommunikation mit anderen externen Geräten, soweit benötigt, aufweisen. Arbeitsspeicher 1315 stellt Arbeitsspeicherplatz für das Mikroprozessor-basierte System zur Verfügung, um die Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen zu können.
Vorteilhafterweise stellen die Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Computer-ausführbares Verfahren zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums zur Verfügung, welches die Einschränkungen der Verfahren des Standes der Technik überwindet und welches die Notwendigkeit, einen Bediener die Fasern in einem SEM-Bild zählen zu lassen, eliminiert.
Vorteilhafterweise stellen die Verfahren der vorliegenden Erfindung ein brauchbares Werkzeug zur Verfügung für die Bestimmung der Fasergröße und Verteilung für die Modellierung von Filtermedien-Parameter, wie zum Beispiel Druckabfall und Staubkapazität während der Filter-Entwicklungsstufe.
Vorteilhafterweise erlauben die Verfahren der vorliegenden Erfindung die Steuerung der Qualität der Messung von Faserdurchmessern von virtuellen oder wirklichen faserigen Strukturen. Im Gegensatz zu den mathematischen Verfahren, die von anderen bei der Bildbearbeitung angewendet werden, verwenden die Verfahren der vorliegenden Erfindung Fasermesskreise, die auf das Bild oder die Bilder gezeichnet werden und mittels denen eine Person leicht sehen und bestimmen kann, ob die Berechnungen korrekt oder inkorrekt sind.
Vorteilhafterweise bewegen die Verfahren der vorliegenden Erfindung die Mittelpunkte der wachsenden Messkreise so lange, bis eine Position aufgefunden wird, in der der Kreis die Ränder der Fasern auf gegenüberliegenden Seiten trifft, die gewissermaßen mittels einer geraden Linie durch den Mittelpunkt verbunden sind. Des Weiteren berücksichtigt das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Tatsache, dass ein Startpunkt für die wachsenden Kreise in dem Bereich eines Querschnitts (oder einer Kreuzung) von Fasern liegen kann. Mit den hierin beschriebenen Techniken wird der Startpunkt aus diesem Bereich heraus bewegt, so dass inkorrektes Messen des Faserdurchmessers verhindert wird.
Obwohl die besten Modi zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, sind für die Fachleute auf dem Gebiet dieser Erfindung verschiedene alternative Konfigurationen und Ausführungen zur Durchführung der Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche leicht zu erkennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Hinds 1999 [0004]
- Dent (1999) [0005]
- Talbot et al. (2000) [0005]
- Ghassemieh et al. (2002) [0005]
- Luzhansky (2003) [0005]
- Zibari et al. (2007) [0005]
- Zibari et al. publizierten (2008) [0005]

Claims

Ein Verfahren zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums, mit den Schritten: Bereitstellen mindestens eines digitalen Bildes, das repräsentativ für dieses faserige Medium ist; Vorbearbeiten dieses Bildes, um die Bildqualität zu verbessern; Binärisieren dieses Bildes, um ein binärisiertes Bild zu erzeugen, das repräsentativ für die Struktur dieses faserigen Mediums ist; Generieren von virtuellen Linien auf diesem binärisierten Bild; Auflösen nach Faserrandpunkten auf jeder dieser generierten Linien; Auflösen nach Mittelpunkten als ein Mittelwert dieser Randpunkte auf jeder Faser; Berechnen der Faserbeabstandung aus diesen Fasermittelpunkten; Erzeugen und Vergrößern von Messkreisen um diese Fasermittelpunkte, bis die Kreise zumindest eine Faserkante schneiden; Repositionieren dieser Messkreise und Mittelpunkte, falls notwendig, zur Vermeidung von Faserkreuzungen, dann anschließende Größenänderung dieser positionsverschobenen Messkreise, damit diese einander gegenüberliegende Ränder schneiden; und Berechnen der Faserdurchmesser aus diesen Kreisen.
Das Verfahren nach 1, des Weiteren enthaltend: Darstellen jedes dieser digitalen Bilder, die diese Messkreise darauf gezeichnet aufweisen; und Interagieren mit einer Bedienperson, um dieser Bedienperson zu erlauben, Messkreise auszuwählen, die in den Faserdurchmesserverteilungsberechnungen zu ignorieren sind.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums, mit den Schritten: Bereitstellen mindestens eines digitalen Bildes, das repräsentativ für dieses faserige Medium ist; Vorbearbeiten dieses Bildes, um die Bildqualität zu verbessern; Binärisieren dieses Bildes, um ein binärisiertes Bild zu erzeugen, das repräsentativ für die Struktur dieses faserigen Mediums ist; Generieren von virtuellen Linien auf diesem binärisierten Bild; Auflösen nach Faserrandpunkten auf diesen generierten Linien; Auflösen nach Fasermittelpunkten als ein Mittelwert dieser Randpunkte für jede Faser; Berechnen der Faserbeabstandung aus diesen Fasermittelpunkten; Erzeugen und Vergrößern von Messkreisen um diese Fasermittelpunkte, bis die Kreise zumindest eine Faserkante schneiden; Versetzen dieser Mittelpunkte und Größenänderung der Messkreise derart, dass diese Kreise schneiden, aber sich nicht über die einander gegenüberliegenden Ränder dieser Fasern hinaus erstrecken; Repositonieren dieser Messkreise und Mittelpunkte, falls notwendig, um Faserkreuzungen zu vermeiden, dann anschließende Größenänderung der repositionierten Messkreise, damit diese einander gegenüberliegende Ränder schneiden; Berechnen der Faserdurchmesser aus diesen Kreisen; Speichern zumindest eines Bildes einschließlich dieser Kreise und dieser Mittelpunkte; und Abspeichern der berechneten Faserdurchmesser und Faserbeabstandungen.
Das Verfahren nach Anspruch 3, worin nach dem Repositionierungsschritt das Verfahren des Weiteren aufweist: Einstellen dieser Messkreise derart, dass Kreuzungspunkte auf einander gegenüberliegenden Seiten der Messkreise auf einer Linie liegen, die durch den Mittelpunkt dieses Kreises geht.
Das Verfahren nach Anspruch 3, worin diese Linien mit einem benutzerdefinierten einheitlichen Abstand generiert werden.
Das Verfahren von Anspruch 3, worin dieser Vorbearbeitungsschritt enthält: Einstellen des Kontrastes dieser digitalen Bilder; und Durchführen von Bildrauschreduzierung mit Hilfe eines Pixelmittelungs-Filters.
Das Verfahren nach Anspruch 3, worin der Binärisierungsschritt enthält: Festlegen eines Graustufenschwellwerts unter Verwendung von des Verfahrens nach Otsu; und Verwenden dieses Schwellwertes, um dieses Bild in ein binärisiertes Bild zu konvertieren, welches lediglich weiße und schwarze Pixelwerte aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 3, worin nach dem Binärisierungsschritt das Verfahren des Weiteren das Bereinigen dieses binärisierten Bildes enthält, um unzusammenhängende Bereiche, die nicht repräsentativ für die Fasergröße sind, zu beseitigen.
Das Verfahren nach Anspruch 3, worin der Repositonierungsschritt, falls der Kreis lediglich eine Kante der Faser schneidet, die Bewegung des Mittelpunktes in eine Richtung weg von diesem Randschnittpunkt beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 3, worin nach dem Schritt des Berechnens des Faserdurchmessers das Verfahren des Weiteren aufweist: Anzeigen jedes der digitalen Bilder, die diese Messkreise darauf aufgetragen aufweisen; und Interagieren mit einer Bedienperson, um dieser Bedienperson zu erlauben, Messkreise auszuwählen, die bei den Berechnungen der Faserdurchmesserverteilung zu ignorieren sind.
Ein Verfahren zur Bestimmung einer Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums, mit den Schritten: Bereitstellen zumindest eines digitalen Bildes, das repräsentativ für dieses faserige Medium ist; Vorbearbeiten dieses Bildes, um die Bildqualität zu verbessern; Binärisieren dieses Bildes, um ein binärisiertes Bild zu erzeugen, das repräsentativ für die Struktur dieses faserigen Mediums ist; Darstellen dieses Bildes, das repräsentativ für dieses faserige Medium ist, auf einem Displayterminal; Interagieren mit einer Bedienperson, um dieser Bedienperson zu ermöglichen, unter Verwendung eines interaktiven Ortsauswahleingabemittels zumindest eine zu messende Faser auszuwählen; für jede ausgewählte Faser: Generieren einer virtuellen Linie durch diese Faser an dem von der Bedienperson ausgewählt Ort; Auflösen nach Faserrandpunkten auf jeder dieser generierten Linien; Auflösen nach Fasermittelpunkten als einem Mittelwert für diese Randpunkte auf jeder Faser; Generieren und Vergrößern der Messkreise um diese Fasermittelpunkte, bis die Kreise zumindest einen Faserrand schneiden; Versetzen dieser Mittelpunkte und Größenänderung der Messkreise, so dass diese Kreise schneiden, aber sich nicht über die einander gegenüberliegenden Ränder dieser Fasern hinaus erstrecken; Repositionieren dieser Messkreise und Mittelpunkte, wenn es notwendig ist, um Faserkreuzungen zu vermeiden, und anschließende Größenänderung dieser repositionierten Messkreise, damit sie diese einander gegenüberliegenden Ränder schneiden; Berechnen der Faserdurchmesser aus diesen Kreisen; und Berichten dieser Faserdurchmesser an die Bedienperson.
Messverfahren zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines Filtermediums, wobei eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme des Filtermediums gemacht wird und diese Rasterelektronenmikroskopaufnahme in digitaliserter Form für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren zur Prozesssteuerung bei der Herstellung eines Filtermediums, wobei von einem hergestellten Filtermedium ein digitalisiertes Bild zur Verfügung gestellt wird, das digitalisierte Bild mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgewertet wird und durch Vergleich des Auswerteergebnisses mit einem Kennfeld der Prozess derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine gewünschte Faserdickenverteilung produziert wird.
Verfahren zur Prozessoptimierung bei der Herstellung eines Filtermediums, wobei von einem hergestellten Filtermedium ein digitalisiertes Bild zur Verfügung gestellt wird, das digitalisierte Bild mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgewertet wird und durch Variationen der Prozessparameter, wie z. B. Temperatur oder Druck bei einem Meltblown oder z. B. Lösungskonzentration oder Spannung bei einem Elektrospinningverfahren, das Herstellungsverfahren derart gesteuert oder geregelt wird, dass eine gewünschte Faserdickenverteilung produziert wird.
Ein computerlesbares Medium, auf welchem eine Vielzahl von ausführbaren Instruktionen gespeichert ist, die Instruktionen zur Ausführung der Schritte eines jeden der Patentansprüche 1 bis 12.
Ein Computersystem zur Bestimmung der Faserdurchmesserverteilung eines faserigen Mediums, mit: einem digitalen Computerprozessor; einer nichtflüchtige Speichereinrichtung, einschließlich eines Betriebssystems; eine Anzeigeeinrichtung, die in Verbindung mit diesem Computerprozessor steht; eine Eingabeeinrichtung für den Bediener; ein computerausführbarer Code, der sich auf dieser nichtflüchtigen Speichereinrichtung befindet und durch dieses Computersystem ausführbar ist, wobei dieser computerausführbare Code die Verfahren eines jeden der Ansprüche 1 bis 12 implementiert.