基于序列深度显微图像的非织造滤材三维结构重建

批准号:
61771123
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
王荣武
依托单位:
学科分类:
F0116.图像信息处理
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐步高、侯珏、周金凤、余灵婕、洪津津、韩子叶、叶文丽
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中文摘要
非织造过滤材料的结构决定其性能,然而材料中纤维相互缠绕、层叠形成的三维孔隙非常复杂,难以准确表征。本项目利用同视野序列深度光学显微图像,采用表层可探测区真实三维重建与内部模型重建相结合的方法,探索非织造过滤材料完整“蚁穴”孔隙三维重建解决方案。项目提出了纤维“切片”再重组的构思:将多层序列图像融合成二维,对纤维目标进行切片后再投影回各自的深度,得到纤维中轴线完成纤维三维重建。研究将从融合图像纤维分割、One-to-Many投影、纤维重建模型、过滤性能分析等方面展开,重点解决细长弯曲纤维不同位置在空间的唯一深度测算,以及纤维质点生长模型的数值解等问题,拟形成直接可用的非织造过滤材料三维孔隙完整结构进行滤材过滤性能分析。预期研究成果将为非织造材料三维结构真实重建奠定理论基础,为多孔隙复杂材料的结构分析提供新思路,为有害颗粒物精确拦截,空气过滤材料设计、生产、使用等应用领域提供数据支持。
英文摘要
Nonwoven is a filtering material essential for many industrial and medical applications. The filtering performance of nonwoven is mainly dictated by its structure. However, fibers in a nonwoven structure are spatially entangled, twisted and overlapped, forming an extremely complex porous assembly which makes it difficult to express and measure three-dimensional (3D) porosity. This project will utilize the sequential microscopic nonwoven images captured at the same (x, y) position but varying depth positions to detect well-focused surface pixels at all registered depths, and then to reconstruct the 3D model of the nonwoven revealing its “antpile” like porous structure for porosity analysis. We will propose a new “fiber-slicing” algorithm for 3D reconstruction, which takes four major steps: (1) image fusion to generate a fully focused image from the microscopic image sequence; (2) image segmentation to separate fibers in the fused image; (3) One-to-Many projection to generate data clouds by recovering pixels’ depth information; and (4) fiber particles to reconstruct a 3D surface image (model) of all data clouds. The 3D model will precisely represent the complete structure—both fibers and holes—of a nonwoven, and enable the comprehensive analysis of nonwoven’s porosity and filtering performance. The expected outcomes of this research will lay a theoretical foundation for high-fidelity reconstruction of 3D nonwoven structures, and provide a new approach for structural analysis of complex porous materials, and supply data support for better understanding of how a new air-filtering nonwoven captures and retains harmful particles.
本项目利用全自动光学显微镜获取的多聚焦序列图像为基础对非织造过滤材料进行三维重建。采用全自动显微镜、工业相机与多焦面序列图像采集软件,建立了一套显微序列图像采集系统。在此基础上通过清晰度判定与聚焦测距技术(DFF),获取序列图像上相应的清晰聚焦纤维,并提取其对应深度信息。随着项目研究的深入,将这一思路进一步优化,引入了卷积神经网络来进行对序列图像上清晰纤维进行提取。由于纤维材料与卷积神经网络常见的识别场景大有不同,为了获得对于非织造纤维更好的适应能力,制作了由非织造纤维构成的训练集来对网络进行训练,并不断改进网络架构,由此实现了更为精准的三位重建模型。.本研究对非织造材料的三维重建进行了研究,并且结合卷积神经网络技术与聚集测距技术(DFF)得到了较为不错的结果,且最终测得的纤网结构信息准确,为有害物的拦截、滤材的制备以及对过滤机理的研究都有非常重要的意义。
期刊论文列表
专著列表
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会议论文列表
专利列表
3D structure design and simulation for efficient particles capture: The influence of nanofiber diameter and distribution
有效捕获颗粒的 3D 结构设计和模拟:纳米纤维直径和分布的影响
DOI:10.1016/j.mtcomm.2020.100897
发表时间:2020-06
期刊:Materials Today Communications
影响因子:3.8
作者:Wu Jiajun;Akampumuza Obed;Liu Penghong;Quan Zhenzhen;Zhang Hongnan;Qin Xiaohong;Wang Rongwu;Yu Jianyong
通讯作者:Yu Jianyong
Convolutional Neural Network for Extracting 3D Point Clouds of Fibrous Web From Multi-Focus Images
用于从多焦点图像中提取纤维网 3D 点云的卷积神经网络
DOI:10.1109/access.2020.2993625
发表时间:2020
期刊:IEEE Access
影响因子:3.9
作者:Hou Jue;Ouyang Wenbin;Xu Bugao;Wang Rongwu
通讯作者:Wang Rongwu
DOI:10.1016/s1001-6058(16)60801-6
发表时间:2017-12
期刊:Journal of Hydrodynamics
影响因子:2.5
作者:Liang Zhi-yong;Wei Liang;Lu Jing-yu;Qin Xiao-hong
通讯作者:Qin Xiao-hong
Analyzing the effect of nanofiber orientation on membrane filtration properties with the progressive increase in its thickness: a numerical and experimental approach
随着膜厚度的逐渐增加,分析纳米纤维取向对膜过滤性能的影响:数值和实验方法
DOI:10.1177/0040517519855316
发表时间:2020-01-01
期刊:TEXTILE RESEARCH JOURNAL
影响因子:2.3
作者:Akampumuza, Obed;Xu, Huilin;Qin, Xiaohong
通讯作者:Qin, Xiaohong
Textile Fiber Identification Using Near-Infrared Spectroscopy and Pattern Recognition
使用近红外光谱和模式识别进行纺织纤维识别
DOI:10.1515/aut-2018-0055
发表时间:2019-05
期刊:Autex Research Journal
影响因子:1.1
作者:Zhou Jinfeng;Yu Lingjie;Ding Qian;Wang Rongwu
通讯作者:Wang Rongwu
基于分层切片的静电驻极非织造滤材三维过滤模型
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:57万元
- 批准年份:2021
- 负责人:王荣武
- 依托单位:
基于多源点扩散耦合边界的纤维多层显微图像融合
- 批准号:61172119
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:王荣武
- 依托单位:
国内基金
海外基金
