程江娜 武書(shū)彬 李 擘

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510641)

圖像法分析廢紙漿中膠黏物和塵埃的研究

程江娜 武書(shū)彬 李 擘

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510641)

介紹了圖像法應(yīng)用于廢紙漿中膠黏物和塵埃檢測(cè)分析的基本理論,以及圖像分析軟件Spec&Scan在廢紙漿檢測(cè)應(yīng)用中的特點(diǎn),并以某造紙廠廢紙漿為原料,對(duì)漿中的膠黏物和塵埃進(jìn)行了檢測(cè)分析。檢測(cè)結(jié)果主要以灰度值來(lái)表征,通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法得到雜質(zhì)顆粒面積、個(gè)數(shù)及顆粒平均尺寸大小等數(shù)據(jù),由此對(duì)廢紙漿質(zhì)量及特點(diǎn)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

圖像法;膠黏物;塵埃

對(duì)廢紙漿中的雜質(zhì)進(jìn)行定量分析,是有效控制雜質(zhì)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)設(shè)備性能、提高紙漿質(zhì)量的前提。廢紙漿中常見(jiàn)的油墨、膠黏物、蠟等雜質(zhì),其特點(diǎn)各異,對(duì)應(yīng)的分析檢測(cè)方法也各不相同。

對(duì)膠黏物的檢測(cè),近年來(lái),得到較多認(rèn)可和應(yīng)用的是圖像分析法[1],特別是隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,獲取的圖像更加清晰、準(zhǔn)確,更易于后續(xù)軟件的統(tǒng)計(jì)分析。圖像分析法的應(yīng)用關(guān)鍵在于突出膠黏物顆粒與背景之間的對(duì)比,常采用一些方法進(jìn)行處理,以凸顯膠黏物顆粒的形貌,強(qiáng)化反差,如 Doshi濕紙頁(yè)法[2]、藍(lán)色染色法[3]和氧化鋁粉末-墨水法[4]等。其中,藍(lán)色染色法根據(jù)膠黏物中含有有機(jī)成分的特點(diǎn),將膠黏物顆粒染成藍(lán)色,與白色的漿片背景形成明顯的對(duì)比,該方法主要集中在壓敏膠膠黏物的檢測(cè)應(yīng)用[3]中;氧化鋁-墨水法則是利用膠黏物具有黏性的特點(diǎn),使膠黏物顆粒表面黏附一層白色的氧化鋁粉末,與染成黑色的抄片背景形成對(duì)照,該方法適用于多種膠黏物,應(yīng)用范圍尤為廣泛。

對(duì)于油墨的檢測(cè),最常用的是光學(xué)法,但是在生產(chǎn)實(shí)踐中,更注重的是漿料或者紙的外觀質(zhì)量,因此常通過(guò)檢測(cè)包括油墨及其他顏色較暗的雜質(zhì)在內(nèi)的含量,來(lái)評(píng)價(jià)漿料凈化的效果,即廢紙漿在生產(chǎn)中常用的檢測(cè)指標(biāo)——塵埃度。TAPPI標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)塵埃度的檢測(cè)是通過(guò)人工對(duì)比的方式實(shí)現(xiàn)的,受主觀性影響大,且效率較低[5-6],目前已較少使用。

鑒于膠黏物和塵埃已成為廢紙漿中的主要雜質(zhì),并且又都能夠應(yīng)用圖像法進(jìn)行檢測(cè)分析,特別是膠黏物,采取相應(yīng)的方式處理后,漿片表面只有黑白兩種顏色,能夠采用與塵埃相同的方法進(jìn)行分析。因此,美國(guó)Apogee Systems公司于近年來(lái)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用于廢紙漿分析的軟件——Spec&Scan,在視覺(jué)特性基礎(chǔ)上通過(guò)分析掃描圖像對(duì)漿料質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用軟件 Spec&Scan,以灰度值的大小作為具體檢測(cè)指標(biāo),對(duì)漿中的膠黏物和塵埃掃描后進(jìn)行定量分析,分別測(cè)定其在漿中的含量,對(duì)漿料的處理效果做出評(píng)價(jià)。其中,膠黏物的漿片處理方式與氧化鋁粉末-墨水法相似,參照由 V IOTH公司提出[7]、現(xiàn)已成為 TAPPI標(biāo)準(zhǔn)的白色涂布轉(zhuǎn)移紙涂層轉(zhuǎn)移法[8]。

1 圖像法應(yīng)用于廢紙漿檢測(cè)分析的理論前提

由于 TAPPI標(biāo)準(zhǔn)塵埃檢測(cè)方法中存在一些不足[5-6],Jordan等就儀器代替人工對(duì)塵埃檢測(cè)的可行性進(jìn)行了研究[9-10],結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用儀器如電腦等手段對(duì)塵埃檢測(cè)具有效率高和準(zhǔn)確性好的特點(diǎn)[11],但是在電腦仿真人工檢測(cè)過(guò)程中必須首先處理好兩個(gè)問(wèn)題:一是局部初始值 (Local thresholding)的確定;二是等效黑色面積 (Equivalent black area)的轉(zhuǎn)換。

Roland[12]研究認(rèn)為,人的肉眼在判定抄片上的斑點(diǎn)是否為塵埃時(shí),會(huì)與其周?chē)谋尘白霰容^,這個(gè)過(guò)程在使用軟件時(shí)可以通過(guò)設(shè)定局部初始值來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖1中,曲線 S表示的是漿片上沿著某條線不同位置處的背景的灰度值;L表示的是在對(duì)應(yīng)位置處界定塵埃點(diǎn)時(shí)所用到的具體判定值;M表示的是整體的平均灰度值;F表示的是設(shè)定的灰度初始值。判定抄片上的 a點(diǎn)、b點(diǎn)是否為塵埃點(diǎn)時(shí),要與各自附近的背景對(duì)比,即與曲線 S上對(duì)應(yīng)的灰度值比較,但實(shí)際的判定值是曲線L上對(duì)應(yīng)的灰度值,這就是人的肉眼判定的原理。如果電腦檢測(cè),最簡(jiǎn)單的方式是通過(guò)設(shè)定灰度初始值來(lái)實(shí)現(xiàn),即與M平行的直線 F,但 F的位置要在曲線 S最低點(diǎn)的下面,灰度值小于 F的判定為塵埃。

圖1 漿片反射率曲線與灰度初始值的關(guān)系[12]

采用 TAPPI標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)塵埃的過(guò)程中,人的肉眼在判定塵埃的面積時(shí),會(huì)參照標(biāo)準(zhǔn)表中各種尺寸的黑點(diǎn)對(duì)不同深淺的塵埃點(diǎn)做等效黑色面積的轉(zhuǎn)換,因此不同的人檢測(cè)的結(jié)果不同[12]。但用電腦軟件檢測(cè)塵埃時(shí),會(huì)將塵埃點(diǎn)分成最小掃描單位——像素,然后按照各像素點(diǎn)的尺寸和對(duì)應(yīng)的灰度值計(jì)算出塵埃的總的灰度值。如圖2中所示的兩個(gè)點(diǎn),尺寸大小和每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的灰度值各不相同,但最終的塵埃的總灰度值卻相同,這樣計(jì)算的結(jié)果就更為客觀和精確。

圖2 等效黑色面積轉(zhuǎn)換示意圖[12]

圖像法正是基于以上這兩點(diǎn),對(duì)漿中或紙中的塵埃和其他雜質(zhì)進(jìn)行分析檢測(cè)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原料

膠黏物檢測(cè)所用原料為廣東某廢紙制漿廠浮選前后的漿料,所用廢紙為混合辦公廢紙。

塵埃檢測(cè)所用原料為廣東某紙廠浮選后的廢紙漿,廢紙的配比為 55%MOW、35%ONP和 10%OMG。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與分析軟件

漿中膠黏物的篩分所用儀器為加拿大 Pulmac公司制造的 MS-B3型MasterScreen。

塵埃檢測(cè)所用漿片在標(biāo)準(zhǔn)抄片器上抄制。

膠黏物篩分后的漿片和塵埃檢測(cè)所用漿片均在ZQJ1-B-1加熱板中干燥,加熱板為陜西科技大學(xué)制造。

膠黏物和塵埃檢測(cè)所用軟件為美國(guó) Apogee Systems公司研發(fā)的 Spec&Scan,該軟件需要配合惠普掃描儀使用,能夠檢測(cè)到最小直徑為 0.043 mm或最小面積為 0.001 mm2的污點(diǎn) /塵埃。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 圖像法應(yīng)用于廢紙漿檢測(cè)分析的基本原理

圖像法檢測(cè)廢紙漿中的雜質(zhì)時(shí),其原理在于通過(guò)不同波段的光的反射來(lái)辨別雜質(zhì)的顏色以及形狀,實(shí)現(xiàn)對(duì)所認(rèn)定的雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析。不同的圖像分析軟件所具體采用的方式不同,以 Spec&Scan為例說(shuō)明如下。

針對(duì)廢紙漿中常見(jiàn)的幾種雜質(zhì)——油墨顆粒、纖維束和膠黏物顆粒的顏色和顆粒形狀各不相同的特點(diǎn),軟件 Spec&Scan借助型號(hào)為 ScanJet IIcx,3c或ScanJet IIcx,4c的惠普掃描儀,將紅、綠、藍(lán) 3個(gè)波段的光掃描得到的雜質(zhì)圖像信息按照式 (1)轉(zhuǎn)換為雜質(zhì)顆粒相應(yīng)的灰度值。

其中,a、b、c分別為顏色增益系數(shù)。當(dāng) 3個(gè)系數(shù)都為缺省值時(shí),圖像按照美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)成像,此時(shí),油墨粒子的灰度值最小,與膠黏物顆粒 (染成藍(lán)色時(shí))和纖維束的灰度值、以及纖維的灰度值有較大差異 (如表1所示),因此可以將油墨粒子區(qū)分出來(lái)。當(dāng)需要區(qū)分膠黏物顆粒 (藍(lán)色)和纖維束時(shí),調(diào)整顏色增益系數(shù)的大小,增強(qiáng)藍(lán)綠色或者黃色的效果,如:采用增強(qiáng)藍(lán)綠色設(shè)置時(shí),棕色纖維束的灰度值較之油墨點(diǎn)和膠黏物 (藍(lán)色)的灰度值要大,比紙漿纖維的灰度值要小,由此可以分辨出纖維束的尺寸和數(shù)量;當(dāng)采用增強(qiáng)黃色設(shè)置時(shí),棕色纖維束的灰度值最低,膠黏物 (藍(lán)色)的灰度值略小于紙漿纖維的灰度值,但比油墨點(diǎn)的要大,由此分辨出膠黏物顆粒 (藍(lán)色)的相關(guān)信息。

表1 掃描儀的掃描設(shè)置與雜質(zhì)成像之間的關(guān)系

對(duì)于雜質(zhì)的判定除了上述從灰度值的角度進(jìn)行,有時(shí)還需要結(jié)合顆粒形狀等因素綜合考慮。在Spec&Scan軟件中,應(yīng)用了偏心率作為另一個(gè)指標(biāo),對(duì)雜質(zhì)的形狀特征進(jìn)行判定,從而對(duì)雜質(zhì)的種類(lèi)作出綜合判定。

2.3.2 膠黏物檢測(cè)樣的制備方法

采用篩分方式處理將廢紙漿中的膠黏物分離出來(lái),該方法又稱(chēng)為膠黏物的“挑選”法[8],在 TAPPI標(biāo)準(zhǔn)[8]中有詳細(xì)描述,即:取絕干質(zhì)量為 20 g的漿料,在室溫、1%漿濃條件下用標(biāo)準(zhǔn)疏解機(jī)疏解 5 min;轉(zhuǎn)移到 Plumac篩分儀中篩分,篩板的篩縫為 0.15 mm或 0.10 mm,篩分出來(lái)的膠黏物顆粒經(jīng)自動(dòng)沖洗收集到專(zhuān)用的黑色濾紙上;表面覆蓋一張專(zhuān)用的白色涂布轉(zhuǎn)移紙,放入紙樣抄取器的加熱板中,在壓力 80 kPa和溫度 90℃條件下烘干 10 min;取出黑濾紙漿片,揭去表面的白色涂布轉(zhuǎn)移紙,放在壓力 100 kPa、流量 9.6 L/min的水流下沖洗,水噴頭與黑濾紙的距離為 180 mm,將其表面的沒(méi)有黏性的非膠黏物物質(zhì)沖洗掉,留在表面的就是黏附了白色涂布層的膠黏物顆粒;然后再在表面蓋上 1張有機(jī)硅涂層紙,放入加熱板中,相同條件下烘干 5 min;取出后用黑色油筆將表面沒(méi)有沖洗掉的非膠黏物雜質(zhì)小心地涂染成黑色,待用。

2.3.3 塵埃檢測(cè)樣的制備方法

按照 TAPPI相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[5]抄制 12張抄片,定量為200 g/m2,在加熱板中干燥。

3 結(jié)果與討論

3.1 膠黏物檢測(cè)的掃描特性及評(píng)價(jià)

3.1.1 膠黏物檢測(cè)的掃描設(shè)置

膠黏物檢測(cè)時(shí)主要設(shè)置項(xiàng)為灰度初始值的設(shè)定,在“掃描儀設(shè)置”(Scanner Setup)選項(xiàng)中選用手動(dòng)設(shè)置方式 (Manual Threshold Setting)。顏色深淺與灰度值之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,白色的灰度值(White)為 “255”,黑色的灰度值 (Black)為“0”,其他顏色按照由淺到深的順序?qū)?yīng)的灰度值依次降低。經(jīng)過(guò)篩分處理后的膠黏物漿片表面只有黑白兩種顏色,此處需要統(tǒng)計(jì)的是表面黏附了白色涂層的膠黏物顆粒的信息,因此選取 “反向成像”方式掃描成像,黑濾紙上的纖維經(jīng)過(guò)反向成像后灰度值為230～200之間,根據(jù)前述的圖像法相關(guān)理論,初始值 (Threshold)設(shè)定為 180,如圖3所示。

圖3 Spec&Scan設(shè)置選項(xiàng)

3.1.2 浮選前、后漿中膠黏物的評(píng)價(jià)

綜上所述，該科技德語(yǔ)語(yǔ)料庫(kù)選題貼合德語(yǔ)學(xué)習(xí)者實(shí)際情況，與傳統(tǒng)科技德語(yǔ)語(yǔ)料庫(kù)相比，分類(lèi)更為詳細(xì)，題材更為新穎，應(yīng)用性更強(qiáng)。但是由于技術(shù)問(wèn)題和團(tuán)隊(duì)制作者本身能力有限，該語(yǔ)料庫(kù)還有更大發(fā)展空間：一.擴(kuò)大選題范圍，囊括更多學(xué)科領(lǐng)域；二.建立線上語(yǔ)料庫(kù)，方便同學(xué)，同時(shí)開(kāi)放權(quán)限，歡迎更多有資質(zhì)的德語(yǔ)學(xué)習(xí)者進(jìn)行詞匯添加和修改；三.增加與主題相符的選文數(shù)量，讓同學(xué)從多角度分析當(dāng)今科技發(fā)展，擴(kuò)大德語(yǔ)閱讀量。

對(duì)浮選前、后抄制的膠黏物漿片進(jìn)行掃描檢測(cè),得到漿中膠黏物的個(gè)數(shù)和面積的統(tǒng)計(jì)值,由此算出浮選前、后膠黏物顆粒的平均尺寸分別為0.125 mm2和 0.130 mm2,也就是說(shuō),經(jīng)過(guò)浮選處理,漿中的小膠黏物顆粒得到了較多的去除,具體的去除情況可以從浮選前、后漿中膠黏物顆粒的具體分布看出。

為了便于分析,此處將漿中膠黏物的個(gè)數(shù)和面積轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值,即單位質(zhì)量漿中所含的膠黏物數(shù)量和面積,使不同流程所檢測(cè)的膠黏物含量值之間具有可比性。圖4、圖5為浮選前、后單位質(zhì)量漿中不同尺寸的膠黏物顆粒的面積和個(gè)數(shù)分布。從圖中可以看出,浮選后漿中 0.2 mm2以上尺寸大小的膠黏物面積比浮選前的要少,尤其是尺寸在 0.2～0.7 mm2和2～4 mm2之間的膠黏物面積減少的較為明顯,與此相對(duì)應(yīng),上述兩個(gè)尺寸范圍內(nèi)的膠黏物顆粒的個(gè)數(shù)也有對(duì)應(yīng)程度的減少。由此可以看出,在該廠的浮選工藝和浮選設(shè)備條件下,去除的主要是尺寸較小和部分尺寸略大些的膠黏物顆粒,對(duì)于尺寸過(guò)于細(xì)小的膠黏物顆粒的去除作用不大,這是該廠浮選處理的特點(diǎn)。由于不同廠家的設(shè)備和所采取的工藝條件不完全相同,因此對(duì)膠黏物顆粒具體的去除尺寸范圍和去除數(shù)量都有一定的差別。

3.1.3 浮選前、后漿中膠黏物含量的評(píng)價(jià)

浮選前后漿中膠黏物的含量變化可以通過(guò)換算另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)比較,即將檢測(cè)到的膠黏物面積和數(shù)量除以所有檢測(cè)面積得到單位面積膠黏物顆粒的面積和數(shù)量。在本實(shí)驗(yàn)中,浮選前、后漿中膠黏物含量從922.7 mm2/m2下降到 844.7 mm2/m2,由此可以推算出該浮選過(guò)程對(duì)膠黏物的去除效率。

或者也可以按照前述的換算方法換算為不同單位的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值,即浮選前、后漿中膠黏物顆粒的含量分別為 1137.83 mm2/kg和 1042.5 mm2/kg,數(shù)量分別為 1117個(gè) /kg和 1000個(gè) /kg。

兩種方法都可以表征漿中膠黏物含量的多少,僅是單位不同,由此膠黏物含量以及不同處理階段膠黏物含量的變化就更為直觀。

3.2 塵埃的掃描分析及評(píng)價(jià)

3.2.1 塵埃的掃描設(shè)置

3.2.2 塵埃的評(píng)價(jià)

掃描漿片得到的圖像結(jié)果如圖6所示。

從圖6的掃描圖像來(lái)看,漿片整體顏色較暗,里面的塵埃點(diǎn)較多,由于塵埃點(diǎn)的顏色深淺不一,很難與纖維區(qū)分,因此要設(shè)定一個(gè)判定時(shí)的界定值,也就是灰度初始值。此抄片的背景平均灰度為 167,平均灰度再降低 70為灰度初始值,能夠較好地區(qū)分塵埃和纖維,因此設(shè)定灰度初始值為 97,掃描所得數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7,由從原始數(shù)據(jù)換算后得到的標(biāo)準(zhǔn)值可以看出,此漿中塵埃量為 260.2 mm2/m2,塵埃個(gè)數(shù)為38223個(gè) /m2。

采取與上述膠黏物分析相同的方法,可以分析出漿中塵埃點(diǎn)的面積和數(shù)量的分布,比較不同處理單元處理前、后塵埃的相關(guān)信息,可以對(duì)漿料的凈化質(zhì)量及設(shè)備處理特點(diǎn)作出評(píng)價(jià)。

需要說(shuō)明的是,以上數(shù)據(jù)均是在最小檢測(cè)面積為0.001 mm2的條件下測(cè)得的,因此檢測(cè)到的膠黏物顆粒數(shù)量較多。根據(jù) TAPPI標(biāo)準(zhǔn),人的肉眼能看到的實(shí)際最小面積為 0.04 mm2,因此,也可以設(shè)定這個(gè)面積為最小檢測(cè)面積,對(duì)漿中的可見(jiàn)膠黏物顆粒進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié) 論

圖像分析法是仿真人的肉眼對(duì)漿中雜質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析的方法,借助了數(shù)碼和計(jì)算機(jī)技術(shù)之后,檢測(cè)更為準(zhǔn)確和高效。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,圖像分析法能夠針對(duì)雜質(zhì)的具體特征進(jìn)行檢測(cè)分析,使得該技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果更為精確,應(yīng)用性也更強(qiáng)。

圖像分析法對(duì)漿中膠黏物和塵埃的檢測(cè)主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)顆粒面積和個(gè)數(shù)來(lái)表征,量化了雜質(zhì)的含量。通過(guò)這些結(jié)果,可以對(duì)設(shè)備的性能和不同階段廢紙漿的凈化質(zhì)量及效率作出可靠的評(píng)價(jià),是目前較為準(zhǔn)確可行的檢測(cè)技術(shù)之一?？捎糜趯?shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和生產(chǎn)實(shí)踐中雜質(zhì)的控制等方面。

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Image Analysis of Stickies and D irt Count in Recycled Pulp

CHENG Jiang-na WU Shu-bin＊L IBo
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510641)

This paper introduced the theory of image analysis of stickies and dirt in recycled pulp,the characteristic of the software for image analysiswas presented.The statistic results of the particleswere indicated by grayscale value and the content of stickies and dirt countwere quantified based on the particle's size and area which can be used to evaluate the quality of the pulp from waste paper.

image analysis;stickies;dirt count

TS749+.7

A

0254-508X(2010)05-0005-05

程江娜女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:二次纖維高效利用新技術(shù)。

(＊E-mail:shubinwu@scut.edu.cn)

2009-11-24

(責(zé)任編輯:常 青)