SimpleWare教程:纤维分析

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Simpleware 软件中包含许多有助于分析纤维数据的工具,主要用于理解取向分布和计算各种统计数据。本教程将展示无需单独进行图像分割的纤维分析核心功能。

数据来源:Simpleware 软件数据文件夹 FibreOrientation

1. 背景图像中心线

1.1 准备数据

打开 Fibres.sip 项目文件,3D 视图自动生成体积渲染模型

图1:Simpleware ScanIP 中生成的纤维材料体积渲染模型

1.2 由背景图像生成中心线

打开 Measurements — Centrelines — Create centrelines 工具,确认 Input 是 Active background (Fibres),设置捕捉纤维中心的阈值范围为 128-255。(对于中空纤维,可能需要一些前处理,例如使用 Laplacian of Gaussian 滤波器。)通过计算穿过单个纤维的体素乘以体素间距设置接近于纤维直径的 Feature diameter (mm) 参数。针对本例数据,该值设为 0.03。勾选 Isolated lines (fibres),显示 Pruning sensitivity、Joining angle threshold 和 Remove short lines 的设置选项,保持默认即可。依次点击 Create 和 OK。放大 3D 视图,应如下所示。

图2:代表纤维材料的孤立中心线

虽然中心线通常与纤维非常匹配,但少数纤维可能沿其长度方向有多个中心线,且少数中心线会穿过多根纤维。工具面板上和左下角 Centreline creation settings 的高级设置参数可用于微调由背景图像生成的中心线。一般,当纤维彼此贴近时,必须要通过 pruning 和 joining 参数调整平衡,生成比较好的整体结果。

1.3 评估纤维

生成代表每根纤维的中心线后,可以利用中心线统计选项分析纤维。不需要掩膜获取纤维表面就可以分析纤维取向、曲率和纤维长度。

1.3.1 快速评估纤维长度

点击 Measurements — Centrelines — Line length,Centrelines to use 选 All visible,Compute 选 Mean length,在面板中立即显示计算结果。

1.3.2 快速评估取向

点击 Measurements — Centrelines — Quick line statistics — Mean orientation vector,Centrelines to use 选 All visible 在面板中立即显示计算结果。

Quick line statistics 中也提供了其他分析中心线的选项。通过阈值工具对图像分割创建掩膜后,还可以分析纤维的横截面。

图5:Quick line statistics 的选项
1.3.3 评估每根纤维的取向

点击视图上方工具栏的 Centrelines statistics,自动显示生成的默认 Line orientation(Built-in) 统计模版中每根纤维的数据信息。点击 Template library… 可以自定义模版,数据可以通过右边的导出按钮以 CSV 文件导出。

1.4 生成简化纤维模型

创建简化的纤维模型可能有助于进一步的纤维建模,其中的纤维具有均匀直径,且没有直接从 CT 图像数据分割而存在的噪声和复杂性。这种类型的模型可以从先使用 Sweep centrelines 工具生成的中心线产生。

点击 Surface tools — General — Sweep centrelines,Centrelines to use 选 All visible,Tube type 选 Solid,中空纤维可以选 Hollow。设置 Radius (mm) 为 0.015,更改 Triangle size 为 Coarse,Cap ends 选 Rounded,点击 Apply。生成的简化模型可直接导出、转换成体积网格或转换为可进一步图像处理的掩膜。

图7:生成的纤维简化面模型

2. 纤维取向分析

这是一种无需生成代表每根纤维中心线,直接进行纤维取向分析的方法。通过检测背景图像中的局部梯度确定取向,从而为较低分辨率的数据生成结果。还能够提供取向分布图形和 3D 可视化的附加功能。

2.1 设置和运行分析

点击File — Open 重新打开 Fibres.sip 项目文件,将Dataset browser 下方的 Fibres 背景图像拖拽到 Analysis,选择 Create a fibre analysis,生成 Analysis 1 (Fibre orientation)。

在 Setup fibre analysis 面板,

点击 Image processing — Segmentation — Threshold,设置阈值范围位 128-255,点击 Apply生成一个掩膜,并将其拖拽到 Analysis 1。点击软件上方 Fibre analysis 菜单下的 Run analysis,完成后点击 OK 确认分析成功。

注:虽然运行取向分析不需要将图像分割为掩膜,但它能够限制纤维体积内进行取向分析的区域。避免了计算图像中其他区域的多余取向,还可以同时评估纤维体积。

2.2 数据统计、矢量和绘图结果

点击 Fibre analysis — Statistics,显示纤维取向统计的总结,如全局主取向、取向本征分析和全局取向张量等。(由于分析对象中有掩膜,输出的结果也包含体积和密度)

点击 Statistics 面板下方的 Plot… 打开 Fibre analysis statistics plots 对话框。

  • 在 Plot type 的下拉菜单选择需要绘制的图,如 Length of whole fibres histogram 等。
  • 点击 Update 呈现对应的图
  • 点击 Export… 可导出为 *.png 或 *.csv 文件

点击 Fibre analysis — Vectors,在 3D 视图的一角将出现一个黄色的主取向标志。在 Visualisation 3D view 的下拉菜单选择 Orientation vectors。Colour scheme 仍保持为 Angle to orientation,取向矢量和彩色标尺将在 3D 视图中可见。大多数的线条为蓝色(默认),说明它们与主取向是一致的。调整 Glyph density、Glyph scale 和 Vector width 滑块,每次变动后可以点击 Update 观察对矢量显示的影响。将 Glyph density 设置到最大、Glyph scale 最小、Vector width 最大可以清晰地查看全部纤维和基于局部取向的颜色。在掩膜体积内分析会有区域限制,具有较高曲率的纤维将沿长度方向改变颜色。

图11:显示所有纤维局部取向的紧密排列取向矢量

将 Visualisation 3D view 设置为 None,设置 Visualisation slice views 为 Orientation vectors,将只能调整 Glyph density 滑块。设置 Glyph density 在 80% 左右,点击 Update。设置 Colour scheme 为 Angle to Z axis。放大 ZY 2D 视图,滑动切片可观察到与纤维紧密匹配的取向矢量。那些与 Z 轴大致对齐的大部份为蓝色。

返回 Fibre orientation — Statistics,点击 Plot…。在 Plot type 中包含一些展示绘图的选项:

  • 选择 Angle to principal orientation histogram 并点击 Update 即可生成对应的直方图。有两个主峰表明材料具有两个彼此垂直的关键纤维取向,与关键取向呈 45 度的纤维较少。
  • 选择 Angle to image axis histogram,Axis 选 X 并更新,可观察到没有纤维紧贴 X 轴。
  • 选择 Orientation tensor components v image axis,Axis 选 X 并更新。观察到 ZZ 和 YY 张量始终很高,表明在整个纤维样品中有许多纤维在 是 Z 和 Y 轴的取向。ZZ 张量的凹陷对应于 YY 张量的峰值。这些描述了可以在切片视图和 3D 视图中验证的不同取向纤维层。XX 张量可始终忽略不计,即再次表明没有纤维紧贴 X 轴。
图13:纤维样品沿图像 x 轴的取向张量组成

基于分析中包含有阈值分割后的掩膜,Plot type 下拉菜单中也包含了 Fibre density v image axis 选项。可以查看沿不同图像轴方向纤维密度的变化。

3. 参考

Simpleware 软件内置教程 Tutorials — Materials and industrial engineering — Fibre analysis

 
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