Ученые Сколтеха разработали метод точного определения пористости волокнистых материалов по одному снимку

Исследователи из Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколковского института науки и технологий разработали новый метод определения пористости волокнистых материалов с использованием всего одного изображения, полученного с помощью обычного оптического микроскопа. Опробованный на 3D-печатных образцах способ позволяет быстро и точно оценивать пористость различных волокнистых материалов — от фильтров до композиционных материалов.

Алгоритм анализирует перспективные искажения и статистическое изменение толщины волокон в различных слоях материалов, что позволяет рассчитывать истинную объемную пористость со средней ошибкой всего в три с половиной процента. Этот подход значительно превосходит по точности традиционные методы, основанные на анализе 2D-изображений, и может найти применение в контроле качества материалов на производственных линиях в режиме реального времени, сообщает пресс-служба Сколтеха.

Волокнистые материалы широко используются в различных областях — от биомедицины и энергетики до акустической изоляции и композиционных материалов. Ключевой характеристикой, определяющей их механические свойства, проницаемость и эффективность, является пористость — доля объема, занимаемая пустотами между волокнами. Точное определение этого параметра традиционными методами требует сложного оборудования, такого как микротомографы, или трудоемких физических измерений.

Существующие методы анализа изображений, основанные на так называемой «цифровой пористости» (проценте открытой площади на 2D-снимке), часто дают значительные ошибки, до 50% и более, поскольку не учитывают трехмерность структур материалов и распределение волокон по глубине.

Чтобы решить эту проблему, ученые Сколтеха разработали принципиально новый подход, основанный на анализе перспективных искажений по единственному изображению. При съемке оптическим микроскопом расположенные в нижних слоях материала волокна выглядят тоньше из-за перспективного эффекта. Алгоритм статистически анализирует изменение видимой толщины волокон в зависимости от их яркости, которая уменьшается с глубиной, и на основе этих данных вычисляет глубину материала и истинную объемную пористость.

Разработанная методика включает три этапа — предварительную цифровую обработку изображений, определение волокон и их характеристик с помощью алгоритма Ridge Detection в программе Fiji и последующий расчет пористости на основе статистики распределения волокон по слоям. Простота реализации и возможность автоматизации делают метод перспективным для интеграции в системы технического зрения на производственных линиях для контроля качества в реальном времени. Низкая требовательность к оборудованию — достаточно обычного оптического микроскопа — открывает возможность широкого применения метода в научных исследованиях и промышленности.

«Наш метод решает фундаментальную проблему перехода от двумерного изображения к определению трехмерной структуры материала. Мы не просто считаем пиксели на поверхности, мы заглядываем вглубь материала, анализируя, как меняется видимая толщина волокон. Это позволяет с высокой точностью определять истинную пористость без дорогостоящего оборудования для 3D-реконструкции», — рассказал аспирант программы «Инженерные системы» Сколтеха Антон Бирюков.

«На мой взгляд, изобретательным аспектом работы было использование 3D-печатаных физических моделей волокнистого материала, благодаря которым было известно достоверное значение пористости, что не оставило никаких сомнений в надежности предложенного метода», — рассказал профессор Александр Корсунский, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования Сколтеха.

Результаты исследования опубликованы в журнале Measurement.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.