Home About Browse Search
Svenska


Characterisation of wood-fibre—based materials using image analysis

Wernersson, Erik L. G. (2014). Characterisation of wood-fibre—based materials using image analysis. Diss. (sammanfattning/summary) Uppsala : Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis agriculturae Sueciae, 1652-6880 ; 2014:99
ISBN 978-91-576-8146-1
eISBN 978-91-576-8147-8
[Doctoral thesis]

This is the latest version of this item.

[img]
Preview
PDF
4MB

Abstract

Wood fibres are the main constituent of paper and are also used to alter properties of plastics in wood-fibre—based composite materials. The manufacturing of these materials involves numerous parameters that determine the quality of the products. The link between the manufacturing parameters and the final products can often be found in properties of the microstructure, which calls for advanced characterisation methods of the materials.

Computerised image analysis is the discipline of using computers to automatically extract information from digital images. Computerised image analysis can be used to create automated methods suitable for the analysis of large data volumes. Inherently these methods give reproducible results and are not biased by individual analysts.

In this thesis, three-dimensional X-ray computed tomography (CT) at micrometre resolution is used to image paper and composites. Image analysis methods are developed to characterise properties of individual fibres, properties of fibre—fibre bonds, and properties of the whole fibre networks based on these CT images.

The main contributions of this thesis is the development of new automated image-analysis methods for characterisation of wood-fibre—based materials. This include the areas of fibre—fibre contacts and the free—fibre lengths. A method for reduction of phase contrast in mixed mode CT images is presented. This method retrieves absorption from images with both absorption and phase contrast. Curvature calculations in volumetric images are discussed and a new method is proposed that is suitable for three-dimensional images of materials with wood fibres, where the surfaces of the objects are close together.

Authors/Creators:Wernersson, Erik L. G.
Title:Characterisation of wood-fibre—based materials using image analysis
Alternative abstract:
LanguageAbstract
Swedish

Datoriserad bildanalys är att låta datorer analysera digitala bilder och räkna
fram olika egenskaper från dem. Användningen av datoriserad bildanalys
har fullständigt exploderat de senaste årtiondena och man finner nu avancerade
automatiska matematiska metoder, i allt från mobiltelefoner och kompaktkameror
till medicinsk utrustning.

Att låta datorer analysera bilder är praktiskt i många sammanhang – inte
minst när man har stora mängder bilddata, eller när det finns krav på objektivitet
och reproducerbarhet. Den bärande frågar är dock, hur konstruerar
man dessa automatiska metoder?

Syftet med denna avhandling är att ta fram automatiska bildanalysmetoder
för att karaktärisera enstaka träfiber och fiberstruktur i papper och
kompositmaterial. Träfibrer är de avlånga cellerna i trädens stammar. Deras
mekaniska egenskaper och dess längd- till bredd-förhållande på upp till
100 till 1 gör att de passar till många olika ändamål. Framförallt används de
till att tillverka papper men även till att förstärka plaster i så kallade plastträfiberkompositer.
Papper tillverkas i många olika kvalitéer, allt från toalettpapper
till högglansigt fotopapper. Skillnaden mellan dessa produkter
kan till stor del beskrivas genom egenskaper hos träfibrerna och dess fiberstruktur
i pappret. Dessa beror i sin tur på vilken råvara som har använts
och hur den har processerats.

Bildmaterialet som används är datortomografiska bilder (CT), eller snitt,
som beräknats fram från multipla röntgenprojektioner. I de flesta fall har
bildserier används som tillsammans bildar volymetriska bilder, tredimensionella
bilder av en volym. Upplösningen i bilderna är omkring en mikrometer,
vilket är tillräckligt högt för att formvariationer hos enskilda fibrer
ska kunna ses, inklusive dess längsgånde hålrum, kallat lumen. Samtidigt
är upplösningen sådan att tillräckligt stora områden kan avbildas för att ge
kunskap även om fiberstrukturen hos material.

Arbetet sträcker sig över ett stort område. Det innehåller metoder för
att simulera det brus eller de störningar som är vanligt förekommande hos
bildtagningsutrustningen. Med hjälp av simuleringarna går det att uppskatta
hur stora fel dessa störningar skapar i mätningarna. Faskontrast är ett viktigt
fenomen som gör att man kan avbilda material som är helt eller delvis
transparenta för ljus genom att utnyttja diffraktion. Högupplösta röntgenbilder
av papper och kompositer innehåller som regel både absorptions- och
faskontrast. En del av arbetet har bestått i att reducera faskontrasten i bilderna
för att kunna få fram absorptionen. Detta är viktigt dels för att kunna
använda bildanalysmetoder som är designade utifrån modeller som inte tar
hänsyn till fastkontrast, dels när man ska analysera enskilda snitt, eftersom utbredningen av faskontrasteffekterna kan påverka flera närliggande snitt.
Det faskontrastreducerande filter som presenteras baserar sig på avfaltning
av volymetriska tomogram.

Avhandlingen innehåller också metoder för att karaktärisera tvärsnitt
av fibrer och fördelningen av fiberorienteringar i material. Dessa kan användas
för att analysera tillverkningsprocesser och för att förfina mekaniska
modeller av papper. En viktig komponent i detta är en metod för att mäta
kontaktytorna mellan enstaka fibrer. Problemet är egentligen inte exakt lösbart
eftersom kontaktytan inte har någon distinkt röntgenabsorption, men
genom att definiera kontaktområdet med hjälp av en yta med minimal area
mellan fibrerna så erhålls en mycket hög precision.

Kurvaturer hos ytor är rotations- och translationsinvarianta egenskaper.
I avhandlingen presenteras en grupp av metoder som är mycket lämpliga att
använda på fiberbaserade material. De här metoderna störs mycket litet av
det faktum att fibrer ligger nära varandra, till skillnad från standardmetoderna
för att beräkna kurvatur i volymsbilder. Detta är viktigt framförallt när
man vill filtrera bort små variationer hos ytor som inte är viktiga. Träfibrer
har oundvikligen mycket variationer i ytan, som de får i de olika processtegen:
från stam till papper. CT-bilder har dessutom en del brus som ger ytor
ytterligare geometriska störningar. Det visas också att kurvaturegenskaper
är mycket användbara för att finna lumen som i sin tur kan användas för att
segmentera individuella fibrer.

En metod för att ta fram densitetsprofiler från borrkärnor av trä har
också utvecklats. Den baseras på tredimensionella bilder tagna med spiral-
CT i kontrast till tvådimensionella bilder som är den nuvarande standarden.
Avhandlingen innehåller också arbete kring att detektera fiberkluster i bilder
av kompositmaterial samt en jämförelse mellan olika metoder för att
jämföra fiberorientering i pappersark.

Den här avhandlingen visar att datoriserad bildanalys redan är ett användbart
verktyg för att karaktärisera enskilda fibrer och fibernätverk i papper
och kompositmaterial. En stor utmaning kvarstår i att ta fram material
för att verifiera nuvarande och framtida metoder och några förslag för hur
det kan göras diskuteras i avhandlingen.

Series/Journal:Acta Universitatis agriculturae Sueciae (1652-6880)
Year of publishing :14 November 2014
Depositing date:7 November 2014
Volume:2014:99
Number of Pages:115
Papers/manuscripts:
NumberReferences
I.E. L. G. Wernersson, M.N. Boone, J. Van den Bulcke, L. Van Hoorebeke and C. L. Luengo Hendriks, “Postprocessing method for reducing phase effects in reconstructed microcomputed-tomography data”, Journal of the Optical Society of America A (JOSA A), vol. 30, no. 3, pp. 455– 461, 2013
II.E. L. G. Wernersson, C. L. Luengo Hendriks and A. Brun, “Accurate estimation of gaussian and mean curvature in volumetric images”, in 3D Imaging Modeling Processing Visualization Transmission (3DIMPVT), Hangzhou, China, May 16-19, 2011, pp. 312–317
III.E. L. G. Wernersson, C. L. Luengo Hendriks and A. Brun, “Robust and unbiased curvature of isophote surfaces in volumetric images”, manuscript
IV.E. L. G. Wernersson, C. L. Luengo Hendriks and A. Brun, “Generating synthetic µCT images of wood fibre materials”, in Proceedings, 6th International Symposium on Image and Signal Processing and Analysis (ISPA), 2009, pp. 365–370
V.E. L. G. Wernersson, A. Brun and C. L. Luengo Hendriks, “Segmentation of wood fibres in 3D CT images using graph cuts”, in Proceedings, Image Analysis and Processing, (ICIAP), ser. Lecture Notes in Computer Science, P. Foggia, C. Sansone and M. Vento, Eds., vol. 5716, Springer Berlin / Heidelberg, 2009, pp. 92–102
VI.E. L. G. Wernersson, S. Borodulina, A. Kulachenko and G. Borgefors, “Characterisations of fibre networks in paper using computed tomography images”, Nordic Pulp & Paper Research Journal (NPPRJ), vol. 29, no. 3, pp. 468–475, 2014
VII.T. Joffre, A. Miettinen, E. L. G.Wernersson, P. Isaksson and E. K. Gamstedt, “Effects of defects on the tensile strength of short-fibre composite materials”, Mechanics of Materials, vol. 75, pp. 125–134, 2014
VIII.T. Linder, T. Löfqvist, E. L. G.Wernersson and P. Gren, “Light scattering in fibrous media with different degrees of in-plane fiber alignment”, Optics Express, vol. 22, no. 14, pp. 16 829–16 840, 2014
IX.J. Van den Bulcke, E. L. G. Wernersson, M. Dierick, D. Van Loo, B. Masschaele, L. Brabant, M.N. Boone, L. Van Hoorebeke, K. Haneca, A. Brun, C. L. Luengo Hendriks and J. Van Acker, “3D tree-ring analysis using helical X-ray tomography”, Dendrochronologia, vol. 32, no. 1, pp. 39–46, 2014
Place of Publication:Uppsala
Publisher:Centre for Image Analysis, Swedish University of Agricultural Sciences
ISBN for printed version:978-91-576-8146-1
ISBN for electronic version:978-91-576-8147-8
ISSN:1652-6880
Language:English
Publication Type:Doctoral thesis
Full Text Status:Public
Agris subject categories.:K Forestry > K50 Processing of forest products
U Auxiliary disciplines > U10 Mathematical and statistical methods
Subjects:(A) Swedish standard research categories 2011 > 1 Natural sciences > 102 Computer and Information Science > Computer Vision and Robotics (Autonomous Systems)
(A) Swedish standard research categories 2011 > 2 Engineering and Technology > 202 Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering > Signal Processing
(A) Swedish standard research categories 2011 > 4 Agricultural Sciences > 401 Agricultural, Forestry and Fisheries > Forest Science
Agrovoc terms:image analysis, digital image processing, fibres, wood, paper, composite board, tomography, imagery, ultrastructure, simulation
Keywords:image analysis, wood fibres, paper, wood-fibre-based composites, micro-computed tomography, curvature, phase contrast, microstructure
URN:NBN:urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2207
Permanent URL:
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2207
ID Code:11634
Faculty:S - Faculty of Forest Sciences
Department:(S) > Centre for Image Analysis
External funders:EU FP6 and Stiftelsen Gunnar Sundblads Forskningsfond
Deposited By: Erik L. G. Wernersson
Deposited On:07 Nov 2014 11:43
Metadata Last Modified:02 Dec 2014 11:09

Available Versions of this Item

  • Characterisation of wood-fibre—based materials using image analysis. (deposited 07 Nov 2014 11:43) [Currently Displayed]

Repository Staff Only: item control page

Downloads

Downloads per year (since September 2012)

View more statistics

Downloads
Hits