皮革胶原纤维编织结构的全景可视化数字模型构筑研究

By three-dimensional reconstruction techniques of micro-computed tomography (MCT) and microscopic digital visualization (MDV), construction methods on panoramic visualization model (PVM) of leather fiber braided structure will be studied on two selected typical parts from wet blue leather of both back and ventral margin. On basis of in-depth exploration of the braided rules, conversion method from PVM to mathematic PVM (M-PVM) will be established. Furthermore, nonlinear topological transformation method of plane and spatial images based on MCT will be developed. The method will be able to automatically topological transform MDV images with different resolution to the matched original MCT images. To ensure the calibration parameters and optimized experiment condition of MDV, calibration method in-between MCT and MDV will also be built up. The method will enhance resolution of PVM from 150 nm of MCT to 10 nm of MDV, realizing the reconstruction limit of leather fiber braided structure. Finally, the cross-section image of fiber margin by virtue of GVF Snake extraction method and matching method of wavelet transform and compression sensing of fiber sequences on will be explored. Specific program for three-dimensional reconstruction of collagen fibers by Open GL will be studies as well. The established methods of this project are expected to clearly exhibit the leather fibers from original structure to macrostructures and reveal the weave rules hidden behind.

借助显微X射线断层扫描（MCT）、显微数字可视化（MDV）两种三维重构技术，选取牛皮蓝湿革脊背、边腹两个典型部位样品，研究皮革纤维编织结构的全景可视化模型（PVM）构建方法；在深入探讨纤维编织规律的基础上，建立PVM模型转化为数学模型(M-PVM)的方法；开发以MCT为基准的平面和空间图像非线性拓扑变换配准方法，将不同分辨率的MDV图像自动拓扑变形，复原为MCT匹配图像，建立MCT模型对MDV模型的校准方法，确定校准参数和MDV法优化实验条件，将PVM分辨率从MCT法的150nm提高到MDV法的10nm，实现皮革纤维编织结构的极限重构；探索截面图像纤维边界的GVF Snake提取法，以及纤维序列截面的小波变换和压缩感知匹配衔接方法，并利用OpenGL等工具开发胶原纤维结构三维重构专用程序。项目研究建立的方法，将把皮革纤维三维网络从初原结构到宏观结构清晰地展示出来，并揭示蛰伏其中的编织规律。

从材料学角度看，皮革是一张以胶原纤维编织成的三维网络为基本架构，辅之以鞣剂、复鞣剂、加脂剂、着色剂等构成的复合基底材料，表面涂覆了一层高分子成膜剂。胶原纤维网络是皮革的结构基础，对力学、保型、卫生等关键性能起着决定性作用，因此，确定这个纤维网络的准确结构，对于皮革领域的科学研究，及其生产技术开发具有重要意义。.本项目借助显微X射线断层扫描（MCT）技术，选取牛皮蓝湿革脊背、边腹两个典型部位样品，系统探索了皮革纤维MCT断层扫描成像的优化条件，研究了扫描图像的降噪、分割与三维重构方法；深入研究包埋对MCT图像的影响，优化包埋条件，校正成像参数，对包埋引致的皮革样品空间尺寸的缩放进行了初步研究，获得了包埋前后几何参数的变化规律。探索截面图像纤维边界的GVF Snake提取法，以及纤维序列截面的小波变换和压缩感知匹配衔接方法，并利用OpenGL等工具开发胶原纤维结构三维重构专用程序，开发了一组计算机图像智能化处理算法，获得了皮革纤维束的三维形态图。后续将进一步探索三维模型经过特征提炼、拟合获得胶原纤维网络结构的数学模型，研究将PVM模型转化为数学模型（M-PVM）的方法，进一步揭示皮革纤维三维网络从初原结构到宏观结构的编织规律。.在项目执行期间取得丰富的成果，包括：发表SCI论文9篇，Under reviewing状态下的SCI论文3篇。其中于皮革领域的顶级期刊JALCA、JSLTC发表SCI论文3篇，于JACS发表论文1篇；授权发明专利6件 PCT专利3件；参加国际会议1次、国内3次，其中口头报告2次；培养2人次获国家奖学金、山东省优秀硕士论文3篇、山东省研究生优秀成果奖2项；项目负责人李天铎荣获第五届山东省优秀研究生导师称号，作为负责人获得山东省外专双百项目1项，获济南市科研创新团队项目1项，专利作价入股710万元，获融资项目2项；项目主要成员华玉爱副教授开发软件1个。