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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2020

研究論文

樹脂複合材料における X 線 CT3 次元像の二値化閾値設定方法の考案
吉 田 陽 子 * 1 、 中 西 裕 紀 *2 、 福 岡 修 * 3 、 杉 本 貴 紀 *1 、 村 瀬 晴 紀 * 4

Method of Threshold Setting for X-Ray CT 3D Image ofResin Composite Material
Yoko YOSHIDA *1 , Yuki NAKANISHI *2 , Osamu FUKUOKA *3
Takanori SUGIMOTO *1 and Haruki MURASE * 4
Research Support Department *1 ~4
樹 脂 複 合 材 料 の X 線 CT3 次 元 像 に お い て 、 輝 度 値 の ヒ ス ト グ ラ ム が 構 成 成 分 ご と に 分 離 さ れ ず 、 二 値化 の 閾 値 設 定 が 困 難 な 場 合 に 、 他 の 観 察 画 像 か ら 算 出 し た 各 構 成 成 分 の 面 積 割 合 を 用 い て X 線 CT3 次 元像 の 閾 値 を 設 定 す る 方 法 を 考 案 し 、 そ の 妥 当 性 に つ い て 検 討 し た 。 試 料 に 、 X 線 CT3 次 元 像 で 閾 値 を 容易 に 決 め ら れ る ガ ラ ス 繊 維 強 化 樹 脂 (GFRP)を 用 い て 、 走 査 電 子 顕 微 鏡 (SEM)像 か ら 算 出 し た 閾 値 と 比 較した結果、両者の閾値がほぼ一致した。従って、考案した閾値設定方法は妥当性が高いと確認できた。

1. はじめに黒に分ける手法)を行うと、画像内で複合材料を構成す樹脂複合材料は、母材の樹脂に強化材となる材料を組る成分ごとに分けることができる。輝度値のヒストグラみ合わせ、樹脂に優れた物性を付与した材料である。代ムの縦軸は、3 次元像のボクセル数であるため、二値化表的な樹脂複合材料として、繊維強化樹脂である炭素繊を行えば樹脂複合材料の構成成分の体積割合が分かり、維強化樹脂(CFRP)や GFRP が挙げられる。樹脂に含まそこから繊維の分布・配向などの構造情報を得ることがれる繊維の分布・配向といった内部構造が強度などの物可能となる。ところが CFRP などの母材と強化材の組性に影響を与えることが知られており、その評価方法に、成が近い樹脂複合材料においては、X 線 CT3 次元像のX 線を透過させて内部を調べる X 線 CT が使用されるこ

コントラストが弱く、輝度値のヒストグラムでは明瞭にとが多い。通常の X 線 CT 画像解析の流れを図 1 に示

樹脂と強化材が 2 つに分離されない。そのために、閾値す。X 線 CT 測定は、試料を回転させ、透過像の連続撮の少しの変化で二値化画像が大きく異なり、二値化の閾影データを得る。そして透過像から再構成を行い、X 線値を客観的に設定することが難しいという課題がある。

CT3 次元像を構築する。X 線 CT3 次元像では、材料の本研究では、このような課題を解決するために、明瞭組成ごとに異なる X 線の透過度が画像の輝度値(例 256なコントラストが得られる他の観察画像を用いて構成成階調;8bit)に表れる。その輝度値の分布を表すヒストグ分の面積割合を算出し、それを用いて X 線 CT3 次元像

ラムで閾値を決めて二値化処理(画像内で 2 成分を白・の二値化閾値を設定する方法を考案した。また、その方

図1*1

通常の X 線 CT 画像解析の流れ(材料:CFRP)

共同研究支援部 計測分析室 *2 共同研究支援部 計測分析室(現あいちシンクロトロン光センター) *3 共同研究
支援部 シンクロトロン光活用推進室(現あいちシンクロトロン光センター) *4 共同研究支援部 シンクロトロン光活用推進室

11法が適当であるか検討を行った。

積割合の結果に影響を与えるのか検討を行うために、測定試料を x,y,z の 3 方向に切り出し、3 方向からの観察

2. 実験方法
2.1 考案した二値化閾値設定方法

試料を用意した(図 3)。観察試料を型において常温硬化
埋 込 樹 脂 に 埋 め 込 み 、 耐 水 研 磨 紙 【 #400 → #800 →明瞭なコントラストが得られる分析装置を活用し、樹#1500→#2000→ダイヤモンドスラリー(砥粒サイズ:3→脂複合材料の強化材の割合を算出して X 線 CT3 次元像1→0.5μm)】にて、研磨を行った。また、SEM 観察のの 閾 値 設 定 方 法 を 考 案 し た ( 図 2) 。 こ こ で は 、前に、イオンスパッタ装置【(株)日立ハイテクノロジー

CFRP(CF:炭素繊維)を例に、考案した方法の流れを説

ズ製 E-1045】にて、観察面に白金コーティングを行っ明する。

た。

図3

測定試料の模式図

次に、SEM の観察条件を表 1 に示す。画像取得は、明瞭なコントラストが得られる反射電子像モードで行った。また、一度に多くの GF を撮影し、かつ、GF の画像処理による解析が十分できる画質となるように、視野サイズと画素サイズの条件を決定した。断面出しした観考案した閾値設定方法のフロー

察試料のなかで、可能な限り多くの画像を取得した結果、まず、明瞭なコントラストが得られる装置より、視野数は各方向 35 枚とした。取得した画像について、CFRP の 2 次元観察画像を取得する(図 2(a))。そして、画像処理ソフト(ImageJ)を用いて、大津法 2)による二値得られた画像について、画像処理ソフト(ImageJ1))を用化処理を行い、GF の面積割合を算出した。

図2

いて、自動で閾値を設定し、樹脂を黒、CF を白とする

表1

二値化を行う(図 2(b))。閾値設定のプログラムは、一般項目的なアルゴリズムを使用する。その後、二値化画像から、CF を示す白色部分の面積割合を算出する。面積割合と体積割合は同一と仮定して、最後に、分析装置より算出した面積割合に合致する値を X 線 CT3 次元像の輝度値のヒストグラムの閾値とする(図 2(c))。
2.2 考案した方法の検討
2.2.1 測定試料考案した閾値設定方法が適当であるか検討するため、樹脂複合材料の中でも、X 線 CT3 次元像で輝度値のヒストグラムが明瞭に分離され、閾値を容易に決められる

SEM 観察条件

加速電圧
倍率
検出信号
視野サイズ(1視野あたり)
画素サイズ
取得した視野数

条件
15kV
60倍
反射電子
1.3mm×2.1mm
0.83μm/pixel
x,y,zの各方向35枚ずつ

2.2.3 X 線 CT による 3 次元内部構造の観察
試料の 3 次元内部構造観察装置として、高分解能 3 次
元 X 線顕微鏡【X 線 CT:(株)リガク製 nano3DX】を用いた。GFRP における X 線 CT 測定の最適条件を検討し、表 2 に示す条件に決定した。
表 2 X 線 CT 測定条件項目

GFRP 射出成形品【母材：ポリプロピレン(PP)、強化条件

管電圧50kV

管電流24mA

ターゲット

Mo

画素サイズ

0.54μm/pixel次元画像が得られる装置として、SEM【(株)日立ハイテ

露光時間

10sec

クノロジーズ製 SU-70】を用いた。測定試料は射出成

視野サイズ

0.9×0.7mm

形品であるため、GF が射出方向に配向すると想定されダイナミックレンジ

16bit

材：ガラス繊維(GF)】を測定試料として用いた。
2.2.2 SEM による断面観察
今回用いた GFRP に対して、明瞭なコントラストの 2た。そこで、繊維配向が、閾値設定で利用する繊維の面試料を 180°回転させて 1200 枚の透過像を取得後、

12

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研究報告 2020より高コントラストの X 線 CT3 次元像を得るため、透えられる。一般的に、射出方向に対して繊維が平行に存過 X 線量ヒストグラムのうち測定試料由来の透過 X 線在することが多いため、射出方向に垂直な面が評価に向のみ選択し、8bit で再構成を行った。

いていると想定できる。図 5 から、z 方向の視野数 10 枚

そして、SEM 像より算出した面積割合から決めた閾

では面積割合のばらつきは 0.1%程度であることから、

値 と 、 X 線 CT3 次 元 像 に つ い て 画 像 処 理 ソ フ ト

今回の試料で射出方向に垂直な面で評価する際は、視野(ImageJ)で得られた大津法による二値化閾値を比較し、 数 10 枚の評価領域:27.5mm2 と同程度の領域で評価を行適当であるか検討を行った。

えば、面積割合の算出に大きな誤差は生じないと考えられる。なお、GF 含有量によって、1 視野に含まれる評

3. 実験結果及び考察
3.1 考案した方法の閾値設定における繊維配向の影響

価本数が変わるため、最適な評価領域はその都度検討する必要がある。

各方向からの SEM 像と、二値化した画像を図 4 に示す。SEM 像から、x 方向は繊維の縦断面が多く存在し、z 方向は横断面が多く存在するなど、繊維の配向のために、観察方向によって見え方が異なることが確認された。

図5

SEM 像の評価領域の大きさと GF の面積割合の関係

3.2 X 線 CT3 次元像の二値化閾値の検討再構成した X 線 CT3 次元像の輝度値のヒストグラムについて、SEM 像より算出した GF の面積割合から決めた閾値と、X 線 CT3 次元像のヒストグラムで大津法にて自動で設定した閾値を比較した(図 6)。

図4

GFRP 射出成形品の SEM 像と二値化画像

SEM 像の視野サイズから評価領域の面積を換算し、SEM の評価領域と GF の面積割合の関係を表したグラフを図 5 に示す。図 5 では、各方向の SEM 像 5 枚、10枚、15 枚ごとに面積割合の平均値を求め、評価領域の大きさが GF の面積割合のばらつきに与える影響を示している。

図6

X 線 CT3 次元像と二値化閾値を設定した
輝度値のヒストグラム

図 5 より、同じ評価領域の面積で GF の面積割合を比その結果、面積割合から決めた閾値は、x 方向 113、較すると、繊維の縦断面が多く存在する x 方向は、面積y 方向 110、z 方向 105 となり、自動で設定した閾値 119

割合のばらつきが大きく、横断面が多く存在する z 方向に近い値となった。100～150 の輝度値に含まれるボクはばらつきが小さいことが分かった。この結果から、縦セルはとても少なく、1 階調毎の面積割合の違いは断面が多く存在する x 方向に対し、z 方向のように繊維0.1%未満であるため、x,y,z いずれの方向で評価しても、の横断面が多く存在する観察面においては、同じ評価領二値化された GF3 次元像には、観察方向による差はな域でも評価本数が多いためにばらつきが抑えられたと考いと考えられる。なお、CFRP など輝度値のヒストグラ

13ムで構成成分ごとに分離されない試料については、観察ヒストグラムが構成成分ごとに分離されず、二値化の閾方向の違いで面積割合に微小な差が生じた場合でも、そ値設定が困難な場合がある。そこで本研究では、明瞭なの差は X 線 CT3 次元像の輝度値において、1 階調の中ヒストグラムが得られる他の観察画像から算出した各構に収まると想定できる。

成成分の面積割合を用いて、X 線 CT3 次元像の閾値をまた、面積割合で決めた閾値で二値化した画像と自動設定する方法を考案し、その方法が適当であるか検討をで閾値設定した二値化画像を図 7 に示す。ここでは、観行った。その結果、閾値設定のための 2 次元観察画像

察方向の中で自動設定の閾値から最も遠い z 方向の面積(本研究で使用した観察画像は、SEM 像)で必要な評価割合で決めた閾値による画像を示す。

領域は、繊維配向に影響されることが分かった。また、閾値を容易に決められ る GFRP を 測定試料として 、SEM 像から算出した閾値と比較した結果、両者の閾値がほぼ一致した。従って、考案した閾値設定方法は妥当性が高いと確認できた。
本研究で考案した二値化閾値設定方法は、CFRP など、X 線 CT3 次元像の輝度値のヒストグラムを成分ごとに分離し難い試料に有効であると考えている。今後は
CFRP について、考案した方法を用いて X 線 CT3 次元像の構造解析に取り組む。

図7

二値化した GF の 3 次元像

両者の二値化した GF の 3 次元像を比較すると、ほぼ文献同様の GF の 3 次元構造を得ることができた。したがっ1) Rasband, W.S.: ImageJ, U. S. National Institutesて、考案した閾値設定方法(図 2)は、適当であると考え

of Health, Bethesda, Maryland, USA,られる。

http://imagej.nih.gov/ij/, 1997-2012.(2020/03/31)
2) N Otsu: IEEE Transactions on Systems, Man, and

4. 結び樹脂複合材料の X 線 CT3 次元像において、輝度値のCybernetics, SMC-9(No.1), 62-66(1979)