1、材料显微组织分析的研究第 25 卷第 4 期2004 年 10 月计量ACTAMETROLOGICASINICAVo1.25,No4October,2004材料显微组织分析的研究徐建林,陈超(1.兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050)摘要:阐述了应用图像处理技术与定量体视学的原理来实现材料显微组织的定量分析,主要包括系统构成,图像处理与分析的主要步骤,常见显微特征参数的测量和误差分析,并讨论了该研究领域的发展趋势.结果表明,利用计算机图像分析技术实现显微组织的分析具有实用性,先进性和广阔的应用前景.
2、关键词:计量学;材料显微组织;图像处理;体视学中图分类号:TB99 文献标识码:A 文章编号:1000.1158(2004)040369.05TheResearchofMaterialsMicrostructureAnalysisXUJian.1in.CHENChao(1.StateKeyLabofGansuNewNon-ferrousMetalMaterials,LanzhouUniversityofScienceTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China;2.CoHegeofMechano-ElectronicEngineering,La/izhouUnive
3、rsityofScienceTechnology,Lanou,Gansu730050,China)Abstract:Aquantitativeanalysissystemofmaterialsmicrostructureisset“pusingdigitalimageprocessingandstereologyprinciples.Thesystemconfigure,somemainmethodsofimageprocessingandanalysis,measuringcharacteristicparametersofmicrostructureandanalyzingerrorare
4、describedindetail.Finally.developmenttrendinthisresearchisdiscussed.Theresultsshowthatthesystemofmaterialsmicrostructurebasedoncomputerimageprocessingisofpracticability,advancementandwideapplicationpotentia1.Keywords:Metrology;Materialsmicrostructure;Imageprocessing;Stereology1 显微组织分析的研究现状金属材料的性能受到许
5、多条件的影响,长期的实践和研究表明:结构决定性能是自然界永恒的规律,材料的性能是由其内部的微观组织结构所决定的.随着材料科学的发展,研究材料的组织,成分与性能之间更为本质的相互关系便显得尤为重要.从材料的显微组织可预测材料的性能和保证产品的质量.因此,对显微组织的准确分析和判断是分析材料状态和内部结构的主要途径.传统的定量显微组织分析是用人工目测进行的,如确定相组成,晶粒大小等,这种人工分析方法准确度低,重现性差,效率低,劳动强度大并损害视力,极不适应现代技术的发展.此外,若要记录显微组织还需进行一系列烦冗的长时间的暗室工作.计算机图像处理技术的出现给传统的定量显微组织分析带来了生机 J.据美
6、国 Yencharis 公司的估计, 应用于显微镜方面的图像分析系统每年全世界的市场份额约有 4 亿美元,具有巨大的经济效益.微观组织的定量化分析已经成为金相学的一个重要分支,它随着材料科学,体视学和计算机技术的有机结合而得到发展,许多材料工作者都致力于这方面的研究.国外起步较早,如 Russ 于 1991 年发收稿日期:20030320;修回日期:20030610基金项目:甘肃省科技攻关资助项目(GS992 一 A52-028)和甘肃省自然科学基金项目(ZS032 一 B25029)和教育部“春辉计划“ 资助项目作者简介:徐建林(1970 一),男,陕西岐山人,兰州理工大学材料学院副教授,从
7、事材料科学与计算机应用研究.370 计量 2004 年 l0 月表文章论述了采用计算机辅助进行球铁等材料结构的图形分析法 j,Leithner 也论述了利用计算机进行定量分析的一些基础知识,这些技术都使得定量金相得到广泛应用 j.同时也推出了各种图像分析仪,如英国 Leico 公司推出的 QuantimentSoo 系统等.国内在这方面的研究从早期的引进为主发展到现在的原创性研究,如华中理工大学对扫描电镜进行改进实现了材料断口形貌的分析,北京钢铁研究总院的 CSR 一 98 型彩色图像粒度分析仪.和兰州理工大学的铸铁金相组织的检测系统等,这些都极大地推动了微观组织定量分析的前进步伐.2 显微组
8、织定量分析系统的构成显微组织特征参数的测量与计算一般包括两个环节,首先对材料试样的二维组织特征参数进行测量和计算,然后应用体视学公式将二维组织特征参数转换为三维组织特征参数,即复原材料组织的空间形貌.为实现二维显微组织的测量,作者研制了一套可用于材料显微组织测量的软硬件系统,如图1 所示.考虑系统应用的广泛性,输入采取两种方式,即利用扫描仪扫描显微组织图片和将摄像头连接到显微镜上直接摄取显微组织.在光源的照射下不同的显微组织对不同波长光的反射和吸收率不尽相同,用视频摄像机获取该视频信号,然后通过图像采集卡将视频信号转换成标准的 Windows 位图,从而实现显微组织的显示与存储.扫描仪为系统的
9、辅助输入设备,由于它的接口已标准化,所以不对型号作要求.图 1 显微组织定量分析系统的构成摄像头与显微镜的接口是系统硬件的重要环节之一.首先是将组织反射光源旋转一定角度送入摄像机,其次应考虑到成像区域,为了保证所有的视野都充满显微组织,在接口上又接人了一个缩小目镜,从而保证显微镜的出孔直径小于摄像机的人孔直径,同时还应保证两孔中心平行对中,以免由于光束的切割而造成显微组织的变形与有用信息的丢失.3 显微组织分析的预处理3.1 显微组织图像的预处理为了准确地分析显微组织,消除系统干扰的影响,有必要对送人计算机的图像进行一系列预处理,包括图像二值化处理,滤波,腐蚀等处理.图像二值化是对图像灰度取阈
10、值,用将图像数据分成两大部分,大于的像素群和小于的像素群,若输入图像为.厂(,Y),输出图像为厂(,Y),则0r;怎样进行阈值选择是一个较复杂的问题,必须根据图像的统计性质,即从概率角度来选择合适的阈值.文中采用最大方差阈值的设定方法来实现.若图像的灰度级别为 1m 级,灰度值 i 的像素数为 n,则总象素数=n.,而各值的概率 P.=/7,i,然后用将图像分成前景 A 与背景 B,即 A=1和 B=(+1)m,各组产生的概率为A 产生的概率:B 产生的概率:A 的平均值:B 的平均值 :=P.(2)=I.=P(3)=+1u.:iP/Wo(4)=Iu.=,.(5)i=口 4-lA 与 B 两组
11、间的方差用下式求出d()=r0.(u.一 u.)(6)在 1m 之间改变值,求上式为最大值时的,即求 maxo“()时的值 ,此时值便是阈值.该方法是阈值自动选择的最优方法,且效果良好.输入计算机的图像,由于输入转换器件及电特性不均匀等因素的影响,使图像中含有各种各样的噪声,因此必须进行滤波处理.文中采用掩膜滤波法,选取 3x3 邻域,为中心区域像素点的灰度值,A 为周围 8 个像素点的灰度值,灰度值由下式确定:第 25 卷第 4 期徐建林等:材料显微组织分析的研究 37l若 I若 111像素点总数;/,为 Y 方向像素点总数.更换物镜倍(7)数后,可利用串联检测环节的特性来确定比例关系,即:
12、其中为 0 或 1,为其补.实践证明,这种方法十分有效地消除了麻点噪声,不会使图像变形,同时对照片上的底纹线也可剔除.在对有些区域进行分析时,会存在晶界与有效区域相连的缺点,使模式识别不易进行,为此采用图像腐蚀技术来割断二者的联系.图像腐蚀实际是对图像进行缩小,这时有效区域和晶界同时缩小,但由于晶界本身就很细,因此很容易收缩直到消失.同时为了考虑收缩后对有效区域的影响,还应对图像进行复原,即图像膨胀.至此便可得到清晰有用的图像了.边缘检测是图像模式识别的重要一环.当观察物体时,看得最清楚的就是物体的边缘部分和线,根据它们便可知道物体的构造.边缘部分实际是与图像灰度急剧变化相对应的部分,因此可利
13、用边缘处灰度 f(,Y)变化梯度大的特点作梯度检出 :Vf():+(8)为便于计算机运算采用离散形式vf(,Y)=,(+1,Y)一 f(,Y)+,(,Y+1)一 ,(,Y)(9)对每个点寻找其附近的梯度时,在边界附近一定能找出其极大值.将所有梯度为极大值的点连接起来,就得到边界线(轮廓线).3.2 图像放大倍数与像素对应关系的确定在显微组织的分析测量中,有些参数是无量纲的,如相组成比例,长度比.但有些参数却是有量纲的,如晶粒的大小等,在分析有量纲的参数时必须对显微组成进行一系列输入变化之后对其大小关系进行确定.确定方法为在一定倍数物镜下放人测微标尺,该标尺在计算机上以图像实际输入的 1:1 显
14、示,然后确定该标尺在计算机屏幕上(水平),Y(垂直)方向上所占的像素点数,若标尺长度为,则水平与垂直方向像素代表的实际尺寸分别为:L=LIn(1O)L,=LI(11)其中为方向单个像素点代表的实际长度;L为 Y 方向单个像素点代表的实际长度;n 为方向m=k2Ikl(12)L=Lm(13)L=Lm(14)式中,k.为初始物镜倍数;k 为更换后物镜倍数;m为比例系数;L 为更换物镜后方向像素点代表实际长度;L 为更换物镜后 Y 方向像素点代表实际长度.4 显微组织特征参数的获取4.1 显微组织测定的基本原理由于显微组织试样一般为不透明体,在进行显微组织分析时,实际上根据试样截面上的二维组织来进行
15、分析,通过体视学来解析其三维组织,这是一种统计复原方法.定量体视学认为材料中的各组织结构可看成是由空间的点,线,面和体组成的图像,点,线,面,体之间有一定的相互联系,可用下面一组公式来表示.V=A=L=P(15)Sv=4LIrt=2PL(16)L=2P(17)Pv=LvSv12=2PPL(18)式(15)表明某相的体积分数等于该相在截面上的面积率 A,也等于该相在截面上任意测试线上所占的平均比率.和在截面上随机测试点落在该相上的平均几率 P;式(16)表明某相在单位测量体积中的表面积等于在截面上与截线长度的 41rt 倍,也等于在任意测试线上所测的点数;式(17)表明某相在单位测量体积中的长度
16、等于其在截面上所占的测点数 P 的两倍;式(18)表示单位体积中被测相的点数 P 等于测量线总长 和测量相的表面积 S 乘积的一半 ,也等于该相在截面上的测点数 P 和单位长度上的点数 P.乘积的两倍.由此可见,很多复杂量的测量可以通过简单的统计点数,测量长度以及计算面积来获得.4.2 相百分含量的测定根据式(15),相的体积分数可通过测定该相在截面上的面积率或所截线段的百分比以及观察点数的百分比来确定,因此可利用计点法,截线法,面积AA.一 8一 8一一372 计量 2004 年 1O 月测量法来实现.其中面积测量法在计算机上比较容易实现,同时也反映出整个视野中的平均比率,避免了截线法中截线
17、的选取问题.面积测量法可计算所测相所占的像素点,然后除以选取视场所占的总像素,即得到面积百分数.图 2 为某碳化钨材料的显微组织,图中黑色相为钨相,通过图像处理提取出的钨相如图 3 所示,并统计得出该相所占的比例为l8.14%.图 2 某碳化钨材料的显微组织图 3 钨相的提取与计算4.3 晶粒大小的测定晶粒度对材料的性能有很大的影响,材料中晶粒的大小是不均匀的,一般用晶粒的平均直径或平均面积来表示晶粒度.因此,晶粒度的图像分析有下面两种方法:(1)平均截距求晶粒度:用随机直线多次截取晶粒,若测量线总长度为截过的晶粒数为 N 则对连续分布的单相晶粒的大小为:L3=L/JI,.(19)(2)平均截
18、面积求晶粒度:面积统计采用区域统计法,根据像素的多少可确定出各晶粒所对应的面积大小,则截面上晶粒的平均面积,为:F=:/(2o)其中为晶粒个数.4.4 相的形状因子在显微组织分析中经常分析一些相的形态对材料性能的影响,如铸铁中石墨形态的不同导致不同的铸铁性能差异较大.表示相的形态参数很多,常用的参数有长短轴之比,当量直径,形状因子(周长的平方/47rx 面积) 等,这些参数比较容易测得 .如长短轴之比可根据重心求出,当量直径可以用外接圆求出,面积可用区域统计得出,周长可用边缘跟踪求出边界像素点数等.图 4 为球墨铸铁中石墨的外接圆示意图.图 4 球墨铸铁中石墨的外接圆示意图4.5 片层组织的测定很多材料具有片层状组织,如珠光体等,片层的厚度或平层间距往往与材料的性能关系密切,并且很容易受相变条件的控制.片层间距指任意截线上相邻片层(同一相) 中心间的平均距离.为此,片层间距应该用对应短轴长度的之和求平均数得出,即:nk=一+一(21)nmnm其中厶为片层组织中的某一相的厚度,厶为另一相的厚度,n 为片间组织中两相所构成的对数,ra 为放大倍数.
