第二章-材料科学研究中的数据与图像处理-§-材料科学研究中优秀文档.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,/27,第二章,2.1 概述,2.2 二值化处理,2.3 粒径分析,2,材料科学研究中的,计算机图像分析与处理,随着材料科学研究的深入和发展，计算机图像分析系统逐渐成为辅助研究材料结构与性能之间定量关系的一种重要的手段。比如：在晶粒度测量、夹杂物的评级、相分析（包括测各相的含量和形状因子等）以及显微硬度、孔隙率、球化率、圆度和涂层厚度等的测定中，计算机图像分析系统的引入极大地提高了这类定量分析的质量，材料科学研究的数字化时代已经到来。,近几十年来，材料科学家们通过人工方法或全集成的定量分析系统对材料的结构与性能作了许多定量分析。随着计算机技术的发展，图像分析系统也发生了巨大的变化，其中最明显的变化是从全集成的分析系统向以通用PC机为基础 的、可自由配置及扩充的开放式软件系统发展。,2.1 概述,2.1.1 图像与图像处理,粗略地说,，,图像,是任一二维或三维景物呈现在人们心目中的影像。,确切地说,：图像是一种代表客观世界中某一物体的、生动的图形表达，包含了描述其所代表物体的信息。就,本课程,来说，图像是指由各种材料表征手段（如光学或电子显微镜、光谱等）所获得的有关材料结构的各种影像。,图像处理,就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来“改造”图像。所谓,特定的目标,，可以是使图像更清晰、更美丽动人，也可以是从图像中提取某些特定的信息。,本课程,所涉及的图像处理，主要是对各种表征手段获得的影像进行“加工”，从中提取有关材料结构的信息。,2.1.2 数字图像的获得途径,一般的图像（即模拟图像）不能直接用数字计算机来处理。,各类图像,转化成,数字图像,CCD图像采集系统,（CCD摄像头、图像监视器、图像卡以及计算机硬件系统 和图像采集处理软件系统组成）,扫描仪图像采集系统,（平板式扫描仪、主机插槽的接口卡以及计算机软硬件系统）,2.2 计算机图像的二值化处理,材料研究的图像处理主要包括材料聚集态结构单元的测量等。为此，图像处理的,首要工作,是,图像的二值化,，以分离出目标粒子，同时消除背景干扰。图像的二值化主要包括目标粒子的分离、背景的去除和图像二值化几个步骤,Photoshop是功能非常强大的图像处理工具，有很多图像处理功能，如路径、通道、滤镜等等。利用它们可以方便的完成材料凝聚态图像的二值化处理。,通过阈值的设置进行图像二值化,通过,Magic Wand,（魔棒）工具进行图像二值化,通过,Polygonal Lasso,（多边形套索）工具进行图像二值化,几种图像二值化的方法：,2.2.1 通过“阈值”的设置进行图像二值化,当图像的目标粒子与背景的,灰度相差比较大,时，可以直接应用阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来，同时实现二值化。,聚苯乙烯/顺丁橡胶共混物的 SEM照片,例：,聚苯乙烯为分散相，共混材料在液氯中冷冻后干燥脆断，再以环已烷溶解掉聚苯乙烯粒子，形成黑色的孔洞。因此，图像中,黑色孔洞,可以代表聚苯乙烯粒子，其大小也可以表示粒子大小。黑色孔洞的平均灰度约为40，,背景,部分的平均灰度约为130,两种区域的,灰度相差较大,，因此可以容易地用阈值方式分离。,（4）设定阈值，得到二值化图像。,扫描仪图像采集系统（平板式扫描仪、主机插槽的接口卡以及计算机软硬件系统）,频率数dN对颗粒大小x作矩形图（直方图）,直方图对话框中有两种拟合方式：,周长直径dC与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。,颗粒的相对分散程度：可以用平均直径的离差系数表示,如图8-44所示，“频率密度最大值”是频率密度最大所对应的颗粒大小；,弹出“阈值”对话框,颗粒各种测得大小的无量纲组合,式中：dS为面积直径（与颗粒具有相同表面积的圆球直径）；,列表法、矩形图、累计百分率频率分布图等。,累计百分率频率 对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线,颗粒各种测得大小的无量纲组合,操作过程,弹出“阈值”对话框,2.2.2 通过“魔棒”工具进行图像二值化,如果图像目标粒子和背景的灰度差别不大，用阈值调整无法有效分离目标粒子，无论将阈值色阶设在高阶还是低阶,目标粒子总是与背景混杂在 一起，难以有效分离。然而观察图像发现，,目标粒子自身形成的区域灰度差别很小,。此时可用“魔棒”这一工具将目标粒子有效分离出来。,（1）选择目标区域：,鼠标左键双击“魔棒”按钮，弹出魔棒选项对话框，通过设置容差可确定选择区域的大小。,用鼠标左键点击“魔棒”按钮，则在图像上可出现魔棒，用魔棒点击目标粒子，会出现虚线环绕的区域。,（2）,用魔棒点击目标粒子时按住【Shift】键。可,选择多个目标粒子,。,注意：,当不同目标粒子容差相差较大时，应针对不同目标粒子选择不同的容差。,操作过程,（3）分离目标粒子：,选择菜单【选择】【反选】，选择区域将变为除目标粒子外的背景区域。此时再选择菜单【编辑】【消除】，可得到目标粒子分离的图像,。,（4）设定阈值，,得到二值化图像。,2.2.3 通过“多边形套索”工具进行图像二值化,当所处理的图像,灰度分布十分复杂,时，则不能用上述两种方法进行二值化工 作。此时多边形套索是最有效的工作。,图 通过“多边形套索”工具进行图像二值化,2）根据已得输出结果，在输入图像上搜索确定下一步应处理的像素，并进行规定处理（计数）。,图像处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来“改造”图像。,aS,a，aV,a分别为面积和体积的形状系数，下标a表示是对应于da的。,（3）分离目标粒子：选择菜单【选择】【反选】，选择区域将变为除目标粒子外的背景区域。,图 通过“多边形套索”工具进行图像二值化,弹出“阈值”对话框,Martin直径dM颗粒投影外形面积等分线。,如图8-44所示，“频率密度最大值”是频率密度最大所对应的颗粒大小；,dV为体积直径（与颗粒有相同体积的圆球直径）；,式中：dS为面积直径（与颗粒具有相同表面积的圆球直径）；,直方图对话框中有两种拟合方式：,因此，图像中黑色孔洞可以代表聚苯乙烯粒子，其大小也可以表示粒子大小。,（3）累计百分率频率分布图,频率数dN对颗粒大小x作矩形图（直方图）,2 通过“魔棒”工具进行图像二值化,下面着重介绍粒径的测量与表示方法。,操作过程,用鼠标左键点击工具栏中的,“Lasso（套索）”,工具，这栏有Lasso、Polygon Lasso,（多边形套索）和Magnetic Lasso,（磁性套索）三个工具。,对于初学者来讲，,Lasso,不易掌握。,如果粒子和背景灰度差别比较大，可以选择使用磁性套索。,建议使用多边形套索，用鼠标沿目标粒子边界拉动并不断点击左键则会选择出目标粒子。,（1）选择目标粒子,（2）多个目标粒子,的选择（标记）,方法：填充,（也可用前面介绍的“Shift”方式）,（4）去除背景,完成“二值化”,方法：同前,（反选，清除背景，设阈值）,（3）选中目标粒子,2.3 粒径分析,主要内容：,2.3.1 粒径大小测定原理,2.3.2 粒径分析中的图像处理方法及算法,2.3.3 粒径数据作图与分析,在材料研究中，经常遇到粒子大小（即粒径与粒径分布）的测量问题。下面着重介绍粒径的测量与表示方法。（说明：粒径分析之前一般要对测得的微粒图像进行前述的二值化处理）,周长直径dC与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。,大小不同的颗粒所组成的物质（原物系）可被另一个与该物系有且仅有两个相同特征的均匀物系（代表物系）所代表。,如图8-44所示，“频率密度最大值”是频率密度最大所对应的颗粒大小；,用鼠标左键点击工具栏中的“Lasso（套索）”工具，这栏有Lasso、Polygon Lasso（多边形套索）和Magnetic Lasso（磁性套索）三个工具。,通过阈值的设置进行图像二值化,（3）分离目标粒子：选择菜单【选择】【反选】，选择区域将变为除目标粒子外的背景区域。,当图像的目标粒子与背景的灰度相差比较大时，可以直接应用阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来，同时实现二值化。,1 通过“阈值”的设置进行图像二值化,2）根据已得输出结果，在输入图像上搜索确定下一步应处理的像素，并进行规定处理（计数）。,因此，图像中黑色孔洞可以代表聚苯乙烯粒子，其大小也可以表示粒子大小。,“中线值”是在累计百分率频率曲线上50对应的颗粒大小，在频率密度曲线上，通过此值的垂线将曲线下的面积等分；,图像处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来“改造”图像。,2 数字图像的获得途径,为此，图像处理的首要工作是图像的二值化，以分离出目标粒子，同时消除背景干扰。,所谓特定的目标，可以是使图像更清晰、更美丽动人，也可以是从图像中提取某些特定的信息。,周长直径dC与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。,周长直径dC与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。,2.3.1 粒径大小测定原理,投影面直径,d,a,置于稳定位置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。,投影面直径,d,p,与任意放置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。,周长直径,d,C,与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。,Feret,直径,d,F,与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离。,Martin,直径,d,M,颗粒投影外形面积等分线。,展开直径,d,H,通过颗粒重心的弦长。,统计直径：,用平均概率统计直径表示。,（一）颗粒大小的表征,（二）颗粒形状的表征,（1）形状系数,测得的颗粒各种大小与颗粒体积或面积之间的关系。,形状系数,形状因素,常用参数,式中：,d,S,为面积直径（与颗粒具有相同表面积的圆球直径）；,d,V,为体积直径（与颗粒有相同体积的圆球直径）；,a,S,a,，,a,V,a,分别为面积和体积的形状系数,，下标a表示是对应于,d,a,的。,形状因素,颗粒各种测得大小的无量纲组合,Why？,其它,表示方法,（三）颗粒大小分布的表示方法,在表示颗粒大小分布时，常使用大小范围来表示。常用的大小范围取法有,等间隔的,算术级数划分法,和,等比的,几何级数划分法,等。,具体表示方法有：,列表法、矩形图、累计百分率频率分布图等。,（1）列表法,几个重要概念:,颗粒大小,x,：指测得的颗粒的当量直径；,频率数,d,：指在策大小范围内颗粒的某特征（包括个数、长 度、面积和体积等）出现的总数；,累计频率数,：,指小于某颗粒大小的特征总数，,百分率频率,:,累计,百分率频率,：,频率密度,：指每一甲位长度的百外率 领率相当于概率论中的概率密度。,频率数d,N,对颗粒大小,x,作矩形图（直方图）,（2）矩形图,（3）累计百分率频率分布图,（4）频率密度分布图,频率密度 对,x,作图、通常将各点描成连续平滑曲线,累计百分率频率 对,x,作图、通常将各点描成连续平滑曲线,（四）平均直径,如图8-44所示，“频率密度最大值”是频率密度最大所对应的颗粒大小；“中线值”是在累计百分率频率曲线上50对应的颗粒大小，在频率密度曲线上，通过此值的垂线将曲线下的面积等分；,“平均值”,是通过频率密度曲线所包括的面积的重心的垂线与横坐标的交点值，公式如下：,颗粒分布的特征包括个数、长度、面积和体积。大小不同的颗粒所组成的物质（,原物系,）可被另一个与该物系有且仅有两个相同特征的均匀物系（,代表物系,）所代表。对于这两个相同的特征而言，后一物系的颗粒大小即为前者的平均值。（图8-45）,原物系,代表物系,颗粒的相对分散程度,：可以用平均直径的,离差系数,表示,颗粒的分散程度,：就用平均直径的,标准方差,表示,2.3.2 粒径分析中的图像处理方法及算法,跟踪算法,进行微粒面积求取的,基本思路,：,1）首先选择满足条件（常为某灰度值）的像素作为,起始像素,。,2）根据已得输出结果，在输入图像上,搜索,确定下一步应处理的,像素,，,并,进行规定,处理,（计数）。,3）根据已得输出结果及输入图像，确定,终止条件,。,4）,计算真实面积,：根据标尺（或像素面积）将像素总数换算成真实面积。,2.3.3 粒径数据作图与分析,（一）作图,（二）统计分析,用Origin等软件作图，如：粒径分布图、矩形图等。,直方图对话框中有两种拟合方式：,NormalCurve,（正态分布）,Gaussion,Fit,（高斯分布）,