（机械制造及其自动化专业论文）基于专家系统的计算机辅助定量金相分析系统.pdf

i 摘要 3 6 8 5 5 计算机辅助定量金相分析技术与传统的人工金相分析相比较具有处理速度快、 数据精确可靠、实验结果的重现性好等一系列的优点。随着计算机技术的发展，计 算机辅助定量金相分析取代传统的金相定量分折已是不可避免的趋势。本论文运用 图像技术和专家系统等理论知识，研究开发了一个可以代替传统的金相分析的汁算 机辅助定量金相分析系统。 本论文的绪论部分简要的介绍了计算机辅助定量分析的重要意义，介绍了相关 的图像分析领域在国内外的研究和发展概况。 第二章简要的介绍了视觉的基本知识和图像的成像基础以及图像技术的基本常 识。 第三章介绍了系统的总体设计方案、各部件的性能指标以及面向对象的软件设 计。描述了软件的基本功能和典型的分析处理流程。 第四章介绍了专家系统技术，介绍了专家系统在金相图像处理领域的应用，简 要介绍了用c + + 开发专家系统。 第五章重点讨论了图像处理、图像分析重要算法。在图像预处理部分包括了图 像的平滑化、对比度增强和二值化等多种算法。图像分析部分包括边缘检测、区域 分割、纹理统计信息分析和二值图像分析等算法。同时注意了吸收最新的图像处坪 领域的研究成果。最后分析了系统的误差来源，提出了系统改进的建议。 第六章是结论部分，提出了系统的发展方向和不足之处。，、 关键字： 、， 、 图像图像处画、图像分析。金相定量金相分析 毒一：翻1 毫二妊。 a b s t r a c t c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a l q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f m e t a l l o g r a p h y ( q a m ) ， c o m p u t e r a i d e dq a m h a sm o r ea d v a n t a g e ss u c ha sf a s t e rs p e e d ，h i g h e re f f i c i e n c y , m o r e c r e d i b l ea n de a s i e rr e p r o d u c i b i l i t y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i ti s i n e v i t a b l y t h a tt h e c o m p u t e r - a i d e dq a mw i l l t a k e p l a c e t h et r a d i t i o n a l q a m a c o m p u t e r - a i d e dq a ms y s t e m i sr e s e a r c h e db ya p p l i e d i m a g et e c h n o l o g ya n de x p e r t s y s t e m ( e s ) t ot h es u b j e c t i nc h a p t e rl ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ei m p o r t a n c eo ft h ec o m p u t e r a i d e dq a m a n dt h e r e l e v a n td e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h ， i nc h a p t e r2 ，t h et h e s i ss u r v e y st h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tv i s i o na n d i m a g eb r i e f l y i n c h a p t e r3 ，t h e t h e s i si n t r o d u c e st h eb l u e p r i n t o ft h e o b j e c t ，p a r a m e t e r s m e a s u r e m e n ta n do o ra l s oi ti l l u s t r a t e st h em a i nf u n c t i o n so ft h es o f t w a r ea n dt h e t y p i c a la n a l y t i cp r o c e d u r e s i nc h a p t e r4 ，t h et h e s i ss c a n st h ee x p e r ts y s t e ma n da p p l i e st h ee si nq a m a l s o t h e t h e s i sd i s c u s s e sh o wt od e v e l o pe sw i t hc + + i n c h a p t e r5 ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ea r i t h m e t i co fi m a g ep r o c e s s i n ga n di m a g e a n a l y s i s i m a g ep r o c e s s i n g i n c l u d e s s m o o t h i n g ，c o n t r a s t e n h a n c e m e n ta n d b i n a r y p r o c e s s i n ga l g o r i t h m s i m a g ea n a l y s i sc o n t a i n se d g ed e t e c t i o n ，s k e l e t o n ，t e x t u r e ss t a t i s t i c i n f o r m a t i o n a n a l y s i s a n d b i n a r yi m a g ea n a l y s i sa l g o r i t h m s t h et h e s i sa l s os h o w s r e s o u r c e so f s y s t e me r r o ra n dg i v e ss o m ea d v i c et oi m p r o v eo n i n c h a p t e r6 ，t h e t h e s i ss u m m a r i z e so ft h ew o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o n s o m e s h o r t c o m i n g sa n d t h ef u t u r eo f c o m p u t e r - a i d e dq a m a r ea l s os k e t c h e do u t k e y w o r d s ： i m a g e ，i m a g ep r o c e s s i n g , i m a g ea n a l y s i s ，m e t a l l o g r a p h y , q a m l i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 计算机辅助定量金相分析的重要意义及发展概况 1 1 1 选题及意义 金相分析不仅是控制机械零件内在质量的重要手段，而且能揭示金属材料 显微组织形貌与加工制备方法之间的关系。多年来研究实践总结出这样一条规 律：组织是性能的根据，性能是组织的反映。材料的组织特征与性能存在着密 切的关系：如晶粒尺寸减小，屈服强度增加；位错密度增加，流变应力增加； 单相合金晶界面积增加，硬度提高。因此金相分析在新材料、新工艺、新产品 的研究开发中有着广阔的应用领域。 对金属显微组织特征( 如晶粒尺寸、界面积对体积的比率、相的相对量， 相的几何形状和分布等等) 等进行定性分析，虽也可说明金属材料的某些性能 特征，但要比较精确地描述组织和性能之间的关系，找出其规律性，就不能仅 仅满足于鉴别金相组织和对组织特征的大致估计，而需要测量及计算出能准确 表征金相组织特点的某些参数，以确立它们之间更为本质的定量的关系。如晶 粒度对材料的各种性能都有着强烈的影响，对强度、塑性、淬透性的影响尤为 显著。随着晶粒度的细化，材料的强度上升，塑性下降，淬透性降低。但这只 是一种概述的描述。要得到确切的规律和相应的函数关系，就必须进行定量的 测定。在大量、反复测定的基础上，对所得数据进行综合、归纳和分析，最后 可以发现晶粒与敏感的机械性能指标：延性脆性转变温度间的函数关系图， 如图l 一1 所示【l l 。 l g l1 2 ( c m v 2 、 图1 1 延性脆性转变温度与 晶粒直径间的关系 金相组织的各种特征参数不 同从而引起材料性能变化的情况 是十分普遍的。如珠光体钢的拉 伸强度与珠光体片层间距的关 系，残余奥氏体转变量与高速钢 回火硬度的关系，非金属夹杂物 总数、大小、形状、分布与疲劳 寿命的关系等等。这就需要利用 定量分析的方法来测量、计算组 织中相应组成相的特征参数，从 而建立组成相与材料的机械性能 浙江大学硕士学位论文 之间的定量关系。因而光学金相技术在很大程度上已经从- f 叙述性的学科演 变为一门可用精确数字来度量的科学技术。 传统的金相定量分析是用人工目测进行的，它主要包括几何测量和统计计 算两方面，即用一定长度的线条或一定面积的网格，放在需测量的金相图像上， 然后对截距或格点进行计数，作统计分析，从而获得定量的结果。这种人工分 析法，重现性差、速度慢、效率低、劳动强度大，容易导致工作者的视力疲劳， 引起测量和计算误差。另外，金相组织在微观上一般都不大均匀，因而任何一 个参数都不能仅仅靠一个视场上的几个测量数据来确定，而需要用统计方法在 足够多的视场上进行多次测量才能保证结果的可靠性。因此，用人工的方法进 行金相定量分析测量是一件很辛苦的工作，有些甚至因工作量过大而无法进 行。在当前微机性能价格比空前提高的情况下，基于图像技术的计算机辅助 金相定量分析已是大势所趋。 计算机辅助金相定量分析的人还寥寥无几。可以设想如果能将计算机辅助 金相定量分析技术发展完善并推广应用，必将使金相分析技术面目一新，极大 地提高科研生产的效率和水平。 1 1 2 定量金相分析发展状况 一、国际上发展状况 人们在很长时间内已经注意到使用手工方法得到定量信息的困难，这成为 近2 0 年来探索进行图像测量分析工作的经济方法的促进因素。定量图像分析 仪的出现为定量金相工作的研究与应用开拓了广阔的前景，赋予定量金相工作 以新的生命力。 在六十年代初，m e t a l sr e s e a r c h 就介绍过q u a n t i m e ta 型仪，它 是首先采用光导摄像管扫描装置将图像转换成电信号的仪器中的一种。这种仪 器很快又被q u a n t i m e tb 所代替，1 9 6 9 年末又被q u a n t i m e t7 2 0 代替。另外， 三家公司l e i t z ，b a u s c h & l o m b 和m 1 1 i p o r e 分别推出了称为c l a s s m a t 、q m s 、 和删c 的图像测量系统。这些系统都采用了微型电子线路或集成电路，因此在 信号处理机的容量和可靠性等方面都超过了原来的系统。 在国际上有影响力的图像处理系统是美国s t c i i s 公司生产的1 0 1 图像处 理系统。它的核心以m o d e l 一7 0 系列为代表，如m o d e l 一7 0 ，d o d e l 一7 5 ， d o d e l 一6 4 等型号组成大型图像处理系统。该系统的功能强大，带有常规的图 像处理软件包，能完成常见的图像处理功能。该系统可以应用于细胞组织的图 像分析、金相分析、超声图像分析、遥感图像的处理和分析等领域。n 2 1 伴随着计算机技术的发展，新型微机图像分析系统已经不再是以图像帧存 为中心的结构。而是直接由c p u 在内存中操作处理，这就是近年发展的主体 信号处理n s p ( n a t i v e s i g n a lp r o c e s s i n g ) 概念。i n t e l 公司在1 9 9 5 年发表了 浙江大学硕士学位论文 关于n s p 的白皮书，接着又公布了n s p 参照平台，n s p 的软件开发工具 ( s d k s ) 和驱动设备开发工具包( d d k s ) ，吸引了越来越多的软硬件开发商 的支持，新型微机图像分析系统就是n s p 思想的一个成功范例。几乎所有的 图像板卡公司都推出了基于p c i 和n s p 概念的图像卡，如加拿大m a t r o x 公司 的m e t e o r 、美国d a t at r a n s l a t i o n 公司的m a t c h 、国内科技嘉公司的c a m p c - - 1 0 0 等等。新型系统的优点包括： l 、采集精度高，静止图象可达7 6 8 5 7 6 象素，每象素r 、g 、b 各8 位， 像点抖动指标好； 2 、直接在内存处理图像，开销小，速度快； 3 、能实时采集全精度的活动图像序列： 4 、软件设计容易达到与硬件无关： 5 、采集卡上省去帧存、d a 和显示逻辑等电路，成本低。 基于n s p 概念的新型微机图像分析系统因为性能优异且价格低廉，已经产 生了巨大的冲击波，很快将在桌面图像分析系统中占据主流。 二、国内发展状况 我国在图像分析软件方面的研究起步较晚，但发展较快。北京航空航天大 学在1 9 9 1 年开发过一个以t v g a 显示卡为核心的颗粒图像分析系统。该系统软 件采用结构化程序设计，共有六大功能模块。其中，图像存取模块包括图像采 集、图像存盘、图像显示：灰度图像处理模块包括矩形子区、任意子区放大缩 小等；图像目标分割包括自动分割、交互分割等功能；分割后的二值图像编辑 处理包括中值滤波、图像膨胀等；目标数据统计模块包括尺寸标定、区域统计 等；图表参数输出模块包括显示图像、打印参数等。 南京佳南光电有限公司在引进美国0 m n i c o n3 6 0 0 图像分析仪的基础上， 采用m s c 平台开发了x q f 系列的金相图像分析系统。其通用软件能进行图像 采集、存储、图像处理、多视场测量、显示打印输出以及十多中参数的测量， 并且主要根据国内企业和研究机构的要求，开发了专用的金相软件。专用软件 可以进行晶界的提取，晶界重建，单相晶粒度测量( 面积法、截点法) ，非金 属夹杂物的测量( 包括硫化物、氧化铝、硫酸盐、球状氧化物的区分测量) ， 珠光体、铁素体含量测量，球墨铸铁石墨球化率的测量、奥氏体钢中口相测量， 铝合金中初晶与共晶硅分析等功能。 流水线处理图像计算机的出现，说明我国在图像处理的研究上取得了很大 的成就。和美国s t c i i s 公司生产的1 0 l 图像处理系统相似的清华大学生产的 t j 一8 2 图像处理机，流水节拍为1 0 0 n s ，对于每个像元，在处理很复杂的情况 下，也能达到运算速度每秒3 0 0 0 万次。带有全套的常规图像处理软件，从c c t 磁带的格式判定、数据进机、以及各种输入设备数据机、输出管理、图像显示 与检验、比例图像、主分量图像、统计、逻辑运算、正交变换和滤波、几何变 浙江大学硕士学位论文 换和校正、图像增强和复原、图像分割等各类软件包，包括几百种图像处理程 序2 ”。 图1 - - 2t j - s 2 工作原理框图 1 2 微机图像分析的发展的前沿技术 图像分析是计算机图像技术应用最早和最成功的领域之一。早在7 0 年代初 就有商品化的图像分析系统推出，并在细胞图像分析和金相分析等领域得到初 步发展。8 0 年代以来，微型计算机配备图像卡以及其它外设构成的桌面型图像 分析系统和基于工作站的图像分析系统都取得了突破性的进展。其应用领域也 已经扩大到医学、生物、冶金、材料、地质、石油、化工、机械、公安等领域， 用于各种宏观或微观图像的定量分析和识别，如细胞、染色体、肌体组织图像 分析，x 光、c t 和超声图像分析，金相分析，岩石颗粒分析，液滴分析，印迹 和指纹分析等。这主要归功于微机本身的硬件性能和软件平台以及相关的图像 输入装置的飞速发展。在相当长的时间内，图像处理的发展，主要和三个关键 性领域- - 一v l s i 技术，计算机结构及人工智能的发展有关。 1 2 1v l s i 技术 四方面的业务是构成所有计算机的基础：它们是晶体管或类似的开关元 件的开关操作，信息或能量的存储，信息的通信和输入输出。所有这四方面 的工作都在不断改进，而且这些改进并非相互独立地进行。当前所有的数字技 4 浙江大学硕士学位论文 术在开关速度和通讯速度方面都在不断提高。随着v l s i 技术的发展，芯片和 存储器的速度会极大提高，促进图像处理技术的发展。 1 2 2 计算机结构和新一代计算机系统 满足图像处理这个特殊领域及许多计算任务繁重的其他领域所要求的运 算能力，唯一可行的办法是使用若干( 数目相当大) 的并行处理单元。如果每 个处理器可以容纳足够的本地存储器或高速缓冲器，并使开关网络具有超过处 理器指令周期的能力，那么机器的数目就可以增加。b o l t ，b e r a n e k 及n e w m a n 的蝶式机器就属于这种情况。根据信息传输模型设计的计算机，各处理单元之 间的关系十分松弛，这些处理单元的数量相当可观，甚至可以多达上百万个。 可以设想，一旦这种机器投入使用，它们一定是紧致的、多用途的、可靠的， 而且使用方便，价格合理。 图像处理应用s i m d 结构可以得到一些简易而有效的效果。这种机器在访 问最临近的单元时，不需要变址或专门的寻址技术。在处理单元中的局部存储 器提供了一个十分有用的高速缓存器。这种机器最本质的特点是具有并行结 构，同时容易存取，选择适当标准的比特串行处理器，在数据的图形表示及精 度方面可以提供相当大的灵活性。 高性能图像处理系统选择的机种之一，是采用多指令多数据流( m i m d ) 机器。m i m d 的特性： l 、m i m d 的灵活性。在合适的软硬件支持下，m i m d 可以作为高性能单 用户机使用，也能同时运行多个任务，或者是高性能多任务的组合。 2 、m i m d 可由具有价格、性能比优势的微处理器组成。 这种机器的通用性较强。利用m i m d 结构可以增加计算机的性能，提高 计算机的可靠性。 许多科学家都坚信，在新的千年里，对于将计算机处理能力成倍增长的各种 技术来说，目前使用芯片上的晶体管进行计算的方法仅仅是最为初级的如果不 用电，而是用光来传递数据，定会使计算机的运算速度达到人们无法想象的程 度。在远程通信领域，人们已经用光纤传送光脉冲代替了用铜导线传送电信号。 但是将这种技术延伸到计算机的芯片领域就不那么简单了。使用极小的激光器 代替极小的晶体管将会遇到非常多的问题，不仅仅是局限在小型化、功率和冷 却等方面。 光学计算的巨大潜力使人们对其有着巨大的热情。著名的贝尔实验室最近 向人们公开了一种光学网络系统，它具有每秒钟传送4 0 0 亿比特的能力，这 远远超过了单股光纤的水平。约相当于目前整个因特网的0 每秒钟的数据传输 量。 对于将来的计算机，一个更具有吸引力的发展方向就是生物仿真。科学家 浙江大学硕士学位论文 们通过对蠕虫和蚂蚁等低等动物的遗传结构和行为进行模仿。发现我们可以利 用这些动物开发出更加复杂的计算机程序代码。使得我们的计算机芯片不但速 度更快，而且更加聪明。生物学家和计算机科学家正在协同工作，制造具有生 物灵感、可以精确地模仿动物行为的芯片。利用生物技术还将导致出现d n a 计算机等超级计算工具。通过使用d n a 片段作为数据单元，通过化学方法组合 分子链可能会求得答案，并且计算速度远远超过当今的巨型机。一旦研制成功， 对图像处理的影响将是深远的6 】。 1 2 3 人工智能 在图像处理领域，尤其是在较高的解释层次，有关人工智能( a i ) 的课题 越来越多。当今，人工智能是一门广泛的，多分支的热门学科。同时，它也是 一个不断发展的领域。人工智能在研究计算机图形、图像处理方面有重要的应 用。 图像理解主要研究课题如下图所示： 入 跟踪增长 构 类 匹配推理规划 图1 3图像理解主要研究课题 1 2 4 d s p 技术 今天，我们已经全面地进入了数字化时代。作为微电子学发展的一个巨大 成就。数字信号处理器( d s p ) 已经获得广泛的应用。在图像处理的应用中， d s p 技术起到重要作用。典型的如t m s 3 2 0 系列专用加速芯片早已应用于图 像处理系统。国外已把d s p 技术用于数字化扫描探针显微镜( s p m ) 的研制， 6 ，成 生 浙江大学硕士学位论文 并商品化，取得了可观的效益。s p m 仪器的全数字化，使得仪器易于维护、 操作的自动化程度高、实现功能强大、配置灵活。d s p 是一种专用的实时数字 处理的芯片，随着其应用日益普及，性能不断提高，价格持续下降，必将成为 数字图像处理的一个新的发展领域【2 8 1 。 1 3 本文主要研究内容 1 、首先简要的介绍了计算机辅助定量分析的重要意义，介绍了相关的图 像分析领域在国内外的发展概况。 2 、描述了软件的基本功能和典型的分析处理流程。介绍了系统的总体方 案设计、各部件的性能指标以及面向对象的软件的设计方法。 3 、介绍了专家系统技术知识，阐述了专家系统在金相图像处理领域的应 用，简要介绍了专家系统的开发。 4 、重点讨论了图像处理、图像分析的几种重要的算法。在图像预处理部 分包括了图像的平滑化、对比度增强和二值化等多种算法。图像分析部分包括 边缘检测、区域分割、纹理统计信息分析和二值图像分析等算法。同时注意了 吸收最新的图像处理领域的研究成果。 5 、分析了系统的主要误差来源，提出了改进的建议。最后，本文提出了 系统的网络化的发展方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章图像和视觉基础 2 1 颜色视觉 人的色觉的产生是一个复杂的过程，它有一系列要素。首先，色彩的产生 需要一个发光光源。光源的光通过反射或透射方式传递到眼睛，被视网膜细胞 接收引起神经信号，然后人脑对此加以解释产生色觉。由于人感受到的物体颜 色主要取决于反射光的特性，所以如果物体比较均衡地反射各种光谱，则人看 起来物体是白的。而如果物体对某些光谱反射的较多，则人看起来物体就呈现 相对应的颜色。 根据人眼结构，所有颜色都可以看作是3 个基本颜色红、绿、蓝三种 颜色的不同组合。区分颜色常用3 种基本特征量：灰度、色调和饱和度。灰度 与物体的反射率成正比，如果无彩色就只有灰度1 个维量的变化。对彩色来说， 颜色中掺入白色越多就越明亮，掺入黑色越多灰度就越小。色调是与混合光谱 中主要光波长相联系的。饱和度与一定色调的纯度有关，纯光谱是完全饱和的， 随着白光的加入饱和度逐渐减少。 色调和饱和度合起来称为色度、颜色可以用灰度和色度共同表示。为组成 某种颜色所需的红、绿、蓝的量称为3 个刺激量，并分别用x ，y z 表示。进一 步，一种颜色可以用它的3 个色系数表示，它们分别是： x x ：= 。- - 一 x 七y + z y y 。i 而 z z = 一 x 七y + z 由这些式子可看出： 2 2 象素间联系 2 2 i 象素的邻域1 1 3 1 对i 个坐标为( x ，y ) 的象素p ，它可以有4 个水平和垂直的近邻象素。它们 的坐标分别是0 + l ，j ，) ， - i ，y ) ，( 石，y + 1 ) ，( x ，y 1 ) 。这些象素组成p 的4 - - 邻域。 坐标为( z ，j ，) 的象素p 与它各个4 一邻域近邻象素是1 个单位的距离。如果( z ，y ) 在图像的边缘，它的若干个近邻象素会落在图像外。 浙江大学硕士学位论文 象素p 的4 个对角近邻象素( 用s 表示) 的坐标是 + 1 ，y + i ) ， + l ，y 1 ) ， 0 1 ，y + 1 ) ， 一1 ，y 一1 ) 。这些象素点加上p 的4 - - 邻域象素合称为p 的8 一 邻域。 i r i l r p r i r f srs i r p r l srs 4 邻域 4 一对角邻域 8 一邻域 2 2 2 连通性 象素间的连通性在建立图像中目标的边界和确定区域的元素时是一个重 要的概念。它可以进一步分成连接和连通，连接是连通的1 种特例。要确定2 个象素是否连接需要在某种意义上确定它们是否接触( 例如它们是否为4 一邻 域) 以及它们的灰度值是否满足某个特定的相似准则( 例如它们灰度值相等) 。 举例来说，在一幅只有灰度0 和l 的二值图像中，2 个4 一近邻象素只有在它 们具有相同的灰度值时才可以说是连接的。 下面用v 来表示定义连接的灰度值集合。例如在一幅二值图中，为考虑灰 度值为1 的象素间的连通性，v = 1 ) 。又如在幅灰度图中，考虑具有灰度值 8 到1 6 之间象素的连通性，则v = f 8 9 ，1 5 ，1 6 j 。我们可以定义以下三种连接 情况： ( 1 ) 4 一连接：2 个象素p 和r 在v 中取值且r 在4 一邻域中，则称它们 为4 一连接的。 ( 2 ) 8 一连接：2 个象素p 和r 在v 中取值且r 在8 一邻域中，则称它们 为8 一连接的。 ( 3 ) m 一连接：2 个象素p 和r 在v 中取值且满足下列条件之一，则它们 为m 一连接的。r 在4 一邻域中；r 在1 9 的4 一对角邻域中且由p 和r 的在 v 中取值的4 一近邻象素组成的集合为空。 如果1 个象素p 和另一个象素q 相连接，则它们相毗邻。我们可根据所用 的连接来定义4 一毗邻，8 一毗邻和m 一毗邻。对2 个图像子集s 和t 来说，如 果s 中的一些象素与t 中的一些象素毗邻，则s 和t 是毗邻的。 从具有坐标( 石，力的象素p 到具有坐标( j ，) 的象素q 的一条道路是由一系 列具有坐标( z 。，y 。) ，( ，y 。) ，( x 。，儿) 的独立象素组成的。这里( z 。，y 。) = ( x ，y ) ， ( x 。，乩) = ( s ，r ) ，( x ，只) 与( x 。，y 。) 毗邻，其中i i ，n 为通路长度。我 浙江大学硕士学位论文 们可以根据所用的毗邻性定义4 一通路、8 一通路或m 一通路。 设p 和q 是一个图像子集s 中的2 个象素，那么如果存在一条完全由在s 中的象素组成的由p 到q 的通路，那么就称p 在s 中和q 相连通。对s 中的任 意一个象素p ，所有与p 相连通的且又在s 中的象素的集合( 包括p ) 和起来 称为s 中的一个连通组元。图像中相同的连通组元中的2 个象素互相连通，而 不同连通组元中的各个象素互相不连通。 2 3 坐标变换 图像的平移、旋转和尺度变换等都是常见的图像坐标变换。般变换都是 基于3 一d 笛卡儿坐标系表示的。在3 一d 笛卡儿坐标系中，一个点的坐标记 为( x ，y z ) ，一般把( x ，y ，z ) 称为一个点的世界坐标。 l 、平移变换 设我们需要用平移量( 瓦，z 。) 将具有坐标为( z ，y ，z ) 的点平移到新的 位置( x + ，l ，。，z ) ，这个平移可以用如下3 个等式完成： x j = x + x o y 。= y + k ( 2 3 1 ) z j = z + z n 阱纠 x 】， z 1 ( 2 - 3 2 ) 一般常将几个变换级联起来以产生组合结果。例如平移后面紧跟着尺度变 换和旋转a 方矩阵的运用能极大地简化上述操作的表示。考虑这点，等式( 2 52 ) 还可写成如下的形式： 阱 1 00x e 01 0 01 z 0 0 0 01 z y z 1 ( 2 3 3 ) 在本论文中，采用统一的矩阵表达式： v = 爿v ( 2 3 4 ) 式中a 是一个4 x 4 变换矩阵，v 是包含原坐标的矢量 v = 瞄yz 1 】7( 2 3 5 ) v 是由变换后坐标组成的矢量： 浙江大学硕士学位论文 v = py z 1 r ( 2 3 6 ) 用这种表达法，平移矩阵可以写成： t = 1o o1 oo oo 并且平移过程可用式( 2 3 4 ) 完成 0 x 。l 0 y o l l z oj 01 l 所以v = n 。 f 2 3 7 ) 1 、尺度( 缩放) 变换 用s 。，s ，和s ：沿着x ，y 和z 轴进行缩放变换可用下列矩阵实现 s= s 。0 0 s y 00 oo 00 00 s ：0 o1 ( 2 3 8 ) 2 、旋转变换 用于3 一d 旋转的变换相当复杂。最简单的3 一d 旋转形式是关于个点 绕坐标轴的旋转。将点a 绕空间任意一点b 做旋转需要3 个变换：第个变 换是平移点b 到原点，第二个变换是将点a 绕原点旋转，第三个变换平移点 b 回到原始位置。 以下我们设旋转角是按从旋转轴正向看原点而顺时针定义的，这样将一个 点绕x 坐标轴转a 角度可用下列变换实现： r 。= 1o 0c o s 口 0 一s i n 口 00 o0 s i n 口0 c o s a0 o1 将一点绕y 轴旋转b 角度可用下列变换实现 r 口= c o s8一s i n80 1o s i n80c o s80 o0ol 将一点绕z 轴旋转y 角度可用下列变换实现 r ，= c o s y s i n ，0 0 s i n yc o s y 0 0 oo1o o0o1 ( 2 3 9 ) ( 2 3 1 1 ) 3 、级联 连续多个变换可用单一的4 x 4 变换矩阵表示。例如，对个坐标为p 的点 塑垩奎兰堡主堂垡笙壅 - 一。 的平移、放缩、绕z 轴旋转可以表示成： v = r 目e s ( t v ) - a v ( 2 3 1 2 ) 式中a 是一个4 x 4 矩阵，a = r o s l _ v 。这些矩阵的运算次序一般不可互 换。 尽管至今的讨论都还局限于对单个点的变换，但利用单个变换矩阵的方法 可以推广到对一组m 个点的变换。参考式( 2 3 ，5 ) ，让v 。，v ：v 。代表m 个 点的坐标。对一个其列是由这些矢量组成的4 x m 矩阵v ，可把用一个4 x 4 的矩阵a 同时变换所有的点，可写成： v = a v ( 2 3 1 3 ) 输出矩阵矿是一个4 x m 矩阵，它的第谚0v ；包括对应于v 的变换后的点 的坐标。 4 、反变换 上面讨论的许多变换都有执行反变换的矩阵，它们也很容易推出。例如平 移的逆矩阵是： 丁 = l0 0 一x o 01 0 一k 0 0 1 一z o 00 01 相似地，旋转的逆矩阵r 。1 是 r 口一= c o s ( - o ) 一s i n ( - 0 ) o o r 2 3 1 4 ) s i n ( - 0 ) 0 0 c o s ( 一目、0 0 o1o oo1 ( 2 3 1 5 ) 对于更复杂的变换矩阵，通常需要用数值计算来获得反变换。 2 4 图像的数字化 数字图像在计算机上是以位图( b i t m a p ) 的形式存在的。位图是一个矩形 点阵，上面的每个点称之为象素( p i x e l ) 。象素是数字图像中的基本单位。一 幅m n 大小的图像，是由m x 胛个明暗不等的象素点组成的。在数字图像中各 个象素所具有的明暗程度是由一个称为灰度值( g r a y v a l u e ) 的数字所标识的。 例如，我们可以将白色的灰度值定义为2 5 5 ，黑色的灰度值定义为0 ，而由黑 到白之间的明暗度均匀地划分成为2 5 6 个等级，每个等级由一个相应的灰度值 定义，这样我们就定义了一个2 5 6 个等级的灰度表。任何一幅用这个灰度表记 录的图像，它的每一个象素的灰度值都是由0 2 5 5 之间的某一个数字标定的。 浙江大学硕士学位论文 因为，2 5 6 = 28 ，所以，描述一个象素需要8 位数据。对于一幅单色图像来说， 2 5 6 等级的灰度变化足以描述它的各个细部。如果采用少于2 5 6 等级的灰度表， 例如1 2 8 等级( 7 b i t ) 或6 4 等级( 6 b i t ) ，我们会发现图像上原来很清楚的细微 部分会变得模糊起来，这显然是由于记录图像的信息不够而引起的。反之，如 果采用多于2 5 6 等级的灰度表，毫无疑问，由于信息量的增加，从理论上来说 图像的表现应该更加细致入微，但是，实际上观察者却感觉不到明显的变化。 这是因为人眼很难分辨2 5 6 等级以上的灰度变化。这样，采用多于2 5 6 级的灰 度表只会无益地增加图像的数据量。所以，采用2 5 6 等级的灰度表是比较理想 的。 在彩色图像中，每个象素需要三个字节的数据来记述。这是因为任何彩色 图像都可以分解成红( r ) ，绿( g ) ，蓝( b ) 三个单色图像，任何种其他的 颜色都可以由这三种颜色混合而成的。譬如，黄色就是由红色和绿色混合而成 的，增加或减少红色或绿色的灰度，就可以得到不同色调的黄色。根据上面的 讨论，每个单色图像中的象素都分别有一个字节来记录，所以，记录一幅红、 绿、蓝各2 5 6 种灰度的彩色图像，每个图像中的象素都需要占用三个字节。在 图像处理中，彩色图像的处理通常是通过对其三个单色图像分别进行处理来实 现的。 通常的图像，如一幅画，一张照片，都应能由个二维连续函数f ( x ，y ) 来描述。其中( x ，y ) 是图像平面上任意一个二维坐标点，f 指出该点颜色的深 浅。为了便于用计算机来处理图像，图像f ( x ，y ) 必须在空间上和在颜色深浅 的幅度上都进行数字化。空间坐标( x ，y ) 的数字化称为图像采样，而颜色深浅 幅度的数字化被称为灰度级量化。 假定连续图像f ( x ，y ) 被等距离取点采样形成一个nx n 方形点阵，它可 用下式表示： f ( 0 ，0 )f ( 0 ，1 ) m ，y ) 。 朋，o )邝，1 ) f ( 0 ，n 一1 ) f ( 1 ，n 一1 ) f ( n 一1 , 0 ) f ( n 一1 , 1 ) f ( n 一1 ，n 一1 ) 上式右边就是一个通常所说的数字图像。其中每个元素称为象素。 那么应该取多少个采样点，取多少个灰度级才比较合适呢? 图像的分辨率 是与n 和f n 这两个值紧密相关的。这两个值越大，数字图像就越接近原来的连 续图像。但是，另一方面，随着n 和m 的增大，存储图像的空间以及处理图像 所需的时间也周时迅速上升。而减少采样点数( 缩小n 值) 将使图像趋于模糊； 降低信息记录位数m 会使图质劣化。实际上，要评价一幅图像的质量的优劣有 时也很困难，因为对于图像质量的要求是随不同的应用目的而变的。根据经验， 浙江大学硕士学位论文 要使一幅数字图像具有黑自电视画面的画质，应使n = 5 1 2 ，m 2 8 。 2 5 本章小结 本章简要的介绍了视觉的基本知识以及图像的成像基础。讨论了图像象素 间的基本关系，同时介绍了模拟图像到数字化的转换。 一 塑望奎堂堡主堂垡堡奎 - _ _ - _ 一。 一 第三章系统的总体方案设计 3 1 系统功能简述 本系统是在v i s u a lc + + 6 0 集成环境中开发的w i n d o w s 应用程序，采用 了面向对象的程序设计方法。 虽然本系统由于开发时间短，尚待完善之处较多，但与南京佳南公司的 x q f 一5 a 金相图像分析软件相比，仍具有以下几个显著的优点： ( 1 )由于x q f 5 a 是d o s 应用程序，而图像处理和分析对内存要求较 高，这给d o s 环境下的应用程序设计带来很大的限制，必须采用x m s 和e m s 接口才能使用6 4 0 k 以外的内存。因此在x q f - 5 a 的测量晶粒度级别的算法中， 为解决内存不足的问题，不得不先把图像压缩成2 5 6 x 2 5 6 个象素，然后进行 后续处理，但这同时也降低t a l j 量的精度。内存的“瓶颈”经常导致在x q f 一5 a 的使用过程中程序异常中止的情况。而w i n d o w s 应用程序则突破了6 4 0 k b 内 存的限制，可充分利用主机的资源进行各种复杂图像处理算法的设计。 ( 2 ) 本系统使用多文档界面( m d i ) ，m d i 应用程序可以拥有和多个文 档相对应的“子窗口”。通过图像文件格式转换可在监视器上实时显示中间处 理的图像，在一定程度上可以改善以帧存为中心的不足。 ( 3 ) 采用面向对象的设计方法，便于以后扩展。面向对象的程序设计方 法主要是以数据为中心，代码是围绕着需要处理的数据而设计的。利用面向对 象技术，程序可以包含较少的代码行、分支语句和模块，这些模块较易理解， 因为模块反应了概念模块和对象模块之间的一对应关系。面向对象语言由于 支持模块软件开发而给开发带来了方便。对象可以把相关的元素放到一块，特 别是可以把数据和操作放到一起。通过把与某一特定的实体相关的所有重要组 成部分放在一起可以简化程序的设计和改进。 ( 4 ) v i s u a lc + + 集成开发环境能快捷地编辑界面资源，节省了大量底层 模块的开发工作，缩短了开发时间。v i s u a lc + + 的a p p w i z a r d 工具能自动生成 应用程序框架，该框架定义了应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现 方法。运用v i s u a lc + + 的资源编辑器能直观地设计程序的用户界面，而 c l a s s w i z a r d 能把用户界面和程序代码连接起来。程序员要做的就是用m f c 类实现框架中未完成的应用程序的特定功能部分。 ( 5 ) 与设备无关图形设备接口( g u i ) 环境。基于m s d o s 程序都是直 接往视频存储区或打印机端口输送数据，这种做法的不利之处在于需要对每种 显示卡或打印机类型提供相应的驱动程序。w i n d o w s 则提供了个抽象的接 口，称为图形设备接口( g u i ) 。w i n d o w s 已经提供了各种显示卡及打印机的 浙江大学硕士学位论文 驱动程序，这样我们可以不再关心与系统相连的显示卡和打印机的类型。我们 的程序可以通过调用g d i 函数和硬件打交道，而各种g d i 函数会自动参考被 称为设备环境的数据结构。w i n d o w s 会自动将设备环境结构映射到相应的物理 设备，并且会提供正确的输x 输出指令。g d i 在处理速度上几乎和直接进行 视频访问一样快，并且还允许w i n d o w s 的不同应用程序共享显示器。 各类功能具体实现的系统典型工作流程如下： 图3 - 1 系统典型算法流程 系统实现的功能主要分为如下几类： 1 、数据文件管理 从监视器上实时冻结一幅图像以位图文件( + b m p ) 的形式保存在磁盘上， 或从磁盘上调出显示在监视器上。此外，提供了通用的文件关闭、保存、打印 等功能。 2 、系统设詈 浙江大学硕士学位论文 包括光学定标、反相显示和伪彩色显示。 1 ) 光学定标 象素大小与其对应的实际大小之间有一定的比例关系，称为定标系数。定 标系数是由摄像头感光面积和显微镜的物镜放大倍数所决定的。对某一级放大 倍数，可以用标准试件测出定标系数。在实际参数测量中，必须输入定标系数， 才能计算出正确的值。 2 ) 反相显示 反相是指金相图像中各组织的灰度值的反转。在图像边缘检测的算法中， 假设边缘为低灰度部分；然而在实际应用中，若图像的情况与假设相反，则需 要先对图像进行反相处理，然后再进行后续的处理。在图像平滑化程序设计中， 部分算法假设噪声为低灰度部分，在实际应用中也需要灵活处理。 图3 2 原图像及反相显示后的图像 3 ) 伪彩色显示 由于人眼最多只能区分二十余级灰度，并且一种金相组织的灰度值在局部 范围内可能连续分布，造成肉眼观察难以区分不同的组织。而人跟对彩色则敏 感得多，能够辨别几千种不同色度与不同亮度的彩色。因此将灰度图像变换成 伪彩色图像，可以增强组织间对比，扩大信息量。从而使不同的组织分布一目 了然。 3 、图像处理 图像处理包括平滑化、对比度增强和图像的二值处理。 1 ) 平滑化 如果金相试样制备不当，或者由于图像输入设备( 如光学显微镜、光敏器 浙江大学硕士学位论文 件、a d 转换器) 本身的问题以及周围环境影响，使获得的金相图像含有不同 程度的噪声。这就需要先消除噪声，以便提高测量的精度。在本系统采用了邻 域平均法、中值滤波法、保持边缘的滤波法和保持细节的滤波法。 2 ) 对比度增强 图像输入的过程中由于光照或试样原因，大多数情况下图像的对比度较差， 导致不能很有效地分辨组织的细节。表现在灰度直方图上是绝大多数象素分布 在狭窄的灰度范围内。通过对比度增强，可以有效地提高图像的对比度。增强 不是以图像保真为原则来处理图像的，它不涉及图像质量变坏的物理过程，而 只是通过改善图像视觉效果的处理使之更适合于人眼的观察判断或计算机的 分析处理。本系统采用了线性灰度拉伸、对数灰度变换、对比度规格化法和同 态滤波法。 3 ) 二值图像处理 二值图像处理在本系统中得到较多的应用。它不仅适用于处理的金相材料 为两相的情况，同样也可用于多种金相组织同时存在的场合。在大部分参数测 量中，都可使用经二值化处理的图像。使用二值图像能极大地简化算法，提高 处理的速度，而且可以充分利用二值图像特有的几何学的信息。在灰度阈值不 明显的情况下，使用二值图像则可能会带来较大误差。在这种情况下，应设置 检测色，根据测量者的经验来选择适当的测量区域。本系统提供了二值化、腐 蚀和膨胀功能。 在第五章实现了以上图像预处理的具体算法。 4 、图像分析 对图像进行预处理之后，要考虑对图像的某一特定部分进行描述。本系统 采用的方法有设置检测色、边缘检测和区域分割。这些算法建立在这样的假定 条件下：在对应于图像中某一对象物的某一部分，特征( 灰度、形状、纹理等) 是相同或相近的，但在不同的对象物或对象物的各部分之间，特征就急剧地发 生变化。 1 )