（机械设计及理论专业论文）基于图像处理的材料细观结构分析方法研究.pdf

摘要 关于对不同缓凝剂和防水剂对建筑石膏水化和石膏刨花板力学性能的影响国内外研 究者以及本课题组其它成员已经做了比较系统的定性分析研究。揭示了不同种类的缓凝剂 和防水剂对建筑石膏凝结硬化过程、二水石膏结晶形态以及石膏刨花板力学性能灰产生不 同的影响。例如：柠檬酸的加入使二水石膏晶体由针状转化为短柱状，尺寸明显粗化，且 柠檬酸掺量越大晶体粗化现象越严重。当柠檬酸添加量介于o 0 5 0 1 之间时，石膏刨 花板的内结合强度、静曲强度和弹性模量最高，随着添加量的增加其上述力学性能也逐渐 变差。加入适当比例的防水剂明显地起到细化晶体，增强石膏刨花板力学性能的作用。 材料科学研究中，人们进一步注意到材料细观结构演化诱致了宏观力学行为改变。已 有的细观结构定性分析的结果只反映了材料宏观力学性能的改变，而不能从材料细观结构 方面定量地分析改变的一般规律，本论文寻求应用计算机图像处理技术来实现对材料细观 组织的定量分析的有效方法，探讨导致材料力学性能改变的细观结构方面的定量解释。 基于数字图像处理理论和m a t l a b 的图像处理功能，二次开发出了应用于石膏及石 膏刨花板细观结构s e m 图像的处理分析方法和程序，主要包括系统构成、图像处理与分 析的主要步骤、细观特征参数的提取和统计分析，以及在此基础上对晶体层的面积、孤立 晶体的尺寸和晶体细长比等材料细观特征参数进行数据处理等。上述方法可适用到金属金 相组织分析中，验证了方法和程序的适用性。通过实践，作者摸索并总结了石膏和石膏刨 花板s e m 试件制各工艺，设计了试验，为图像处理奠定了基础。 图像处理的定量分析结果进一步验证了定性分析结结论，结果证明应用上述方法和 程序设计对石膏及石膏刨花板细观结构s e m 图像的处理分析是可行的、有效的。探索了 一条将计算机图像处理技术应用到石膏基材料和其它材料细观结构的分析中的可行路径。 关键词： 数字图像处理细观结构定量分析s e m 图像 a n a l y s i so nt h em a t e r i a l sm e s o s t r u c t u r eb a s e do n d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t e f f e c to f t h ek i n d o f b u f f e ra n dw a t e r p r o o f a g e n to nt h ep r o c e s so f h y d r a t i o no f b u i l d i n gg y p s u ma n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e a i e so fg y p s u mp a r t i c l e b o a r d ( g p b ) w e r ea n a l y z e db yo t h e rm e m b e ro ft h ew o r k g r o u p t h er e s u l t so fq u a l i t a t i v ea n a l y s i ss h o w e dt h ek i n do fb u f f e ra n dh a st h ed i f f e r e n te f f e c to nt h es e t t i n ga n d h a r d e n i n go f b u i l d i n gg y p s u m ，c r y s t a l l i n eh a b i to f d i h y d r a t et h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g p b f o re x a m p l e c o n s e q u e n t l yl e a d i n gt ot h et r a n s f o r m a t i o no fd i h y d r a t ec r y s t a lf r o mn e e d l e - l i k et os h o n p r i s m a t i c f u r t h e r m o r et h eh i i g h e rt h ed o s a g eo fc i t r i ca c i d ，t h el a r g e rt h ed i h y d r a t ec r y s t a li s t h ei n t e m a l b o n ds t r e n g t h ，t h em o d u l u so f r u p t u r ea n dm o d u l u so f e l a s t i c i t yo f g p bw e r et h eh i g h e s tw h e nt h ec i t r i ca c i d o f o 0 5 0 1 w a sa d d e d t h ea b o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r er e d u c e do b v i o u sa sh i g hc o n t e n tc i t r i c a c i dw a sa d d e d b u tt h ed i h y d r a t ec r y s t a li ss l e n d e rw h e nt h ew a t e r p r o o fi na na p p r o p r i a t ec o n c e n t r a t i o nw a s a d d e d ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g p bw e r ei n c r e a s e d i nt h ef i e l do fm a t e r i a l sr e s e a r c h ，t h ep e o p l et h i n kt h a tt h ee v o l v e m e n to ft h em a t e r i a l sm e s o - s t r u c t u r e l e a d st ot h et r a n s f o r m a t i o no ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s c o n s i d e r i n gt h ea b o v er e s u l bo f q u a l i t a t i v ea n a l y s i sc a nn o te x p l a i nw h yd i dt h et r a n s f o r m a t i o no f t i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a p p e nf r o mt h e p o i n to f v i e wo f t h em a t e r i a l sm e s o - s t r u c t u r e ，am e t h o do f q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f m a t e r i a l sm e s o s t r u c t u r ei s s e tu pu s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g w h i c hw i l lq u a n t i f i c a t i o n a l l ye x p l a i nw h a ti st h ec a t k o ft h e t r a n s f o r m a t i o no f t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b a s e do np o w e r f u li m a g ef u n c t i o no fm a t l ba n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt h e o r y , t h ep r o g r a ma n d m e t h o d su s i n gt op r o c e s sa n da n a l y z et l l es e mi m a g e so fg y p s u mb o a r da n dg p bw e r ed e v e l o p e d t h e s y s t e mc o n f i g u r e ，s o m em a i nm e t h o d so fi m a g ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，m e a s u r i n gc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r so fm i c r o s t r u c t u r ea n da n a l y z i n ge r r o ra r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dm o r e o v e r , t h ef e a t u r e p a r a m e t e r sf o rt h em a t e r i a l sm e s o - s t r u c t u r ew e r em e a s u r e da n da n a l y z e d ，s u c ha st h eg r a i nd i s t r i b u t i o n ，t h e g r a i ns i z ea n dt h et a n g e n tr e c t a n g l es i z eo f t h eg y p s u mg r a i n t h ea p p l i c a t i o no f m e t a l l o g r a p h i c a la n a l y s i st o t h ea b o v ep r o g r a ma n dm e t h o d s ，p r o v e dw h i c hw e r ea d a p t i v e a tt h es a m et i m e ，o nt h eb a s eo f t h ep r a c t i c e ， t h eg e n e r a lp r o c e d u r e so fp r e p a r i n go fs p e c i m e n so fg y p s u m b a s e dm a t e r i a l sf o rs e mi m a g e sa n a l y s i sw a s a l s od e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e c o m p a r e dt h er e s u l t so fq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n do fq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，t h er e s u l ts h o wt h a tt h e p r o g r a ma n dm e t h o d su s i n gt op r o c e s sa n da n a l y z et h es e mi m a g e so fg y p s u mb o a r da n dg p bi sf e a s i b l e a n de x a c t s ot h ea n a l y s i sm e t h o d so fm a t e r i a l sm e s o s t r u c t u r eb a s e do nc o m p u t e ri m a g el p r o c e s s i n gi so f p r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m e s o - s t r u c t u r e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s s e mi m a g e j i ay o n g g a n g ( m e c h a n i c a ld s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db y _ f e n gq i a n p r o f e s s o r 致谢 y9 0 5 5 7 , , 本篇硕士学位论文是在导师冯谦教授悉心指导下完成的。从论文的选题、构思和方案 的确定，到论文的完成都得到导师的悉心指点。导师渊博的知识、严谨的治学态度、求实 的工作作风给本人以深刻的教诲和启迪。特别是，导师在很多方面给本人以很好的引导， 使本人在以后的学习、工作、生活中获益良多。谨此，向导师致以最诚挚的感谢! 在整个课题的研究过程中，得到了南京林业大学木材工业学院邓玉和教授、骆嘉言副 教授，南京林业大学杠娥电子工程学院孙志武老师、信息学院雷文副教授的指导、支持和 无私帮助，在此表示最诚挚的谢意! 在整个课题的实验和研究过程中，还得到了宣玲、周梅等同学以及室友杨雷、邵明习 的帮助和支持，在此一并表示感谢。 最后，衷心感谢我的父母布家人在我人生道路上的鼓励，关怀和大力支持。在此向他 们表示最特别最真诚地感谢! 我将在你们的关爱中继续前行! 贾永刚 2 0 0 6 年4 月于南林 第1 章绪论 1 i 本课题的来源及研究的内容、目的和意义 1 1 1 本课题的来源 本课题的研究的内容属于国家自然科学基金项目“石膏与木质材料的界面物理化学性 质及固化机理的研究”的子课题部分。 1 1 2 研究的内容、目的藕意义 材料的研究主要涉及到材料的宏观、细观和微观三个层次，其中细观指构成材料的颗 粒、纤维、晶体等层次。长期的实践和研究表明：材料的性能主要由其内部的细观组织结 构所决定。材料的组织结构( 含成分) 是构成材料学与工程的四大要素之一，其本身的定量 研究以及各种组织参量与其它三要素( 合成加工、性能、应用表现) 中所含各种变量之间 的定量关系研究是材料科学与工程的核心内容。因此显微组织的测量与分析很自然地 成为材料学研究的主要研究方法，在此基础上人们一直在寻求通过对材料细观组织结构的 理察与分析来了解和改善材料性能的有效途径。近年来用以材料二维细观组织结构图像处 理为基础的三维重构技术获取材料的三维结构己经成为研究的热点”1 。 材料细观组织结构的准确分析和判断是分析材料状态和内部结构的基础。传统的定量 细观组织分析是用人工目测进行的如确定金相组成、晶粒大小等。以金属材料金相组织的 分析为例，一张金相照片上晶粒数少则几十，多则上百。并且它们的平面形状复杂。若以 人工计测各个晶粒的面积几乎不可能。而用视场总面积除以晶粒总数得到的晶粒平均面 积，作为晶粒大小表征参数之一。这种方法很粗糙，尤其是对于不均匀混晶，误差更大”1 。 如果仅靠人工目测不仅一致性差，而且速度慢，工作量大且损害视力。1 。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 4 1 据美国y e n c h a r i s 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。【5 】 在本国家自然科学基金项目的另外一个研究小组的实验中发现，当缓凝剂和防水剂的 添加种类或添加量不同时，石膏刨花板在静曲强度、弹性模量和内结合强度上都表现出很 大的差异。分析其原因可能是由于材料细观结构演化而诱致宏观力学行为改变。微观模型 模拟试验研究表明“宏观上相同而细观上有差异的样本，它们的宏观力学行为可表现出 明显的差异嘲。 基于上述观点，本研究的主要内容是以石膏和石膏刨花板木膏细观s e m 图像为主要 应用对象，把数字图像处理技术引入材料的细观结构观察和定量分析中。运用基于m a t l a b 的图形及图像处理技术，开发了适用于处理不同添加条件下石膏和石膏刨花板细观结构形 态的应用程序，应用程序包含图像预处理、边界探测、图像分割、颗粒尺寸分析( 包括提 取晶体层的面积和孤立品体的面积、细长比等) 、数据统计分析等多个子程序，具有优化 图像质量、计算端面层石膏晶体的分布情况、探测孤立颗粒边界和计算颗粒尺寸等功能， 完成对该材料在不同复合条件下其细观结构形态和尺寸分布的量化分析。通过对材料内部 细观结构的分析，寻求与实验条件对应情况下石膏刨花板所表现出不同力学性能的细观层 面的解释。同时把这项分析技术引入到其它材料细观机构的定量分析中( 以金属金相图像 为例) ，探索一条较广泛地适用于固相混合材料细观结构观察和分析的图像处理路径，为 图像处理技术应用于材料结构、材料组份、材料加工工艺对材料性能影响的分析与研究发 挥积极的作用。 1 2 国内外的研究现状和动态 随着计算机技术的蓬勃发展，图像处理技术也得到了空前的发展和应用，己成为各领 域、各学科人们学习和研究的对象并得到普遍应用。 在社会生活和科学研究中，人们经常要与图像打交道。图像信息是人类认识世界的主 要知识来源，国外学者的统计结果表明，人类所获得的外界信息有7 0 以上是通过眼睛获 取的。数字图像处理是使用数字计算机对图像进行加工和处理的过程。起源于2 0 世纪2 0 年代的数字图像处理技术目前已成为诸如工程学、信息科学、统计学、物理、化学、生物 学、医学等领域中各学科学习和研究的对象，随着各种成像手段的应用，在材料的细观结 构观察和分析方面图像处理技术也正在被广泛研究和尝试。 在一些复合材料界面的细观结构，尤其是细观结构中混合材料间有明确分界的固相混 合材料分析方面，国内外都做了不同程度的尝试和应用。国外起步较早，例如r u s s 于1 9 9 1 年发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”。l e i t h n e r 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 “”“”。同时也推出了各种图像分析仪如英国l e i c o 公司推出的q u a n t i m e n ts o o 系统等。 国内在这方而的研究从早期的引进为主发展到现在的原创性研究如北京钢铁研究总院的 c s r 一9 8 型彩色图像粒度分析仪“，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“”，兰州理工大学的铸铁金相组织的检测系统“，浙江大学的图像分析技术和定 量金相分析相结合0 6 1 等这些都极大地推动了细观组织定量分析的前进步伐。但多集中于 对金相组织细观结构的具体分析和应用中，并未涉及到像石膏和石膏刨花板这类非金属材 料的细观结构的观察分析中，并通过对其细观结构的定量分析得出其板材宏观力学性能随 加工工艺不同而出现差异的原因。 在石膏晶体结晶方面，国内外的主要研究集中在添加剂或如f e ”、a l “等微量金属离 子对其结晶习性的影响“7 “”1 对其s e m 图像的应用仅限与人工观测用，而未运用图像处理技 术对图像中包含的特征值信息做分析。在石膏基复合材料领域的研究也多集中纤维种类、 生产工艺( 如半干法) 、木膏比、水膏比、铺装工艺以及生产设备方面“”唧“圳。本研究根 据材料的性能是由其内部的微观组织结构所决定，即结构决定性能这条自然界永恒的规律 “1 ，力图通过运用数字图像处理定量分析不同条件下石膏细观结构，说明材料细观结构演 化而诱致宏观力学行为改变情况。 2 数字图像处理技术应用到对石膏、石膏刨花板这样的非金属材料的s e m 图像的处理上 的应用在国内外的材料界面的细观结构分析方面就很少涉及，特别是石膏板和石膏刨花板 领域，由于国内外对它的研究还集中在原材料对板性能的影响、板材的生产工艺参数如： 木膏比、水膏比对板材性能的影响方面，以及本自然科学基金项目其它工作小组完成的在 石膏凝结固化及结晶形成、材料内部各界面间凝聚与胶结机理的基础理论研究等。而数字 图像处理在该领域的应用还有待发展。 石膏刨花板的研究始于八十年代初，近二十年来国内外对它的研究还集中在原材料对 板性能的影响、板材的生产工艺参数如：木膏比、水膏比对板材性能的影响方面，石膏刨 花板产品至今还是不同厚度形式单一的板材。对石膏固化的结晶形态，晶体细观结构对板 材力学性能的影响等基础理论的研究目前国内外尚不多见。 基于上述研究现状和动态，本论文总结在前人工作基础上，探索性地把数字图像处理 技术应用到对石膏、石膏刨花板这样的非金属材料的s e m 图像的处理上，并总结出了一套 在其它材料的细观结构研究中也比较适用的研究方法。其中预处理阶段主要包括降低由于 图像获取时系统硬件干扰而在图像中出现的水平扫描线等干扰的频域滤波降噪技术，解决 由于光照不均匀等客观原因导致的图像质量下降、细节不明显的图像增强技术以及图像尖 锐化技术等。在以输入为图像，输出为从这些图像中提取的特征参数( 主要包括边缘、颗 粒尺寸、分布面积、细长比及等) 为特点处理阶段，通过综合应用边缘检测、图像分割技 术、形态学图像处理技术等，完成对能准确反映材料细观特征的各参数值，并且对这些细 观特征值信息进行分析理解，找出其诱致宏观力学行为改变的原因。 1 3 本课题的技术路线和主要方法 关于不同缓凝剂、防水剂对石膏板和石膏刨花板中石膏晶体的结晶状态以及石膏刨花 板力学性能的影响，前人和本课题组的其他成员已经做了大量工作，并通过对石膏晶体细 观结构的定性分析，得出了较为一致的结论。本论文在此基础上，通过把数字图像处理技 术应用到石膏晶体细观结构的观察和分析中，提取图像中能较客观地反映不同条件下石膏 晶体结晶状态的特征值，并对得到的特征值进行统计分析，得到定量分析结果。通过与 已有的定性分析结论比较，验证本论文采用的定量分析方法的可靠性、实用性。 1 3 1 本课题的技术路线 石膏或石膏刨花板 s 赋件的伟4 备 图像获取( 包括显细观 察、扫描电镜照片) ：。j一 佰处崖盼最咆括圉慷晌敢串化 圈慷螬任砖敞去嗫锋方面，甘 昀暮使日像晌一些重霹细节曼峥 地显现出求) 圈持蛄埋咿隈c 完成舛圈_ ! 警的硅 臻植刚分苦l i _ 嘭名学蛄彦锋工 作为堆喃地担畋材料的鲰班悔 征撒曜缶1 提取材料的细观特 征参数 科摄取譬l 晌葶l 百i 嘁悔蚯参敦进 行归茹讣析萁反映扭采的目腰 和触恕性总培推广 定性分祈 对定量分折时_ 爿 和定性舟折蛄果进 行比拔分忻噎证本电文采用的定 盈分折方法的可靠l 生 图1 1技术路线 ( 1 ) 石膏和石膏刨花板材料的s e m 试件的制备。配合课题组其它小组的研究工作按 三条主线设计实验内容，完成样品制备。鉴于样品的制备方法还没有统一完善的标准来准 确地表示出不同材料的细观结构。1 。由于观察试样的处理和制备过程将直接影响显微分析 的可靠性和对结果的解释，如制样观察面不平时，在显微镜下观察就会出现有些部位组 织清晰而有些部位则比较模糊。所以本论文中为了尽量减小试件制备引起图像定量分析时 的误差，针对研究材料的特性，通过反复试验制定一套较广泛地适用于材料细观分析的从 样品制作，到试件选取位置、切割、抛光、再到s e m 中观察场设置的操作规范。大大提高 了实验的一致性和可重复性。 ( 2 ) 通过s e m 得到的图像被输入计算机，由于图像获取时系统硬件干扰而在图像中 出现的水平扫描线等干扰，以及s e m 成像过程中试件局部放电或观察面的细微缺陷导致的 图像对比低、局部模糊等。为了“去伪存真”，保证后续处理的完整真实，在保证图像固 有信息不丢失的前提下，首先对图像进行预处理，当然图像预处理的基本方法包括图像的 4 空间域增强、图像的频域滤波、图像的平滑、图像的锐化、图像的复原等许多种，但不一 定都适用于本论文的研究对象，这里我们基于实验最终所要获取的图像的特征参数值，通 过对历次实验中获得的试件扫描电镜照片进行了对比分析，总结出材料图像中对处理结果 影响较大的图像干扰，运用预处理技术加以矫正，并把处理手段应用与金相组织图像中， 验证其广泛适用性，以期为图像处理技术在材料分析方面的应用提供有意义的参考。 ( 3 ) 通过运用预处理阶段的工作，得到了质量有很大改善图像，关键细节更加突显 的材料细观图像。在图像处理阶段通过综合应用图像边缘检测、分割技术，形态学图像处 理知识，完成适用与本实验的边界探测、图像分割、颗粒尺寸分析( 包括提取晶体层的面 积和孤立晶体的面积、细长比等) 、数据统计分析等多个程序开发，实现优化图像质量、 计算端面层石膏晶体的分布情况、探测孤立颗粒边界和计算颗粒尺寸等功能，完成对该材 料在不同复合条件下其细观结构形态和尺寸分布的量化分析。并同样把得到的处理方法和 算法应用于金相组织的分析中，验证其广泛适用性。 ( 4 ) 对提取的材料细观结构的典型特征值进行统计分析，根据材料细观结构演化诱 致宏观力学行为改变旧”1 理论，希望通过对材料细观结构的分析，得出材料宏观力学性能， 如：静曲强度、弹性模量和内结合强度在不同条件下差异明显的原因。 ( 5 ) 对研究成果做一定的总结和推广，提出研究的下一步方向。 1 3 2 课题研究采用的主要方法 论文中采用的主要研究方法和手段分为两大部分，分别是试件制各阶段和图像的获取 和处理阶段。 ( 1 ) 试件的制备阶段 由于观察试样的处理和制备过程将直接影响显微分析的可靠性和对结果的解释”1 ，所 以对石膏板和石膏刨花板s e m 试件的制备必须有一定的要求和规范。这里根据材料的实际 情况，实验的目的以及s e m 对试件的普遍要求，通过反复多次尝试，制定了石膏板和石膏 刨花板s e m 试件的制备处理步骤：( 1 ) 按照实验设计的三条主线完成l o c m x l o c m 6 c m 样 品制备；( 2 ) 干燥；( 3 ) 按照设计取样位置和取样数目对样品进行切割取样，尺寸要求为 1 0 m m 1 0 m m 6 r a m ：( 4 ) 样品表面处理( 研磨与抛光) 等。最终获得的试件尺寸为 1 0 m m x l o m m 5 m m ，且观察面满足g e m 观测的要求。 ( 2 ) 图像的获取和处理阶段 在图像的获取阶段，对于每块试件按照实验设计的观察位置进行观察、获取图像，即 每块试件在四个设计位置拍摄四张电镜3 0 0 0 倍的图片，另拍摄了5 0 0 - 1 0 0 0 0 倍的图片供 比较用。 在对获取图像的处理过程中，按照图像的实际质量，期望得到的特征参数在图像中的 表现情况决定具体用到的处理方法以及算法、算子的结构。基本思路：读入原始图像，转 换成灰度图像并结合预期的处理目标进行图像质量评定，决定采用何种空间域增强、滤波 去噪处理，对经过预处理后的图像进行边缘检测、并选取合适的阈值将灰度图像转化成二 值图像再根据实际需要对二值图像进行形态学图形处理、特征提取等处理，最后对得到 的大量特征值进行统计分析。 ( 3 ) 由于图像处理技术的通用性以及固相混合材料细观分析方面的共性，以金相组 织为例对本论文中的处理方法和手段在材料细观结构、组分和性能分析等方面进行推广。 参考文献： 1 刘国权体视学在材料科学科究中的进展与展望 j 中国体视学与图像分析，1 9 9 6l ( 1 ) ：9 6 2 l im ，g h o s ts ，r i c h m o n dq ，e ta l t h r e ed i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i z a t i o na n dm o d e l i n go f p a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e sp a r tiq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no f g i c r o s t r u c t u r em o r p h o l o g y j ，m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g1 9 9 9a 2 6 51 5 3 3 周玉，武高辉材料分析测试技术材料x 射线衍射与电子显微分析 m ) 哈尔滨：哈尔滨工业人学出 版社，1 9 9 8 4 。友平石志强，计算机图像处理和模糊技术在确定晶粒度级别中的应用金属热处理2 0 0 53 0 ( 9 ) 6 9 7 0 5 徐建林，陈超。材料显微组织分析的研究，计量学报2 0 0 42 5 ( 4 ) 3 6 9 3 7 3 6 a n o n y m o u s m i c r o s t r u c t u r er e b e l l e d j s c i e n c e ，1 9 9 2 ，2 5 7 ( 9 ) ：1 9 7 6 7 马智言，李鹏兴图像分析系统迎来材料学研究数字化的新时代 j 中国图像图形学报，1 9 9 8 ， 3 ( 1 0 ) ：5 - 7 8 夏蒙芬，柯孚久，自以龙固体破坏的损伤演化诱致突变现象 j 物理，1 9 9 7 2 6 ( 3 ) ： 1 4 0 1 4 6 9 夏蒙芬，韩闻生，柯孚久统计细观损伤力学和损伤演化诱致突变( i i ) j 力学进展，1 9 9 52 5 ( 2 ) 1 4 5 1 7 3 1 0 卢春生，柯孚久，白以龙等演化诱致突变的计算机模拟 j 中国科学( a 辑) ，1 9 9 5 2 5 ( 1 ) ：5 4 6 0 1 1 r u s sjc c o m p u t e ra i d e dq u a n t i t a t i v em i c r o s c o p y j m a t e r i a l sc h a r a c t e r i z a t i o n ，1 9 9 1 ， 2 7 ：1 8 5 1 9 7 1 2 l e i t h n e rka b a s i c so fq u a n t i t a t i v ei m a g ea n a l y s is j a d v a n c e dm a t e r i a l s & p r o c e s s e s 1 9 9 31 1 ：1 8 2 3 1 3 徐建林球铁金相图片分析系统 j 钢铁研究学报，2 0 0 11 3 ( 1 ) ：7 3 7 6 1 4 d i n h em ，t e w a i ra ，p a t e lg a p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt or e c o n s t r u c t3 d m i c r o p r o s i t yi nc a s ta 3 5 6 0a l l o y j a f st r a n s a c t i o n s ，1 9 9 9 ，1 0 7 ：3 5 3 3 5 6 e 1 5 r o e b a c kb m e a s u r e m e n to fm a i ns i z e a n d s i z ed i s t r i b u t i o ni ne n g i n e e r i n g m a t e r i a l s j m a t e r i a l ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y2 0 0 0 ，1 6 ( i o ) ：1 1 6 7 1 1 7 4 1 6 胡荣泽刘森英c s r 一9 8 型彩色图像粒度分析仪在定量金相上的应用 j 硬质合金，1 9 9 9 ，1 6 ( 3 ) ： 1 8 0 1 8 3 1 7 陶景光，廖兆曙分形在显微图像分析中的应用 j 物理测试1 9 9 5 ，5 ：2 3 2 5 1 8 王建萍王家平许建广数字图像处理在定量金相分析中的应用 j 材料导报2 0 0 31 7 ( 1 ) 6 3 7 7 6 1 9 李军王国平钟本和 f e 3 + 、a 1 3 + 、m 9 2 + 对石膏结品习性影响的研究 j 化学工业与工程， 1 9 9 7 2 ：1 5 2 0 陈伏红半水石膏一二水石膏的结晶过程及添加剂的影响机理 j 佛山陶瓷，1 9 9 7 4 ：7 - 9 2 1 张宜生陈士英龙玲半干法石膏纤维板 ：艺研究i 原料配比、密度等对板材性能的影响 j 木 材工业1 9 9 81 2 ( 5 ) 8 - 1 1 2 2 刘正添对水泥( 石膏) 刨花板半干法成型设备设计的几点看法 j 建筑人造板1 9 9 91 ：1 3 - 1 5 2 3 李国忠于衍真等植物纤维增强年清复合材料的微观结构研究复合材料学报，1 9 9 7 ，3 ：7 2 7 6 2 4 d e t w i l e rrj ，p o w e r slj ，h j o r t i tju ，e ta i p r e p a r i n gs p e c i m e n sf o rm i c r o s c o p y j c o n c r e t e i n t e r n a t i o n a l 2 0 0 1 。2 3 ( 1 1 ) ：5 卜5 7 第2 章图像处理系统的软硬件组成 图像处理系统应该拥有图像获取、图像显示、图像存储和分析等功能。本课题研究 中用到的图像处理系统由以下硬件和软件组成：扫描电镜( s e m ) ，一台p e n t i u m 2 8 计算 机、一台1 7 寸彩色显示器以及m a t l a b 6 50 论文中涉及到的图像处理技术主要通过m a t l a b 语言实现，包括对已有的m a t l a b 图像处理工具箱函数的二次开发和基于m a t l a b 编程语言 的适用于处理不同添加条件下石膏和石膏刨花板细观结构形态的应用程序编写。 彩色曩示籍圈量她瑾棰机 2 1 图像处理系统的硬件介绍 图2 1 图像处理硬件系统 扫描电镜 扫描电镜( s e m ) 可对金属、陶 瓷、矿物、岩石、生物等样品以及各 种固体材料进行观察和分析研究。它 由六个系统组成： ( 1 ) 电子光学系统( 镜筒) ( 2 ) 扫描系统口口 ( 3 ) 信号采集系统 ( 4 ) 图像显示和记录系统 ( 5 ) 真空系统口 ( 6 ) 电源系统图 图2 2 扫描电镜 扫描电镜的成像原理，和透射电镜不同，它不用透镜来进行放大成像，类似闭路电视 系统那样，以逐点逐行扫描方式成像 由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2 3 个电子透镜聚焦后， 在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子，背散射电子， 吸收电子，x 射线等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变它们分别被相应的收集器 接受，经放大器按顺序，成比例地放大后，送到显像管供给电子光学系统使电子束偏向的 扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，该电源发出的锯齿波信号 同时控制两束电子束进行同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子 束的位簧是一一对应的。 2 2 图像处理系统的软件介绍 m a t l a b 图像处理工具箱提供了丰富的图像处理函数，主要可以完成以下功能： 1 ) 图像的几何操作 2 ) 图像的邻域和图像块操作 3 ) 线性滤波和滤波器设计 4 ) 图像变换 5 ) 图像分析和增强 6 ) 二值图像操作 7 ) 感兴趣区域处理 m a t l a b 图像工具箱提供的函数大多数是m 文件，我们可以查看这些文件的代码并进行 改进，也可以把自己编写的代码加入其中，来扩充图像处理的功能。本研究正是通过对 m a t l a b 图像处理工具箱进行二次开发和基于m a t l a b 编程语言的针对研究对象特点的程序 编写，来完成对石膏和石膏刨花板细观图像处理和分析。 m a t l a b 中的数字图像是由一个或多个矩砗表示的，矩阵可以是实数，也可以是复数。 这就意味着m a t l a b 强大的矩阵运算用于图像处理非常合适，矩阵运算的语法对m a t l a b 中的数字图像同样适用。 在b t a t l a b 中，图像是按像素存储的，即矩阵的每个单元代表一个像素。例如一幅3 0 0 行4 0 0 列的图像，在m a t l a b 中的存储为3 0 0 x 4 0 0 大小的矩阵。有些图像，如r g b 图像， 需要三维矩阵表示，每一维代表一种颜色，这样一幅3 0 0 行4 0 0 列的图像r g b 图像就需 要用3 0 0 4 0 0 3 的矩阵表示。 如果不加说明，m a t l a b 中图像数据矩阵的存储方式为双精度( d o u b l e ) 类型，即6 4 位的浮点数。 由于m a t l a b 图像处理中存在u n i t 8 和d o u b l e 两种图像数据类型，所以在使用工具 箱函数时要按照函数要求输入的参数类型传递参数。而且由于u n i t 8 和d o u b l e 两种类型 数据的值域不同，使用时还要注意输出数据值域的转换。 m a t l a b 图像处理工具箱支持的图像类型 图像类型是指图像在m a t l a b 数据文件中的存储方式。m a t l a b 图像处理工兵 占支持4 种图像类型，它们是： 9 ( 1 ) 真彩色图像 ( 2 ) 索引色图像 ( 3 )灰度图像 ( 4 ) 二值图像 另外，m a t l a b 还可以处理由多帧图像组成的图像序列。 ( 1 )真彩色图像 真彩色图像又称r g b 图像，它利用r 、g 、b 3 个分量表示一个像素的颜色，r 、g 、b 分 别代表红、绿、蓝3 种不同的颜色，通过三基色可以合成出任意颜色。所以对一个尺寸为 m 珂的彩色图像来说，在f 1 _ a t l b 中则存储为一个m x 3 的多维数组。 真彩色图像可用双精度型来存储，此时亮度值的范围是 0 ，1 ，一个像素值为( 0 ，0 ， o ) 代表黑色，值为( 1 ，1 ，1 ) 代表白色，这一点与w i n d o w s 编程规则不同有的图像文 件格式用2 4 位存储r g b 图像，红、绿、蓝各占8 位，这样可以有2 2 1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色。真 彩色图像也可以用无符号整型来存储，如果用无符号整型存储r g b 图像，则亮度值的范围 为 o ，2 5 5 3 。 ( 2 )索引色图像 索引色图像把不同的颜色对应为不同的序号，每个像素存储的颜色的序号而不是颜色 本身。m a t l a b 中的索引色图像包含两个结构，一个是调色板，一个是图像数据矩阵。调 色板是一个m 3 的色彩映射矩阵，矩阵的每一行都代表一种色彩，与真彩色图像相同， 通过3 个分别代表红、绿、蓝颜色强度的双精度数，形成一种特定的颜色。调色板矩阵每 个元素的值可以是在 0 ，1 之间的双精度浮点数。 默认情况下，调用调色板函数会产生一个6 4 3 的调色板，当然，用户也可以制定调 色板的大小。 ( 3 ) 灰度图像 灰度图像就是只有强度信息，而没有颜色信息的图像，它在早期的图像处理中占有很 重要的地位。存储灰度图像只需要个数据矩阵，矩阵的每个元素表示对应位置的像素的 灰度值。灰度图像的数据类型可以是d o u b l e 类型，这时值域为 0 ，1 ；也可以是u n i t 8 类型，值域为 0 ，2 5 5 。 尽管灰度图像从来不和调色板一起存储，但是，m a t l a b 还是利用调色板来显示灰度 图像。 ( 4 ) 二值图像 二值图像就是只有黑自两种值的图像，我们可阻把它看作是特殊的灰度图像。二值图 像只需一个数据矩阵来存储，每个像素只取0 或者1 。二值图像可以采用u n i t 8 类型或者 d o u b l e 类型存储，但是由于u n i t 8 类型节省空间，通常使用u n i t 8 类型。 m a t l a b 图像处理工具箱返回二值图像的函数都把返回结果作为u n i t 8 类型的逻辑矩 阵，并用一个逻辑标志来表示值域范围。如果逻辑标志为真，则返回结果为 0 ，1 ，如果 逻辑标志为假，返回结果为 0 ，2 5 5 。 ( 5 ) 图像序列 有些情况下，需要一系列按照时间或者序号排列起来的一组图像，例如核磁共振图像 1 0 片( m r i ) 或者电影文件 m a t l a b 图像处理工具箱中定义了函数可以将帧图像连接成图像序列图像序列是一 个四维的数组，图像的长、宽、颜色深度构成图像的前三维，图像帧的序号构成第四维。 比如一个包含4 幅3 0 0 4 0 0 真彩色图像的序列，图像的大小则为3 0 0 4 0 0 3 4 。 2 3 计算机图像处理概述 当用数学方法描述图像信息时，通常着重于考虑点的性质。例如一张黑白图片可以用 厂0 ，y ) 来表示( x ，y ) 点的亮度值( 灰度值) ，而一幅彩色图像可以被看作是空间各个坐标点 上强度的集合。它最普遍的数学表示为： i = f ( x ，y ，z ，兄，f ) 其中，x ，y ，z 是空间坐标，丑是波长，r 是时间，是图像的强度。这样一个表达式可以代 表一幅活动的、彩色的、立体的图像。 当研究的是静止的图像时，则图像与时间f 无关，当研究的是单色图像时，可以与波长 无 关，对于平面图像来说则与坐标z 无关。因此，对于静止的、平面的、单色的图像来说数 学表达式可简化为 i