（机械制造及其自动化专业论文）基于数字图像处理的金相几何参数的定量分析与研究.pdf

塑坚查兰婴主兰些堡墨：￥ 摘要 长期以来，人们都采用传统的定性和半定量的方法对金相组织进行分析和评 定。随着科学技术的不断发展，特别是定量金相学理论和数字图像处理技术的发 展定量金相学在实际工作中得到了很广泛的应用，已经成为金相学的一个重要 分支。定量金相学是一门涉及材料科学，计算机科学和图像处理技术及模式识别 等学科的综合型应用科学。 金相定量分析就是应用某些可以测量的参数或可计算的参数来准确地表征 组织特点，寻找它们与金属材料性能之间的关系。传统的金相定量分析人工检测 是一件很辛苦的工作，有些试验因工作量过大而无法进行。 本文通过大量的实验，提出了一种新的晶粒边界细化和晶界重建的方法提 高了以统计像素为基础的全自动测量的精度。同时在全自动测量数据的基础上提 出并用实验验证“用分形维数描述晶粒度”的论断。 本论文的主要内容包含了以下内容： 第一章绪论中介绍了金相组织参数检测的意义，金属材料性能与金相显微组 织尺寸间的关系，国内外检测技术的发展和应用情况，并阐述将分形原理应用到 金相微观组织研究领域的重大意义。 第二章通过介绍金相组织几何参数以及人工分析方法，通过对铁素体晶粒度 测试和球墨铸铁第二相参数的测试分析，指出目前计算机全自动检测尚不能完全 取代人工检测。 第三章论述了数字图像预处理的基本原理及其步骤和处理效果，提出了不同 检测要求的金相图像需要不同的图像处理方式。 第四章介绍了晶粒细化和晶界重建的各种方法。并通过分析后的图像效果和 试验数据，将人工检测和计算机自动检测的进行评定。 第五章介绍了金相几何参数检测的软件组成和开发，以及应用函数类型和流 程。最后简述了该软件的主要功能和界面。 第六章在晶粒度检测领域中引进分形理论，用试验证明金相微观组织结构与 材料性能参数之间存在着维数关系。 第七章总结了全论文的内容，指出所做工作的成果和不足，并提出系统未来 的发展方向。 关键词：定量金相数字图像处理金相参数检测分形维数 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sm a n ya d a y , t h em e t a l l o g r a p h yi sa l w a y sa s s e s s e db ym e a n so ft r a d i t i o n a l l y d e t e r m i n et h en a t u r eo rh m f q u a n t i m t i v e a n a l y s i st e c h n o l o g y w 曲t h ed e v e l o p m e n to f q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h yt h e o r y a n d d i g i t a li n l a g ep r o c e s s t e c h n o l o g y , 血e q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h y i sm u c h w i d e l y u s e di na n db e c o m eab r a n c ho f m e t a l l o g r a p h i c i nf a c t , t h eq u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h yi sas y n t h e t i c a l l ya p p l i c a t i o n s c i e n c ew i t l lr e l a t i n gt om a t e r i a ls c i e n c e c o m p u t e rs c i e n c e , d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g ya n dp a t t e mr e c o g n i t i o nt e c h n i q u e s t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y z eo fm e t a l l o g r a p h yi sa b o u th o wt od e t e r m i n a t e l ye x p r e s s t h eo r g a n i z a t i o no f m e t a l l o g r a p h yb ym e a s u r a b l ea n dc a l c u l a b l ep a r a m e t e r s ，a n df i n d t h er e l a t i o n s h i pa n dr u l e rb e t w e e nm a t e r i a lp e r f o r m a n c ea n dt h e s ep a r a m e t e r s b e c a u s eo ft h e u n s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i n g o fp a r t i c l e si n m e t a l l o g r a p h y n o p a r a m e t e r c a nb ea s c e r t a i n e db ys e v e r a ld a t am e a s u r e di nav i s t u da l g a , i ti sa b s o l u t e l y n e c e s s a r i l yt oh a v e ag r e a tl o td a t at oa s s u r et h er e l i a b i l i t yo f r e s u l t s i nt h i sp a p e rt h en e wm e t h o d so fd e b l u r r i n g ，t h i n n i n ga n de d g er e c o n s t r u c t i n ga r e p u tf o r w a r db y m e a n so fe x p e r i m e n t s t h en e wm e t h o d sd e c r e a s et h ed i f f e r e n c eo f r e s u l t st e s t e db yd i g i t a dm i c m g r a p h i cs o f t w a r e a l s ow i t ht h e s ed a t a , ac o n c l u s i o n w h i c h g r a i ns i z ec a n b ed e s c r i b e db yf r a c t a ld i m e n s i o ni sp r e s e n t e d 1 1 l cd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ss e v e nc h a p t e r sa n dt h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w ： i nc h a p t e r1 ，t h ep a p e ri n e l u d 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 da s s e s s m e n t a n dt h ed e v e l o p m e n to fr e l a t i n gr e s e a r c h ，a n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ea p p l i c a t i o no f f r a c t a ld i m e n s i o ni nq u a n t i t a t i v em e t a u o g r a p h i ca r e a i n c h a p t e r 2 t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c et h e c o n c e p t i o n o f q u a n t i t a t i v e m e t a l l o g r a p h i c ，s o m eo f d e n o t a t i o n s ，f o r m u l a t i o n s ，a n d t h em e t h o do f m a n u a l t e s t i n g i nc h a p t e r3 ，ad i g i t a lm e t a l l o g r a p h i ci m a g ep r e - p r o c e s s i n gw i t han e wa l g o r i t h m f o rs h a d o w r e m e d y a n d e d g ed e t e c t i o n i sp r e s e n t e dt om a k e i m a g e sc l e a r l y i nc h a p t e r4 ，t h ea l g o r i t h m sb a s e do ns i g n i f i c a n t t yd i f f e r e n tm e t h o d sf o rg r a i ne d g e d e t e c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o na r eu s e dt od e m o n s t r a t et h er e l a t i o n s h i pm o r ec l e a r l ya n d t og l v eag e n e r a lv i e wo f c o m p u t e r - a i d e di m a g e p r o c e s s i n g i nc h a p t e r5 ，t h e p a p e ri n t r o d u c e t h e d e s i g n ，a l g o r i t h r n s ，f l o wc h a t a n ds o m e f u n c t i o n so fn 圮d i g i t a l m i c r o g r a p h i ct e s t e rd e v e l o p e db yv c + + a n ds h o wi t s i n t e f f a c ei nt h el a s ts e c t i o n i nc h a p t e r6 ，t h ea p p l i c a t i o no f f r a e t a lo n g r a i ns i z ea n a l y s i si sp r e s e n t e db y m e a n s o f r e s u l t st e s t e db yd i g i t a lm i c m g r a p h i c i nc h a p t e r7 t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c h w o r ki sl o o k e da b e a d k e yw o r d s ：q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h y d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m e t a l l o g r a p h i cp a r a m e t e r t e s tf r a c t a ld i m e n s i o n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 人类使用金属已有几千年的历史，在研究，刨制和应用金属材料的漫长过程 中，同时发展了各种观测金属组织的实验技术。从肉眼的观察分析到光学金相显 微镜的出现，进而到电子显微镜的应用，标志着研究组织的技术发展，反映了人 们认识的不断深化，随着近代检测技术的发展，组织与结构之间的界线正被突破。 为了分析组织，必须掌握金相分析技术，它包括宏观组织分析，光学显微组 织分析( 光学金相方法) ，及电子显微分析( 电子金相方法) 三类。其中光学显 微组织的分析在现代金属材料的研究中的重要性显得更为突出。而计算机技术的 迅猛发展提供了更可靠，先进和快速的分析工具【1 】1 2 】l ”。 1 1 基于数宇图像处理的金相分析的意义 1 1 1 材料研究领域中金相组织分析的发展现状及意义 金相显微分析是金属材料科学研究中一种很重要的研究方法，它可以观察及 研究金属中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷，金相几何参数的研究 属定量金相范畴，对材料科学的研究意义重大。 近年来，在材料科学和材料工程领域中用来研究和分析金属及其他材料显微 组织的主要新型测试设备和分类研究方法已取得了许多重要的成果。像薄膜高压 透射电子显微镜，表面发射式或反射式的扫描电镜等都已经为获取材料在微观尺 度上的内部结构和组织的更多信息开辟了新的渠道。同时，在各种不同的试验和 实际应用条件下揭示那些确定材料的工程性能并控制它们状态的基本材料参数 方面已取得了迅速的进展。在金属机械性能方面，一个重要而合适的实例是对高 强度金属材料建立并测定其断裂韧性参数( 临界应力强度因子，或临界变形尺 寸) ，应用线弹性断裂力学的基本原理来确定材料的裂纹扩张抗力。这些研究对 工程材料的评价和性能预测是重要的，除此之外，关于这些参数的有效性及其测 定，现在已有可能在材料的机械性能和显微组织形貌之间建立起更为普遍与基本 的关系。当然，定量金相的实践并非一件新事物，在磨片的二维平面上测定晶粒 度，非金属夹杂物以及第二相质点的尺寸和间距等已有多年了，但过去很少甚至 没有把所测得的量与存在于三维空间中完整的，基本的显微组织形貌联系起来 ( 即应用定量体视学的原理) 。这些测量值已经以一个颇为简单而原始的方式与 f 生能的试验数据或实际特征联系起来了，但在相互关系方面经常会出现复杂的， 浙江大学硕士学位论文 矛盾的或者例外的结果，这是由于所测量的量没有确切的含义或直接关系所致。 实际上，显微组织的定量研究所涉及的问题不限于某一种材料，研究金属所 用的数学方法也能够以相同的规则应用于陶瓷制品，混凝土，甚至人类细胞组织 等领域。因此，基于数字图象处理的金相显微组织的定量分析技术的发展不仅能 推动材料研究的发展，而且还在很大程度上推动了陶瓷材料，建筑材料，医学， 生物学等研究的进步。 1 1 2 基于数字图像处理的定量金相分析发展现状 数字图像处理的发展历史不长，但已经引起各方面研究人员的广泛重视。首 先，视觉是人类最重要的感知手段，图像又是视觉的基础。因此数字图像成为心 理学，生理学和计算机科学等诸多方面的学者研究视觉感知的有效工具。其次， 图像处理在军事，遥感，气象等大型应用中有不断增长的需求。此外数字成像( 如 摄像机，扫描仪等) ，图像打印机等快速的发展，使得图像处理设备不再昂贵， 给图像发展提供了很好的条件。目前，数字图象处理在材料学上的广泛应用已经 为金相分析工作做出了很大的贡献。 数字图像处理与体视学的完美结合给定量金相分析带来了新的生命力。近几 年，国内外许多学者都在金相图像分析和几何参数求解的问题上提出了大量有价 值的见解和算法。国内外相关领域的研究主要有： 1 在焊接金相组织图像识别的技术方面，提取焊接金相组织的特征参数， 实现了碳钢及低碳合金钢焊接金相组织的自动定量识别，建立焊接金相组织和性 能间的定量关系。 2 在定量金相算法方面实现了多相合金中各相的相对量或体积百分数的 自动评定晶粒大小的测定晶粒间距离的测定。 3 在混晶的定量金相研究中，通过图像的分析和检测，得出“大晶粒”和 “小晶粒”并存的原因和各自的细化效率情况和生长的模拟分析。 4 随着定量金相分析系统的改进，球铁金相分析中石墨形态分析，石墨大 小的测定，团絮状和蠕虫状模拟生长等等都有相应的研究成果。 5 在晶界重建方面，涌现了许多以数学形态学为基础的膨胀算法。在晶界 细化上也提出诸如抽骨架，分水岭等图像损失较小的算法。 6 在正交试验的基础上，运用定量金相，数理统计，回归分析等方法，定 量地研究化学成分和凝固冷却条件对球墨铸钢中石墨和碳化物体积百分比的影 响规律，而得到相应的数学表达关系式，成果显赫。 总之，数字图像处理的广泛应用对金属材料的研究影响重大。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 金相几何参数检测系统概述 由于金相几何参数的尺寸对材料性能的影响很大，它的检测在材料分析中起 着很重要的作用，所以在金相分析中，有很大一部分工作是金相组织参数的测量 和评定，历来这项工作很费时间和精力，给金相研究带来很大的麻烦。科研工作 者不断地努力，试图寻找一种快速，便捷和精确的计算机辅助测量，但都存在着 这样那样的缺陷和误差。提出的基于数字图像处理的晶粒参数测定新方法在很大 程度上改善了工作环境，提高了工作效率，并使测量进度大大提高。但是由于晶 粒形状的不规则性和试样剖面的随机性，目前还不能完全以计算机辅助的全自动 测量代替人工测量，在某些时候人工测量更有优势。 金相组织的观测包括显示和检测两部分： ( 1 ) 试样的制作和金相组织的显示 试样表面比较粗糙时，由于对入射光产生漫射，无法用显微镜观察其内部组 织。因此要对试样进行加工，通常是用磨光和抛光法，以得到一个光亮的镜面， 为了看到金相组织的细节，必须采用一定的试剂对试样表面进行腐蚀，使试样表 面有选择性地溶解掉某些部分( 如晶界) ，从而呈现微小的凹凸不平。这些凹凸 不平都在光学系统的景深范围内用显微镜就能看清楚试样组织的形貌。试样制 作过程一般包括取样，镶样，磨光，机械抛光( 或电解，化学抛光) ，腐蚀等几 个主要的工序。 试样的制作会对观察和检测有一定的影响，以观察和检测奥氏体晶粒大小和 成长为例。奥氏体是共析钢加热至a 即稍高于7 2 7 c ( p s k 线) 珠光体转变 形成的。对于奥氏体的三种晶粒度( 起始晶粒度，实际晶粒度，本质晶粒度) 试 样制作的不同方法会对晶粒边界产生不同的影响，这是我们在检测时所应注意的 问题。如经渗碳法和氧化法制作后，虽然都显示奥氏体的本质晶粒度，但在显微 镜下显示出不同的图像，因而图像处理的方法就会相应的改变。 ( 2 ) 金相几何参数的测试方法及其设备硬件组成 晶粒大小通常用晶粒度来表示，对于等轴晶粒，先放大1 0 0 倍左右观察，当 晶粒过大或过小时可适当放大或缩小，在以8 0 m m 直径的视场内不少于5 0 颢晶 粒为限。计算被一条直线相交的晶粒数目时，直线要足够长，使得与直线相交的 晶粒不少于1 0 个，计算时直线端部未被完全交截的晶粒以一个晶粒计算。最少 选择三种不同部位的三条直线测试，用弦的平均长度查表来确定钢的晶粒度。 采用计算机辅助测试的方法，在一定的视场范围内，对一幅二值化图像用一 条扫描线扫过，统计出这条扫描线所经过的像素为2 5 5 的黑点数，进而判断有多 少颗晶粒被扫描线所交截。然后查表，或通过计算可得晶粒度级别n ”。 浙江太学硕士学位论文 晶粒的平均面积测试法也是计算机辅助测试中的一个重要方法。等轴晶粒的 周长通过平均弦长计算而得。 整个测试系统的包括硬件系统和软件系统，硬件系统如图1 一l 所示： 图 雏1 蜀一国 昏雠 在本系统中。图像获取装置采用南京佳光公司x q f 一5 a 行立式金相图像采集系 统。由光学显微镜，c c d 摄像头和图像采集卡组成，它可以将金属试样实时摄 入通过图像采集卡。将模拟图像转换为数字图像。 ( 3 ) 晶粒度分形维数的测定 采用分形分维中经典的周积法，即测量每个封闭图形的的周长和面积，其中 面积和周长的数据来源于数字图像处理后晶粒测量软件的自动检测结果。分形维 数以周长和面积在双对数坐标上所作出的直线的斜率的2 倍来确定。 1 3 金相几何参数测量的意义 1 3 1 晶粒尺寸与材料性能的关系 早在五，六十年代，金相的定量分析工作就已经开展，其目的在于要比较精 确地了解组织与性能之间的关系，找出其规律性，应用某些可以测量或计算的参 数来确切地表征组织的特点，寻找它们与性能的定量关系。定量金相对材料的研 究、生产和使用都具有极大的理论意义和实践意义。它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_ 形貌与加工制各方法之间的关 系。随着定量金相分析技术的不断提高，定量金相被广泛应用于金属与合金的基 本参数如比重、重量百分数、晶粒度、相变激活能等的测量，合金相的鉴定，合 金组织与性能的定量关系研究，合金相变热力学，合金相变动力学的研究等等。 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 是一种概略的描述。定量金相分析专家在通过大量的金相试验后，总结出了金属 性能和金属晶粒度的具体的计算公式，例如早在五十年代初期，e 0 h a i l 和 4 浙扛大学硕士学位论文 n j p e t c h 就由大量试验数据归纳出合金室温屈服强度盯。与晶粒直径倒数的平方 根之间的关系：盯s = c r o + k d 一“2 3 1 式中：盯。为与晶粒度大小无关的强度分量；女为比例常数。 现在，研究者们已经越来越认识到，在显微组织特征的大小与各种机械性能 或物理性能之间存在着有规律的函数关系，这就使我们可以对一种或多种显微组 织特征确立一些界线数值来对产品和工艺过程进行质量控制。大多数冶金材料是 多晶体，因此晶粒度对材料的机械性能如强度有重大影响是毫不令人感到意外 的。如图1 2 所示为晶粒尺寸与低碳钢的屈服，流变和断裂应力的关系。 1 2 0 1 0 0 b 0 盏 * 枣6 0 止 童 4 ( i 2 0 0 、 r 。 一 ，一一- * _ _ 删 o 喋 h 十h 十 图l - - 2 低碳钢的屈服，流变和断裂应力与晶粒直径 呈平方根倒数的函数关系，其中的百分数是指冷加工预应变量 从图中我们可以清楚看到：晶粒尺寸越小( 晶粒越细) 低碳钢的屈服强度越 高。断裂应力也越高。 浙吐大学硕士学位论文 佘入。 、 。 k 图1 3 延性一脆性转变温度与晶粒直径平方根倒数的对数( 厘米一i 2 ) 关系 扣 州 v 强 删 酴 尊 露 埘 姐 崔 崔 - 夕 ， ，7 7 。 f 7 - 广 。 ，。 1 ，7 f、 oo 1 o2o 30 40 5o 6 吉碳量( ) 图l 一4 a s t m 晶粒度级别对低合金马氏体型碳钢的临界淬透壹径的影响 晶粒度也与更敏感的机械性能指标如延性一脆性转变温度有关( 见图1 3 ) ，而淬透性之类的物理现象则表现出与晶粒度有定量关系( 见图l 一4 ) ，在这 种情况下存在着一种清楚的然而并非是经常被指出的含义即这些相互关系用于 等轴晶形貌时只需要一个尺度就足够了。但如果晶粒是延伸的扁平状或带状，这 些关系就不再适用。事实上，遇到的情况很可能是既有晶粒尺度又有机械性能的 弛 门 鹊 拍 h 控 卫 埔 埔 h 0 o 0 o 0 o 0 o o 浙江大学硕士学位论文 各向异性。抛光面的选择应当能反映晶粒形状是各向异性的特性。此外，二次枝 晶干的间距与局部凝固时间有严格的相互关系，两者呈线性关系。这不仅使得通 过采用适当的金属型来控制铸造工艺成为可能，而且也为计算随后退火的均匀化 时间提供了可能。 0 卜 图1 5 铝锭残留的粗大金属间化合物的体积百分数对短的 横向( 厚度) 上平面应变断裂韧性值的影响 分布相和机械性能之间的定量关系对于获得良好的重演性具有十分重要的 意义。图1 - - 5 显示出脆性化合物对高强度合金断裂韧性值的强烈影响，此处选 择试样的厚度方向的韧性测量是由于认识到材料中既有化合物颗粒形状又有铝 合金固溶体晶粒的各向异性现象存在3 1 “。 总之，研究金相组织的晶粒参数与材料性能影响对于材料的分析具有很重要 的意义。 1 3 2 晶粒度维数与材料性能的关系 分形作为近十几年发展起来的- - i q 新的数学理论，其研究对象是不规则的但 又具有自相似性的图形。描述这类图形的特征参量是分形维数。自1 9 8 4 年 m a n d e l b r o t 等首先报道了冲击断口的分形维数与冲击功具有线性相关的实验结 果后，引起了材料科学工作者的极大兴趣。相继有许多关于材料性能与分维关系 的研究报告发表，但大多集中在断口图像的分析上。从工程应用的观点看，如能 将金属材料的金相组织用分形分维来定量描述，则意义更大口1 。 众所周知，金相组织是金属材料微观特征中最为本质的一个部分，而在金相 组织中的诸多参数中，合金组织的尺寸大小又是相当重要的因素之一。合金组织 尺寸大小的概念是广义的对于纯金属或单相合金，它指的是组织中晶粒的大小； 对于多相合金组织，它指的是组成相的晶粒大小或者组织区的大小 浙江大学硕士学位论文 晶粒具有不规则性，这是显而易见的。而关于自相似性，可以从金属的结晶 过程来考虑。金属结晶无论是从液态金属转变成固态金属，还是从一种固相转变 成另一种固相，其过程都是一个原子重新排列的过程。这个过程不是一瞬间完成 的，而是要经过一个由形核、核长大到晶粒彼此接触阻止的发展过程。这个过程 对每个晶粒都是彼此相似的，因而最终形成的晶粒也是自相似的。 既然从金相上观察到的晶粒是具有不规则性与自相似性的图形，而分形又是 研究具有不规则性与自相似性图形的一个十分有效的数学工具，那么从理论上 说，晶粒度可用分形维数来定量描述。基于晶粒检测软件的实验数据，本文对铁 素体不同晶粒度图谱的进行分析，考察晶粒度与分维之间的关系。 采用分形分维理论来分析金相组织形貌，从而进一步研究材料的物理性能， 这项工作还是刚刚起步，但具有很大的发展前景。 1 4 专用检测设备的国内外发展状况 1 4 1 国外发展状况 由于使用手工方法得到定量信息非常困难，近年来，人们不断探索进行图像 测量分析工作的捷径。定量图像分析仪是近年来被广泛使用的定量金相分析工 具，它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。在某种程度上来说，定量图像分析仪就是定量金相分析专家系 统的雏形。 最早的图像分析仪是英国剑桥仪器公司生产的q u a n t i m e ta ，它采用光导摄 像管扫描装置将图像转换成电信号，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，现在新型的产品q t m 8 0 0 、q t m 9 0 0 、q t m 9 2 0 在软件和硬件方面已做了较大的改进，被广泛地应用于材料科学、地质学和军事 科学等部门。另外，德国、美国和日本地许多公司也生成出了许多型号的图像分 析仪，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 l 【”。 在国际上有影响力的图像处理系统是美国生产的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 - - 7 0 ，d o d e l - - 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 0 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 浙江大学硕士学位论文 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 es 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 一1 0 0 等等。新型系 统的优点包括： 1 、采集精度高，静止图像可高达7 6 8 x5 7 6 象素，每象素r 、g 、b 各s 位， 像点抖动指标好。 2 、直接在内存中处理图像，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 t 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。 1 4 2 置内发展状况 我国在定量金相分析方面的研究起步较晚，早期主要靠引进国外先进的设各 来满足生产和研究的需要。我国最早引进的自动金相分析仪是英国的q t m 一 7 2 0 ，主要用于定量金相的测量和计算。近年来，由于科技实力的不断增强，在 引进国外先进技术的同时，进行消化、吸收和创新，我国的金相分析技术发展较 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。该系统的研制成功 标志着我国也能自行设计和制造自动金相分析仪1n 2 ”1 。 南京佳南光电有限公司在引进美国o m n i c o n3 6 0 0 金相分析仪的基础上， 采用m s c 平台开发了x q f 系列的金相分析系统。其软件部分能进行图像采集、 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 浙江大学硕士学位论文 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，说明我国在金相分析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 1 金相分析系统相似的清华大学生产的t j - - 8 2 图像处理机，流水节拍为l o o 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。 1 5 本论文的主要内容 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， 能够运用工作人员的实践经验，在一些比较模糊，颗粒分辨不清楚的情况下利 用经验来正确区分，而且在精确度要求不是很高的情况下，比较法测晶粒度操作 简单，需要的设备廉价，成本低。因此即使在计算机技术很发达的隋况下，人工 检测方法仍然有存在的必要。 由于人工测试重现性差、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。为了解决这一矛盾，本文研究了几种数字图像处理中不同算法的特点并通 过试验进行比较，使检测技术更加成熟和准确。同时，本文通过大量的实验，提 出了一种新的晶粒边界细化和晶界重建的方法，使得以统计像素灰度为基础的全 自动测量成为现实。 本论文的主要内容包含了以下内容： 第一章介绍了晶粒参数检测方法的意义，发展现状及国内外检测技术的应用 情况：结合目前现有的技术条件，对检测过程中不同处理方法作出比较，提出了 新的晶粒细化方法，并阐述把分形理论应用到金相微观组织研究领域的意义。 第二章通过介绍晶粒的几何参数以及人工分析方法，对某一实例进行试验， 提出在现有的情况下，晶粒参数的人工检测方法仍有存在的必要。 浙江大学硕士学位论文 第三章论述了数字图像处理的基本原理以及图像的预处理步骤和效果，提出 了不同检测要求的金相图像需要相应的图像处理方式。 第四章应用数字图像处理的原理对晶粒边界的细化和重建算法进行改进，把 人工检测和计算机自动检测的数据和结果进行比较分析。 第五章介绍了金相几何参数检测的软件的开发，组成和算法流程，以及用 v i s u a lc + + 开发时两大主要部分编程中应用函数类型。最后简述了该软件的主 要功能和界面。 第六章是把分形理论引入晶粒度检测领域，用试验来证明金相微观组织和结 构与材料性能之间存在的维数关系，叙述晶粒的成长和某些组织的生长的一般规 律。 第七章是对论文工作内容的总结，指出了有待解决的问题和对引入分形原理 的研究前景。 浙江大学硕士学位论文 第二章金相几何参数及其人工检测技术 2 1 金相几何参数概述 金相几何参数的检测属于定量金相学范畴。定量金相学( q u a n t i t a t i v e m e t a l l o g r a p h y ) 的基础是体视学，由二维金相试样磨面或薄膜上显微组织的测量 和计算来确定金相组织的三维空间形貌，从而建立合金成分，组织和性能间的定 量关系，故又称体视金相学( s t e r e o m e t r i cm e t a l l o g r a p h y ) ，或称定量金属组织学。 定量金相学的基础理论研究，主要涉及体视学原理，几何学，拓扑学，概率 论和数理统计等数学方法的应用。它所要求测量的内容很多，主要在金相的几何 参数方面，目前它不能做到所有的检测都用计算机全自动来完成，很大程度上离 不开人工的测试手段2 钉【嘲。 2 1 1 基本符号和基本方程 这里要用到一些简单的数理统计和拓扑学的知识，对观察到的图像进行量化 处理，导出了一些基本的公式，然后直接用这些公式进行测量和计算。 一) 基本符号 在定量分析中测量的是材料组织的点数( p ) ，线长( 工) 平面面积( a ) ，曲 面面积( s ) ，体积( v ) ，物体的个数( 忉。由此派生出一些复合的符号，它们往往 表示了被测量与测试用的量( 用下标丁表示) 的比值。 昂一点分数总测试点数( 弓) 和落入某个相内的点数( p ) 之比，即p p = p b 兄一单位长度测试线所交的点数，巴= p l ，( 1 r a m ) 只一单位测试面积中的点数，只= p a ，( 1 r a m 2 ) b 一单位测试体积中的点数( 1 m 朋3 ) 上。一线段分数，单位长度测试线中处于某个相内的线段长度( m m r a m ) l 一单位测试面积中线r t 镀( m m m m 2l r a m ) 0 一单位测试体积中的线段长度( 卅聊矿= 2 j e l j m m 2 ) 2 浙江大学硕士学位论文 a 。一面积分数单位测试面积e p 某个相所占有的面积- 1 。= ( 一。) 。= 以4 ( 卅埘2 ，z m 2 ) s v 一单位测试体积中被测相的曲面积，s v = 酬巧( m f l l2 , r i m 3 = s 曼l m m ) 咋一单位测试体积中某个相的体积，= ( 巧) 。= z = z ，( m m 3m m 3 ) 。一单位测试线所交某个相的点数( 1 m m ) | 。一单位测试面积内某相的数量，n 。= ( 。) 。= n 。爿，( 1 r a m 2 ) n ，一单位测试体积中某个相的数量，n ，= ( n r ) 。= 虬( 1 m m 2 ) - z 一平均截线距长度，z = t n 。( m m ) 2 一平均截面积，j = 虬 ( 1 1 1 1 1 1 2 ) - g 一平均曲面面积i = 品， ( r t l m 2 ) 矿一平均体积，矿= v , t u ， ( m m 2 ) 二) 基本方程 定量分析中常用的体视学基本方程有以下几个： ( 1 ) 咋= a 。= t = 耳 ( 2 ) s r = - l 月= 2 置 ( 3 ) l p = 2 只 ( 4 ) 0 ：= 1l p 品：三o l ：2 p a p l z丌 以上方程列出了一些基本量的换算关系，把不能直接测量的量用可以直接测 量的量推算出来。方程( 1 ) 表示了体积比，面积比，线长比及点数比是相等地 关系。可以通过测量试样任一表面上被测相点数比，线数比，面积比计算出体积 比这里体积比是不能直接测量的。由被测相的体积百分比乘以其密度即可得到 被测相的质量百分比。 方程( 2 ) 给出了显微组织中单位测试体积中被测相的表面积与单位面积中 被测相所占的线长，以及单位测试线上被测相中所占地点数的关系。通过测量单 位测试面积中的被测相的长度l 及单位测试线上被测相的点数，可以计算出单 位测试体积中被测相的表面积。这里单位测试体积中被测相的表面积是不能直接 浙江大学硕士学位论文 测量的。 方程( 3 ) 给出了三维空间中单位测试体积中被测相的线长与单位测试面积 中被测相所占地点数之间的关系。从测量单位测试面积中被测相所占的点数，可 以计算出不能直接测量的量o 。厶在材料科学中被定义为线组织位错的为错密 度。位错密度是金属物理中一个十分重要的量，与才材料的性能有着密切的关系。 方程( 4 ) 给出了单位测试体积中被测相的点数和单位测试面积上被测相的 点数以及单位测试线上被测相点数的关系。这里的。是不能直接测量的，可以 由p j 和只的测量得到2 1 朝目。 总之，以上方程给出了从一维二维的研究推算三维空间组织的状况的方法。 以上的基本方程都是准确的，可以通过数学推导给出证明，具体推导这里不论述。 2 1 2 金相组织中晶粒尺寸及分布 材料的晶粒的大小叫晶粒度。它与材料的有关性能有密切关系，我们在第一 章绪论中也具体提到过。材料的晶粒度一般是以单位测试面积上的晶粒个数来表 示的。世界上统一使用的是美国的a s t m 推出的计算晶粒度的公式：h = 2 g 1 由 此可以推出：g = l g n 1 9 2 + l 式中的g 为晶粒度级别，n 为显微放大1 0 0 倍下 6 4 5c m 2 ( 1 平方英寸) 的面积上晶粒的个数。换算成每平方毫米的晶粒个数。 时，则有： 1 g ：尝一3 ：篓一3 ( 2 _ 1 ) 1 9 21 9 2 故己知一，即可评出晶粒级别。此外，根据a s t m 关于晶粒度的计算公式当 放大倍数为1 0 0 时，晶粒平均截距厶为3 2 0 m m 时，其晶粒级别为0 ，对于平均 截距为厶的晶粒，其晶粒度级别为： g = 1 0 0 0 - 6 6 4 3 9 1 9 l 3 ( 2 2 ) 晶粒平均截距和晶粒度之间关系可以通过查表得知。但是应用截线法测晶粒 度时，要求每条测试线所截取的晶粒数以及选不同区域截取次数要尽量多，以便 使结果更精确。 在多晶聚合体晶粒的定量金相研究方面的困难主要是数值大小的测定问题。 4 浙江大学硕士学位论文 即使各个晶粒在空间具有相同的形状和大小，由任意平截面所显示的各个晶粒的 图形却并不具有相同的面积，也不具有同样的形状。无论使用哪种测量方法，采 用算术平均值总是不正确的，对于理想形状的各邻接体，必须考虑到任意截面的 统计特性。通过研究实际晶粒的形状可以清楚地看出，尽管晶粒实际上并没有规 则的或理想的形状，但平截八面体或十四面体仍然是合理的近似 】 1 6 1 【i ”。 我们在以上的讨论都是基于晶粒为等轴形的，如果不是等轴形的，则只能由 三个方向上晶粒尺寸的测量值来适当描述晶粒形状的有向性。 ( 1 ) 球状颗粒的尺寸和分布 按照f u l l m a n 的工作，可由平截面上两种量的测量来确定一些数值，这两种 量就是前面提到过的n a 和：球状颗粒的半径，确定为： ，：三丝( 2 - - 3 ) 石n 。 每个单位体积球状颗粒的数量n ，由下式给出： 帖三监n l ( 2 - - 4 ) 除了线分析法，面积分析法和计点法以外，弥散球状颗粒的体积分数f 可由下式 来计算： ，_ ；旦。堕( 2 5 ) 。 3 石“ ( 2 ) 薄的圆片状颗粒的尺寸和分布 对于半径为r 厚度为f 并且t “，的理想圆片状颗粒f u u m a n 给出下列有用的关 系式： r = 鲁小麦：肌= 姜筹( 2 - - 6 ) ( 3 ) 细长棒状颗粒的尺寸和分布 对于半径为r 长为日并且h ，的理想细长棒状颗粒f u l l m a n 给出下列关系 式： 1， 忙i 。式； 浙江大学硕士学位论文 厂：三。na(2-7) 。 n