（材料加工工程专业论文）基于图像处理的定量金相分析系统.pdf

摘要 摘要 金相分析主要是利用各种显微镜对材料的微观组织结构进行检验 和评定，它既能揭示不同显微组织和性能的关系，又能检验工艺手段是否 达到了预期的目的，是检验产品质量的依据，是发展新材料、新工艺的重 要手段。方便、准确地开展对材料金相显微组织的定量分析，有助于人 们更好地理解工艺因素、组织结构和使用性能之间的关系，促进生产和 科研的发展。 利用数字图像处理技术，对图像采集卡或c c d 摄像头采集到的金 相图像进行灰度转换、二值化、噪音消除、图像增强、边缘提取等一系 列图像预处理，获得计算机可以处理的数字图像；并利用v i s u a lc + 十6 0 开发定量金相分析系统，以实现对晶粒大小、金相组织第二相相对含量、 显微硬度等参量的自动测量；采用基于b r o w s e r s e r v e r 的三层体系结构， 通过网络访问，并利用a c t i v es e r v e r 技术给远程用户提供应用服务，以 便于根据图像分析结果，给出专家分析意见，实现异地分析及交流。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 定量金相分析和显微硬度测量的方法研究； ( 2 ) 利用数字图像处理技术，实现金相图像的灰度转换、二值化、噪 音消除、膨胀收缩、图像增强、边缘提取等预处理；引入小波理 论、基于数学形态学的区域生长法对采样图像进行分析，实现了 对采集图像边缘的有效提取，从而提高了测量精度； ( 3 ) 开发了金相图像分析系统的主体结构( 硬件结构和软件结构) ； ( 4 ) 采用w i n d o w s 开发平台的面向对象程序设计语言m i c r o s o f tv i s u a l c + + 进行系统的模块化设计； ( 5 ) 提出了采用多模式的知识表示方法建立知识库，应用正反推理、 模糊数学模型、基于规则的模式匹配模型建立金相分析专家系统。 广东工业大学工学硕上学位论文 利用本系统对金相组织自动分析的可靠性、准确性能满足一般定量 金相分析的要求：它对于建立金属材料成分、组织与性能之间的定量关 系、合理地选择金属材料、制定合适的加工工艺、发展定量金相都具有 重要的理论意义和使用价值。 关键词：金相分析硬度测量数字图像处理专家系统b s 三层体系 i i a b s t r a c t a b s t r a c t m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sr e f e r s t o i n s p e c t i n ga n de v a l u a t i n gm a t e r i a l m i c r o s t r u c t u r ew i t ha l lk i n d so fa n a l y z i n ga p p a r a t u s e s n o to n l yi t c a n r e v e a lt h er e l a t i o nb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，e v a l u a t et h e r e l i a b i l i t yo f t h et e c h n o l o g i c a lm e t h o d s ，b u ta l s oi ti st h ei m p o r t a n tm e a n s t o i n s p e c t t h e p r o d u c tq u a l i t y , d e v e l o p n e wm a t e r i a la n d t e c h n o l o g y m a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r e c a nb e a n a l y z e dc o n v e n i e n t l y , p r e c i s e l y a n d q u a n t i t a t i v e l y r e l a t i o n s h i pa m o n gt e c h n o l o g i c a lf a c t o r s ，m i c r o s t r u c t u r e s a n d p r o p e r t i e s c a nb e d e e p l y u n d e r s t o o d i n g e n e r a l ，i t i so fg r e a t s i g n i f i c a n c et op r o d u c t i o na n dr e s e a r c h e s 。 w i t hf r a m eg a t h e rc a r da n dc c d ，m e t a l l o g r a p h i ci m a g ew h i c hc a nb e p r o c e s s e db yc o m p u t e ri sa c q u i r e d a f t e ras e r i a l so ft h ea p p l i c a t i o n so f d i g i t a li m a g et e c h n i q u es u c ha sg r a yl e v e lt r a n s f o r m a t i o n ，d i c h o t o m y , n o i s e e l i m i n a t i n g ，d i l a t i o na n de r o s i o n ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，b o u n d a r yd e t e c t i o n ， e t c a na u t o m a t i cq u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i ss y s t e mi sd e v e l o p e d w i t hv i s u a lc ”6 0t or e a l i z et h e m e a s u r i n go ft h e s i z eo ft h em e t a l c r y s t a l l i n eg r a i n ，e v a l u a t i o n t h ep r o p o r t i o no f t h es e c o n dt i s s u eo f t h e m e t a l ， m i c r oh a r d n e s s w i t ht h r e e - l e v e lb r o w s e r s e r v e rm o d ea n da c t i v es e r v e r t e c h n o l o g y , t h es y s t e m 西v e $ t h er e m o t eu s e rt h ea p p l y i n gs e r v i c et h r o u g h n e t w o r kt oc o m m u n i c a t ea n da n a l y z et h ei m a g ei n f o r m a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h ea r t i c l ei si n v o l v e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o no ft h eq u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s m e t h o d sa n dt h em e a s u r i n gm e t h o d so fm i c r oh a r d n e s s ( 2 ) t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g et e c h n i q u ei nm e t a l l o g r a p h i ci m a g e p r e p r o c e s ss u c ha sg r a yl e v e lt r a n s f o r m a t i o n ，d i c h o t o m y , n o i s ee l i m i n a t i n g ， d i l a t i o na n de r o s i o n ，i m a g ee n h a n c e m e n t ，b o u n d a r yd e t e c t i o n ，e t c t h e i l l 广东工业大学工学硕士学位论文 a p p l i c a t i o no ft h ew a v e l e ta n dm u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i si nm e t a l l o g r a p h i c i m a g ep r o c e s s i o nt oi m p r o v et h em e a s u r i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c y t h e a p p l i c a t i o no f t h er e g i o ng r o w t ha n dm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yi na n a l y z i n g i m a g ep a r a m e t e r st oi m p r o v e t h ef l e x i b i l i t ya n de x a c t i o n ( 3 ) e s t a b l i s h i n g t h em a i ns t r u c t u r eo ft h e m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s s y s t e m ( s o f t w a r es t r u c t u r ea n dh a r d w a r es t r u c t t t r e ) ( 4 ) b a s e do nw i n d o w sd e v e l o p i n gp l a t f o r m ，t h es y s t e mi s m o d u l e d e s i g n e da n dd e v e l o p e db yo b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e v i s u a lc “ ( 5 ) e s t a b l i s h i n g t h e m e a s u r i n gm e t a l l o g r a p h i ce x p e r t d a t a b a s ew i t h m u l t i m o d e se x p r e s s ，o b v e r s e c o n t r a r yd e d u c em e t h o d ，f u z z ym a t h e m a t i c a l m o d e l p a t t e r nm a t c h i n g b a s e do nr e g u l a t i o n s i t s r e l i a b i l i t y , a c c u r a c y a n dr e a p p e a r a n c ec a ns a t i s f yr e q u i r e m e n to f q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fm e t a l l o g r a p h i cm i c r o s t r u c t u r e t h es y s t e mh a sg r e a t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i n s e t t i n gu pq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n a m o n gt h ec o m p o s i t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y , s e l e c t i n g a p p r o p r i a t em a t e r i a l ，c u s t o m i z i n g s u i t a b l e p r o c e s s a n d d e v e l o p i n g q u a n t i t a t i v em e t a l l o g r a p h i c k e y w o r d s ：m e t a l l o g r a p h i c a n a l y s i s ，h a r d n e s sm e a s u r e ，d i g i t a li m a g e p r o c e s s ，e x p e r ts y s t e m ，b st h r e e l e v e ls y s t e m 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义： 金相分析是指利用各种显微镜对材料的微观组织进行检验和评定， 既能揭示不同显微组织和性能的关系，又能检验工艺手段是否达到预期 目的，是检验产品质量的依据，发展新材料、新工艺的重要手段。硬度测 量是为评价材料和材料状态提供无损参数的主要材料力学检验方法，广 泛应用于商品流通检验和生产流水线上，是企业实施质量保证体系的重 要因素。 传统的金相分析和硬度测量主要靠人工目测、手动调节、用机械挡 块定位，导致测量结果的准确性受人为因素影响较大、精度控制不稳定、 定位查找能力差、采样不均匀及不利于现代信息管理。传统的显微观测 方法不但效率低下、劳动强度大而且光学显微图像只能通过显微摄影予 以记录，只能见到什么图就拍什么图，不能对图像进行必要的处理，不 能快速存储和复现，更不能通过网络远距离传输图像信息。因此，在信 息时代，传统的目视光学显微观测已经远远不能适应时代发展的要求。 近年来微电子技术、计算机技术等领域的快速发展，已经在微电子 器件、数字化硬件、数据处理技术和软件方面为传统日视光学显微观测 技术和仪器向光电数字化方向跃升提供了良好的条件和基础。利用现代 光电转换、计算机硬件、图像处理技术实现光学显微图像光电数字化， 将难以观测的显微镜视场光学图像变成在计算机屏幕上的大面积、高亮 度、真彩色图像，不但可供多人同时轻松观测分析，而且还可对屏幕上 的图像作种种处理：利用数据库的强大功能实现图像和数据资料的存 储、查找、更新、输出、备份等操作；利用网络技术实现资源共享，金 相图像及其分析结果可以通过互联网传到世界各地，大大方便了异地工 作者的交流与合作，也可以对金相图像出现的金相缺陷进行异地专家会 广东工业人学工学硕上学位论文 诊、检索、浏览、打印金相图像以及相关文字表格资料。鉴于此，利用 数字图像处理技术、计算机软硬件、数据结构、定量金相等领域的知识 开发定量金相分析系统就具有重要的意义。此外，据美国y e n e h a r i s c o n s u l t i n gg r o u p 公司估计，全球图像处理系统( 包括软硬件) 每年约 有2 5 亿美元的市场，其中仅在显微镜方面( 包括材料金相、生命及生 物科学) 就约有4 亿美元左右的市场。可见，市场前景十分开阔。 1 2 本课题的学术背景 1 - 2 1 金相检测及其发展 对材料的微观组织结构进行分析对于研究和改善材料性能具有重要 的意义，它既能揭示不同显微组织是如何影响性能的，也能检验工艺手 段是否达到了预期的目的，因此材料微观组织的研究一向为人们所重 视。而在各种研究手段中，金相分析是最重要和使用最为广泛的一种。 早在1 8 4 1 年，俄国人阿诺索夫就在放大镜下研究大马士革钢剑上的花 纹；18 6 3 年，英国人索比把岩相学的方法移植到了钢铁研究上发展了金 相技术。他和他同时代的德国人马登斯、法国人奥斯蒙一起，为现代光 学金相奠定了基础。 随着材料科学的发展，金相研究的内容和金相分析技术也在不断的 发展。许多先进的电子金相设备如扫描电镜、透射电镜等也在逐渐普及， 他们大幅度提高了放大倍率，提供了更为有利的分析手段。但传统的光 学金像技术由于具有观察范围大、使用方便、设备成本低和应用广泛等 优点，仍有强大的生命力，并不断地得到了发展。这些发展中两个重要 的方面就是：一、光学金相技术逐渐从一种定性的描述转为半定量和定 量的度量；二、使用计算机进行自动图像分析代替传统的人工操作。这 两方面构成金相自动分析技术的主要内容。 绪诒 1 2 2 金相分析系统的发展特点及趋势 几十年来，在材料科学领域，材料科学家通过人工方法或定量分析 系统对材料的结构和性能进行定量分析随着计算机运算速度的成倍提 高和成本的下降，计算机已经渗入到国民生活的很多方面同时，作为 计算机技术应用的一个方面，计算机图像处理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处理系统向以通用p c 机为基础的， 可自由配置及扩充的开放式软件系统的发展。 全集成的计算机控制的图像处理仪具有自动采集图像、图像增强和 测量功能。一方面，这种全集成的分析系统采用了直接计算机硬件支持， 运算和分析的速度快，能成批的自动的处理大量的数据，对提高工业生 产的自动化十分有效。但另一方面，这些集成系统采用专用的计算机硬 件系统及其专用的技术。因此这些系统不仅需要昂贵的投资，而且缺乏 灵活性，维护升级或增加新的功能的费用是较大的，不利于一般中小型 企业和科研机构的广泛使用。新的开放式的金相图像处理软件为人们提 供了另一种具有高性能价格比的解决方案。它们通常包括一个基于标准 操作系统w i n d o w s 或u n i x 的图像处理软件、标准的个人计算机以及由 系统集成商提供的各类摄像头、显示器、图像采集卡等其他外围设备。 这种系统可以直接充实到已有的计算机设备的网络上。与全集成的计算 机控制的图像处理仪相比，有实现成本较低，便于使用和维护，升级或 增加新的功能的费用较小，因此有利于一般中小型企业和科研机构的推 广使用。 虽然利用灰度等级进行分析仍然是大多数系统采用的方法，许多系 统已经开始引入真彩色分析，这对许多半导体材料的应用，偏振光分析 及一些酸蚀金属表面的分析特别有利。另外有些系统甚至可利用样品表 面的纹理进行分析。晶界重构对自动金相图像分析系统一直是个挑战， 广东工业人学工学硕士学位论文 随着计算机能力的发展，目前许多先进的分析系统采用分水岭以及其他 一些特殊的重构算法来解决这个问题，有些系统则采用了更为先进的人 工智能技术进行晶界重构。 传统的金相图像处理主要是利用一些特征物的几何尺寸( 如面积、 周长等) 进行分析。虽然从这些方法得到的特征物的统计分布直方图有 一定的价值，但它们往往不能说明材料的总体特征，而这些性能直接影 响材料的强度、热敏性及其他性能。体视学提供面向域的分析，但它需 要分析大量的域以满足统计学的要求，这需要大量的人工。目前少数金 相图像处理系统已经开始提供体视学方面的功能，能够更好地揭示材料 结构与性能之间的关系。 1 2 3 数字图像处理技术的发展 数字图像处理是利用计算机或其他数字设备对图像信息进行各种 加工和处理1 2 】。它是自上个世纪60 年代以来，随着半导体集成电路技 术和计算机科学技术的迅速发展而产生和发展的一门新兴科学技术，而 且近30 年来取得了巨大的发展。从1 9 6 4 年美国喷气推进实验室为进 行太空探测研究月球表面，用计算机处理了从卫星发送回来的月球表面 照片，以校正从飞船上的电视摄像机转送回来照片中各种形式的图像畸 变和干扰，首次进行了计算机图像处理的研究。到7 0 年代陆地地球卫 星上天，大量遥感图像需要进行图像处理和目标配准及识别，计算机图 像处理在遥感技术的发展中得到重要应用和发展，1 9 7 2 年计算机断层x 光照相技术( 即x 光c t 技术) 的研究成功，使得人们可以利用图像处 理技术窥测到人体内部机体断层内图像，而用一般方法无法观察到图像 内容，这使得医学图像处理的研究开始取得了迅速的进展。7 0 年代末期， 开始了具有视觉功能的机器人的研究，计算机视觉作为图像处理学科一 个新的重要分支开始形成和发展。在8 0 年代，数字图像处理学科进入 4 了成熟发展阶段，尤其随着大规模集成电路v l s i 技术的发展，存储芯 片的容量大幅度增加，价格大大下降，计算机的存储容量和运算速度以 每年2 0 的比率迅速提高，这些都为图像处理技术的发展提供了良好的 物质基础，使图像处理不仅得以迅速发展，而且得到愈来愈广泛的应用。 目前图像处理技术广泛应用在遥感、医学、工业生产等领域与行业，对 经济、军事、文化及人们的日常生活产生了重大的影响，正在向着更高 质量发展，处理算法更优化，处理速度更快，处理后的图像清晰度更高， 实现图像的智能生成、处理、识别和理解是数字图像处理的最终丑标”1 。 1 2 4 专家系统的发展 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，简称e s ) ，是人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 的一个重要分支，是其从理论研究走向实际应 用的转折点和突破口，是人工智能领域中目前最为活跃的分支之一，它 实现了人工智能从研究走向实际应用，从一般思维方法探讨走向专门知 识运用的重大突破。自2 0 世纪7 0 年代专家系统的开发获得成功以来， 目前已被成功的应用到工业、农业、军事、医疗、教育等众多领域，并 已经产生了巨大的社会效益和经济效益。如美国已有8 0 以上的大公司 应用了专家系统，日本已拥有处于不同阶段的专家系统达2 0 0 0 多个， 西欧各国专家系统的年增长率也在3 0 以上”1 。 1 2 3 1 专家系统的发展经历了三个时期“1 ： ( 一) 初创期 六十年代末，第一代专家系统- - d e n d r a l 和m a c s m a 出现，这两个系 统的设计和实现完全是针对其应用领域的，主要注意了系统的性能，而 忽视了系统的透明性，灵活性等方面的问题。 ( 二) 成熟期 七十年代专家系统趋于成熟，专家系统的观点也开始广泛地被人们 广东工业大学工学硕上学位论文 接受。七十年代中期先后出现了以m y c i n 、h e a r s a y 、p r o s p e c t o r 等为 代表的一批卓有成效的专家系统，其中斯坦福大学研究开发的血液感染 病诊断专家系统m y c i n 被国际上公认为最有影响的专家系统。另外，七 十年代出现的元知识概念、产生式系统、框架和语义网络知识表达方式 也被广泛地应用到了以后的专家系统中，知识工程概念的提出，宣告了 专家系统已走上成熟。 ( 三) 发展期 七十年代末期，人工智能专家认识到这样一个事实，即一个程序的 求解问题的能力，不取决于所应用的形式化体系和推理模式，从而产生 了一个研究思路上的突破：要使一个程序有智能，必须向它提供大量有 关领域的高质量的专门知识。这种认识上的突破导致了专家地位的确 立，为人工智能的研究开辟了一个新的研究方向。 专家系统应用领域迅速扩大，处理问题的难度也不断增加，出现了 一批用于建造和维护专家系统的工具系统。工具系统可分为三类：通 过实例自动形成知识的系统；智能知识库编辑系统；骨架系统。骨 架系统的出现是专家系统的一个重大发展，它促进了专家系统的商品 化，反过来，专家系统的商品化又促进了骨架系统的发展。 八十年代，专家系统的研究进入了一个新的阶段。首先是数目增多， 估计目前全世界的专家系统有3 0 0 0 种以上，1 9 8 7 年研制成功的专家系 统有1 0 0 0 种。专家系统的应用领域拓宽，广泛地应用于医学、地质勘 探、石油天然气资源评价、教学、物理学、化学的科学发现以及企业管 理、工业控制、经济决策等方面。在上述领域所起的作用为：解释、预 测、诊断、故障排除、设计、规划、监视、修正、教学和控制等。进入 八十年代，专家系统研究走出了大学和研究机构而广泛进入产业界。 1 2 3 2 专家系统的发展趋势 随着神经网络和数据库技术的日新月异的发展，必然引起专家系统 的变革。 ( 一) 专家系统与神经网络结合 传统意义上的专家系统是指采用符号推理技术的专家系统。它具有 一般数据处理程序所不具各的优点，可以处理符号知识，利用启发式知 识降低搜索复杂性，提供良好的解释和吸收新知识的能力，其研制和应 用取得了重大进展，但存在着知识获取困难、知识面狭窄、推理能力弱、 智能水平低、系统层次少、实用性差等困难，其根本原因在于现有的程 序式数字计算机固有缺陷1 ：局域式信息存储、串行程序式符号处理所 致。最新发现的以非线性大规模连续模拟并行分布处理为主流的神经网 络理论为专家系统的发展开辟了崭新的途径。神经网络是一种依赖链接 机制存储信息的分布式计算机模型，通过例子训练神经网络自动提取领 域知识，由相互作用的按层次组织的大量神经元构成的并行处理网络， 以模拟生物神经系统的方式处理信息，其主要组成要素是神经元和联接 权，神经网络具有速度快、有效的知识获取和嵌入手段、学习和适应能 力、高的容错和鲁棒性的优点，但神经网络也存在限制其应用的缺点， 如结构选择的随意性、表达知识的模糊性和非透明性，缺乏对所得结论 的解释能力，因而将传统的专家系统和神经网络方法的优点结合在一 起，建立混合专家系统 1 ，不需要组织大量的产生式规则，也不需要进 行树搜索，机器可以自组织、自学习，并可进行模糊推理，这对用传统 人工智能方法建立专家系统最感困难的知识获取和推理等问题提供了 新的途径。 ( 二) 专家系统与数据库结合 人工智能与数据库技术是计算机科学的两大重要领域，越来越多的 研究成果表明，这两种技术的相互渗透将会给计算机应用带来更广阔的 广东工业大学工学硕士学位论文 前景。 人工智能多年来曲折发展，虽然成果硕硕，但比起数据库系统却相 形见绌，其主要原因在于缺乏像数据库那样具有较为成熟的理论基础和 实用技术。人工智能技术的进一步应用和发展越来越表明，结合数据库 技术以吸收对方经验和长处可克服人工智能不可跨越的障碍，这也是人 工智能成功的关键。 专家系统可借鉴数据 技术，对专家系统中的知 库和分布式知识库提供帮 用水平。 1 3 外加 法； 观察 使用 都采 代科 相学 支。 用。 库关于信息存储、共享、并发控制和故障恢复 识库管理、设计以及对大型知识库、共享知识 助，改善专家系统的特性，使之规模提高到应 国内外文献综述 金相分析经历了三个阶段：第一阶段主要依靠显微镜的测量网格， 手动计数器和投影仪等辅助工具，这个阶段的测量方法称作人工方 第二阶段的主要设备是数字化板，具有简单的图像编辑功能，可以 和修正数字图像，这种测量方法称为半自动方法；目前是第三阶段， 图像分析软件和摄像机等设备，称为全自动方法。长期以来， 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 学的发展，特别是定量金相学理论和数字图像技术的发展，定 在实际工作中得到了更广泛的应用，已经成为金相学的一个重 目前，定量金相的自动图像分析在材料科学领域中已得到了广 无疑，定量金相的自动图像分析与手工测试相比无论在准确度 速性方面都是无法比拟的。因此，它在金属材料的研究和生产中已 挥了显著的作用。由于金属是不透明的，要定量研究金属的组织， 人们 着现 量金 要分 泛应 和快 经发 只能 从二维磨面的组织或薄膜投影图像去推断三维组织。图像分析的基本方 法就是由二维图像( 来源于金相试样或照片) 提取需要的特征信息并自 动的进行处理，测量和计算及输 在计算机中的图像进行处理的基 并将它保存在一个三维数组中。 或由九个三维数组组成的3x3 绪论 出图像的特征参数或计算值。对已保存 本方法是：读取图像中的每一个像素点 按照实际需要对每一个像素的三维数组 的矩阵进行适当的处理，最后将处理以 后的结果取代原来的三维数组。 在国外，随着计算机的发展，特别是计算机图像处理技术的出现， 给金相分析开辟 的研究方向。金 英及日本等国家 出的q u a n t i m e n t 而获得三维金相 了新的途径。 相图像分析系 已研制 s o o 系 图，分 因而，计算机在金相分析上的应用成了新 统的功能有了大幅度的提高。目前，美、 出各种分析仪，有代表性的如英国l e i c o 公司推 统，使用该系统可对金相试样进行立体扫描，从 析十分准确，这种系统为专门设备、摄像机与显 微镜是专门制作、成套使用。但是这些系统大多专门用于一种材料，具 有局限性。美国销量最好的i m a g e p r op l u s 系统，由m e d i a c y b e m e t i c s 公司生产，它采用了标准的w i n d o w s 界面，可以控制外部设备，例如样品 台，显微镜的自动调焦，快门滤色片的控制等。徕卡( l e c o ) 公司的系列 产品如q 5 0 0 、q 5 2 0 、q 5 7 0 以及基于w i n d o w s 操作系统的q 5 0 0 i m 系统 是由一台高性能微机、标准c c d 电视照相机以及功能强大的软件系统 组成。徕卡公司是世界著名的瑞士威特、德国莱兹和英国剑桥三家名牌 仪器公司于1 9 9 0 年合并而成。该公司利用在金相仪器产品方面的优势， 开发了金相图像处理系统系列产品，总的来说功能比较强。德国康强公 司( k o n t r o n ) 图像处理系统以及”k s ”系列图像处理软件包。k s 系列图 像软件包是基于w i n d o w s 操作系统，一种功能比较强大的通用图像处理 软件，可以运用于质量控制和检验，使用于陶瓷及非金属材料、冶金学、 地质学、矿物学、细胞生物学、医学等领域。 在我国，利用计算机图像识别技术对金相组织进行识别分析j 下在不 9 广东工业大学工学硕上学位论文 断的发展，近几年在消化、吸收国外产品的基础上，一些科研机构和公 司相继开发了一些产品。并且已经开始有一部分产品逐步市场化，进行 一定程度的商业应用。甘肃工业大学的王智平副教授在1 9 9 5 年曾经利 用c 语言和p r o l o g 语言编制开发了一套计算机图像处理系统并应用于对 铸铁金相组织识别方面，该系统对金属试样抛光面金相拍摄，由于不同的 金属组织对光的反射和吸收不尽相同，在图像上就产生了不同的灰度级 别，使输入计算机内的图像含有噪声信号和出现失真，为了分析准确，必须 消除噪声、校正失真。系统采用二值化处理用并按照滤波法设计、消除 噪声，减轻了失真。采用该系统可对球墨铸铁的球化率、球化级别、球 墨数等进行分析。北京英特仪器公司开发了i a s 一4 通用金相图像分析系 统，该系统基于d o s 操作系统，提供了友好的人机交互界面，能完成 3 2 种几何参数的测量和灰度图像测量以及彩色图像处理测量。可实现平 均晶粒度评级、双重晶粒组织晶粒度评级、低碳钢冷轧薄板晶粒度评级、 混有珠光体的铁素体晶粒度评级、钢中非均匀夹杂物评级( a s t m ，j i s ) 、 球墨铸铁球化滤评级、铁素体奥氏体双相不锈钢g t 相面积含量测定、 脱碳层深度测量、灰铸铁测量、中碳钢马氏体测量等功能。但是由于系 统基于d o s 操作系统，且不支持常用的图像文件格式，所以应用受到 一定的限制。由四川大学计算机图像图形研究所研制的m i a s 2 0 0 0 金相 图像分析仪，以w i n d o w s 9 8 为系统平台，能够实现包括金属平均晶粒度 测量、钢中非金属夹杂物评级、脱碳层深度测定和灰铸铁测量在内的功 能。南京佳南光电有限公司推出x q f 2 0 0 0 型自动金相图像分析仪，这 套系统也是基于中文w i n d o w s 平台，基本功能与i a s 相似，另外它还 能对马氏体针长、钛合金材料等具体应用进行分析。 1 0 1 4 本课题的来源与主要研究内容 1 4 1 主要研究内容 定量金相分析系统是由显微镜或显微硬度计、计算机系统、摄像系 统( 摄像机或数码相机) 、软件分析测量包和输出打印机等组成，本课 题的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 定量金相分析和显微硬度测量的方法研究； ( 2 ) 利用数字图像处理技术，实现金相图像的灰度转换、二值化、噪 音消除、膨胀收缩、图像增强、边缘提取等预处理；引入小波理 论、基于数学形态学的区域生长法对采样图像进行分析，实现了 对采集图像边缘的有效提取，从而提高了测量精度和效率； ( 3 ) 开发了金相图像分析系统的主体结构( 硬件结构和软件结构) ，阐 述了系统的工作原理、工作流程； ( 4 ) 采用基于面向对象方法的m i c r o s o nv i s u a lc + + 作为系统的开发乎 台进行模快化设计，建立全中文友好界面，下拉菜单和快捷按钮操作； 编程实现各模块( 金相显微硬度测量、晶粒度或长度测量、合金相 的相对含量测定) 的功能： ( 5 ) 提出了采用多模式的知识表示方法建立知识库，应用正反推理、 模糊数学模型、基于规则的模式匹配模型等建立金相分析专家库。 ( 6 ) 采用基于b r o w s e r s e r v e r 的三层体系结构，通过网络访问，并利用 a c t i v es e r v e r 技术给远程用户提供应用服务，以便于根据图像分析 结果，给出专家分析意见，实现异地分析及交流。 1 4 2 本课题的创新点： ( 1 ) 引入小波理论对采样图像进行分析，利用基于数学形态学的区域 生长法分析图像的参数，实现了对采集图像边缘的有效提取，提高 了分析精度。 广东工业大学t 学颈+ 学位论文 ( 2 ) 提出了采用多模式的知识表示方法建立知识库，应用正反推理、 模糊数学模型、基于规则的模式匹配模型建立金相分析专家系统。 本论文相关课题为广东工业大学材料学院、信息学院、省内某热处 理厂横向合作课题。 定量金相分析 第二章定量金相分析 2 1 引言 金相是研究金属材料的微观组织、并确定这种微观组织与宏观性能 之间关系的一门科学。通过显微镜的观察，可以鉴别各种组织，观察其 组织特性，并建立起组织和性能间的定性关系。但要进一步寻找出它们 之间的规律，单靠这种定性的分析或大致的估量就显得不够了。众所周 知，晶粒大小对材料的各种性能都有着强烈的影响，对强度、塑性、韧 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， 韧性降低。但这只是一种趋势，一种概括的描述。要想得到确切的规律 和相应的函数关系，就必须对它们中间的某些参数进行定量的分析【9 】。 随着科学技术的进步和发展，人们愈来愈认识到：显微组织特征、 大小、分布与各种机械性能、物理性能之间，存在着有规律的函数关系。 人们可以对这些显微组织的特征，确定一些界限数值，由此来控制工艺 过程，并达到控制产品质量的目的。定量金相正是通过测定显微组织的 各种特征参数，在材料的微观组织和它的宏观性能之间建立起定量关系 的一种分析测试方法i 0 。 2 2 定量金相的基本测量方法 2 2 1 比较法 把测量对象和标准图谱进行比较，以确定出级别。如晶粒度级别、 夹杂物级别、石墨级别。这就是目前普通光学金相中的目视评级法。我 们称之为比较法或半定量法。比较法所用的标准图谱是由国家各部统一 颁发的。这种方法的特点是：快捷、简单、易行。对于判断钢材一般的 质量和性能趋势还是很有效的。因此在各工矿企业中沿用至今。但严格 地讲，它根本不能算定量金相，只不过是考虑到了“量”这个因素。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 测量法 测量法不是用来直接评定级别的，它主要是用来测定组织的某些特 征参数，从而进行计算，得出我们所需的各种数据。测量可以通过显微 镜在试样的视场中直接进行，也可以在显微照片上，在投影屏上，或在 工业电视的显示屏上。常用的测量方法有： 2 2 2 1 计点法( 点算法) 最常用的是网格计点法，如图2 1 网格选择的原则是：格点的距离 大致与待测相的间距相近，这样计量结果较好，这种网格可以插在目镜 中，也可用带网格的透明板附在显微组织照片上，数出待测相区内的格 点数p 。，而网格的格点总数为p t ，则可以得出待测相的体积百分数 p 。= p 。p t 1 03 。测量网格的选择，应使平均落在每个测量对象上的格点数 不小于l ，同时网线间距应接近测量对象之间的间距对于落在网格边界 上的点以二分之一计算为了操作方便，适用于不同的显微组织的放大倍 数，可使用格点为3x3 、4 x4 、5x5 或者1 0x1 0 的网格。例如，要测定 灰口铸铁铁素体的相对量，可以计出在铁素体区的格点为1 1 2 ( 边界上 的格点算1 2 ) ，总格点数为5 0 ，可见铁素体量为2 2 。移动试样或网 格，如此测量多次，求出平均值，测量次数越多，结果越准确，可按要 求的精确度，确定测量次数。 2 2 2 2 截线法( 线分法) 如图2 2 ，在视场中作任意直线( 测量线) ，它与组织中各待测相相 交，把落在待测相上的线段长度( 截距) 相加，得到一个总长度l a ，而 测量线的总长度l ，是已知的，通过计算l l = l a l t 这样就可以得出线分 数等数据。线分法除了用来测量截线长度外，还可以用来测量p 。，即单 位测量线上与被测对象的交点数；还可以用来测量n 。，即在单位测量线 上被测对象的个数等等。 1 4 定量金相分析 图2 - 1 格点法测量示意图图2 - 2 线分法测量示意图 2 2 2 3 面积计量法 选定视场，其总面积为a t ，测量出待测相面积为aa 。则面积分数 a = aa a t ；由此也可以推导出n 相所占的体积百分数。关于aa 的测 量方法，可以在放大了的清晰的照片上，用求积仪进行测量，也可以用 称重法进行。称重法是假定照相纸的密度均匀一致，在放大了的、清晰 的照片上，用剪刀把待测相a 剪下来、用天平称出重量，然后进行运 算，则可求得a 。这种方法是最原始的面积计量法，它只适用于相界清 晰，易于分割的组织照片。 2 3 显微组织特征参数测量举例 2 3 1 晶粒度的测定 晶粒度是晶粒大小的量度。晶粒度测定法标准最早是由美国试验及 材料学会( a m e r i c a ns o c i e t y f o r t e s t i n ga n d m a t e r i a l s ，简称a s t m ) 制定 并逐步完善的。g b 6 3 9 4 - - 8 6 金属平均晶粒度测定法是我国国家标准 局于1 9 8 6 年发布的，并于1 9 8 8 年实施的。g b 6 3 9 4 - - 8 6 中规定，对于 显微晶粒 n = 2 g 。1 ( 2 1 ) 广东工业大学工学硕上学位论文 n 一放大1 0 0 倍时6 4 5 1 6 m m 2 ( 即1 平方英寸) 面积内包含的晶粒数 g 一晶粒度级别指数( 通常习惯称晶粒度号数或晶粒度级别) 。 若采用共制进行测量，经过换算整理后，式( 2 1 ) 变为 g = - - 2 9 5 4 2 + 3 3 2 1 9 1 9 n 。 ( 2 2 ) 式中n 。一放大1 倍时，1m m 2 面积内包含的晶粒数。 n 或n 。的测定比较费时，目前已逐步采用测定晶粒平均截距l 来确定 晶粒度级别，为次，a s t m 标准重新定义了晶粒度，即 g = 2 l 0 9 2 ( 凹7 。( 2 3 ) l o g = 0 时，晶粒的平均截距。 对于显微晶粒，放大1 倍时，l o = o 3 2 m m ，代入式( 2 2 ) 并经整理 可得 g = - - 3 2 8 7 7 6 6 4 3 9 l g l ( 2 4 ) 由式( 2 1 ) 及式( 2 3 ) 得出的g 值相差约为0 0 1 ，实际上可以忽略 不计。g b 6 3 9 4 - - 8 6 也采用了式( 2 3 ) 。 人们还常常采用以下一些参数来表征晶粒的大小： ( 1 ) 平均晶粒截面积( m m 2 ) ，o = 1 n 。 ( 2 ) 晶粒截面平均“直径”： 公称直径d 。( m m ) ，d 。= ( ) “2 f e r e t 直径d f ( m m ) ，d f = d l ( 3 ) 单位长度线段截交晶粒数1 1 。( m m 。1 ) ，n l = i l ( 4 ) 单位体积晶粒数n ，( m m 。3 ) ( 计算值) ，n v = 0 5 6 5 9 n - 3 。 表2 1 列出g 与d n 、d ，、l 、n ，、n ，、n 。、n 的对照关系 6 定量金相分析 表2 1晶粒度级别g 与其它表征晶粒大小的参数的对照关系 晶粒晶粒界面平均“直平均截每毫米平均晶粒截算出每平均每 度级 径”距内截点面面积立方毫平方毫 别指公称直径f e r e t 直l m m计数n 。a r a m 2米内晶米内晶 数g d 。r a m 径粒数n ，粒数n 。 d f r a m lo 5 1o 5 7 00 ，4 5 32 - 2 1 00 2 5 86 1 13 8 8 oo 3 60 4 0 30 1 3 2 03 1 2 50 1 2 91 7 37 7 5 10 2 50 2 8 50 2 2 64 4 20 0 6 4 54 8 8 1 5 5 0 2o 1 80 2 0 20 。1 6 06 。2 50 0 3 2 31 3 83 1 0 3o 1 2 5o 1 4 30 1 1 38 8 4o 0 1 6 l3 9 l6 2 0 40 0 9 0o 1 0 l0 0 8 01 2 5 0 0 0 8 0 7