《数据与图像处理》PPT课件.ppt

计算机在材料科学与工程中的应用 第7章材料科学研究中的数据与图像处理 本章要点 7 1材料研究中的数据处理 7 2计算机图像分析与处理 7 1材料研究中的数据处理 一 Origin软件的基本功能和使用方法 一 Origin软件的窗口组成 二 输入 编辑和保存数据 1 输入数据键盘输入 复制其他数据文件 从已有的数据文件中导入数据 可以读取的文本格式 Origin的二进制数据文件 文本格式 ASCII Excel格式 xls 和数据库文件 dbf 2 编辑数据删除数据 行和列 修改数据 改变列的数据类型和属性 改变数据属性 改变数据类型 改变数据列名称等 3 保存和输出数据两种格式 1 ASCII文本方式 2 Origin的二进制方式 可通过函数表达式对整列数据或几个数据单元格进行赋值 选定一个数据列或其中几个数据单元格 打开 柱形图 选择 列值设定 通过对话框输入函数表达式进行赋值 大致可以分为三类 数据处理软件部分 三 数据运算 举例 材料断裂韧度 KIC 计算 图1 1测定KIC的试样尺寸及加载情况 材料断裂韧度计算公式 当L h 4时 Y的表达式为 式中 KIC 材料的断裂韧度 MPa m1 2 P 断裂载荷 N L 为跨距 常用20mm w 试条宽度 mm h 试条高度 mm a 槽深 mm Y 几何因子 试验原始数据 四 数据统计处理 按某列的升序或降序排列选定列 菜单 Analysis SortColumn 按列求和 均值和标准差选定列菜单 Statistics DescriptiveStatistics StatisticsOnColumns 按行求均值和标准差选定列菜单 Statistics DescriptiveStatistics StatisticsOnRows 4 一组 列 数据的t 检验 均值与期望值比较 1 两个独立 Independent 总体的t 检验 选定待检验的两列或两组数据 菜单 Statistics HypothesisTesting TwoSamplet test 在弹出对话框中选择IndependentTest按钮 操作 5 两组 列 数据的t 检验 Origin7 0 Samples Analysis TwoSamplet test opj 示例数据 1 两个关联 Paired 总体的t 检验 6 多元线性回归 在实验数据处理和科技论文对实验结果的讨论中 经常需要对实验数据进行回归分析 用以描述不同变量之间的关系 建立经验公式或数学模型 Origin提供了强大的回归分析功能 其中最有代表性的是多元线性回归 多元线性回归就是求回归方程 五 绘图 图形能赋予一般数据以视觉意义 直观显示数据的不同或相似之处或变化规律 显示出数据所产生的数学模型 用图形方法显示数据的直观性 数据间的关系容易理解 因而在科技论文 实验报告中经常使用 Origin软件提供了数据分析中常用的绘图 曲线拟合和分析功能 可以绘制各种二维及三维图等 用Origin软件绘制的初图并不完美 需要对图形的每个元素进行精心设置 编辑 修饰 才能提交一张美观大方 高质量的符合出版发表要求的图形 1 绘制二维图 根据需要选择确定图形类型Origin提供的二维图主要有 散点分布图 Scatter 线图 Line 点线图 Line Symbol 横条图 Bar 柱图 Column 饼图 Pie 面积图 Area 填充面积图 FillArea 等 确认数据页中各列的属性 X Y 绘图 先选定数据列 再选择绘图工具先选绘图工具 再在对话框中设定绘图数据列 线图 点线图 散点图 在绘图过程中选择数据栏时 直接选择某数据列 该列属性即使不是Error也行 作为误差数据列可绘出带误差棒的图形 在数据页中 读入X列数据 Y列数据及各点的误差 误差列属性设为 X 或Y Error 然后选择各列 含误差列 进行作图也将得到一张带有误差棒的曲线图 在图形页中 打开 Graph 菜单中选择 AddErrorBars 但弹出的对话框中只有2个选项 即 PercentofData 数据的百分值 和 StandardDeviationofData 数据的标准差 作为误差数值 2 数据点误差 数据列标准偏差的图形表示方法 Double Y作图法 在数据页中 选定两个 或以上 Y数据列 选择菜单 Plot SpecialLine Symbol Double Y 命令即可绘制双坐标图 图中 最后一个Y列的对应曲线的y轴显示在右侧 其余的用同一y轴 左侧 新增图层法 先作出左边Y轴对应曲线 然后在原来页面上叠上第2层 选择右边Y轴 激活第2层 再用 Graph AddPlottoLayer 方式在该层上画右边Y轴对应曲线即可 3 在一张图里表示两套Y轴的方法 4 直方图 扇形图 用于生产统计 市场分析 先赋值 再作图 给数据列 Y X列可赋行号 用函数表达式赋值后作线图 Line 直接用函数作图 在数据页 图形页 中 选择菜单 File New 在弹出的对话框中选择 Function 后 在新对话框中输入函数公式 即可绘出函数图 在图形页中 选择菜单 Plot AddFunctionGraph 在对话框中输入函数表达式 5 函数图形的绘制 6 增加新的图形页面和删除图形页面 7 在同一个页面中增加新的图层 操作 新建 File New Graph 或直接作图 删除 关闭不保存 操作 Tool Layer 打开选项卡 Graph AddPlottoLayer 为图层添加图形 图形中右键菜单可控制组织图层等 8 增加新的页面9 删除图形 10 图形修饰与编辑技巧 1 页面大小与背景颜色方法 菜单 Format Page 在弹出对话框中设置 2 图形大小及在页面中位置 1 菜单 Format Layer 在弹出的对话框中的 Size Speed 选项卡中改变图形左边界 上边界和图形区的尺寸 填入适当数值后 得到新设置的图形 注意参数的单位 ofPage inch cm mm pixel等 的选用 2 菜单 Edit RotatePage 可旋转图形 3 菜单 Edit MergeAllGraphWindows 可把多个图形整齐地排成数行数列于一个窗口页面中 方法 方法 菜单 Format Plots 选中并双击曲线或符号在弹出的 PlotDetails 对话框中编辑曲线和误差线的线型与粗细 符号类型与大小及它们的颜色等 3 线条和符号编辑 4 坐标轴及坐标轴标题设置 1 添加多条曲线 11 其他技巧简介 当画完一张曲线图后 要在同一层面上再添加曲线 在 Graph 下拉菜单中 选择 AddPlottoLayer 再选择某图形形式后 便弹出选择画图数据栏的对话框 正确选择数据栏 即可添加曲线 如此反复 可在同一层面上添加多条曲线 1 在同一图层 Layer 上添加多条曲线 2 在同一页面 Page 上利用多图层叠加实现多条曲线对比 同一个页面可安排多幅图层 layer 每幅图层上画一条曲线 操作 Tool Layer 打开选项卡 Graph AddPlottoLayer 为图层添加图形 2 拟合 3 三维图绘制 Origin提供了三大类三维图 注意他们的区别 根据不同的需要选用 三维图示例 黑白线条 数字标记的等高线 用设置的数据作等高线 彩色等高线 与其他数据 如图形等 捆绑保存 OPJ ORG 方法 菜单 File SaveProject 或 SaveAsProject 以图形形式保存 bmp tif gif pdf jpg等 方法 图形页面下 菜单 File ExportPage 以窗口方式单独保存数据表 OGW 方法 菜单 FiLe SaveWindowsAs 12 图形的输出与保存 二 Origin在材料科学研究中的应用举例 一 反应结合氧化铝动力学机理研究 二 固相反应动力学机理研究 三 在数学模型建立和拟合中的应用 四 谱线处理 河北工业大学的王宝珠等用BASIC语言对所测相变数据进行分段抛物处理实现了曲线拟合 洛阳船舶材科研究所张明奇采用计算机编程与数据处理 绘制了钢的过冷奥氏体等温转变TTT图和连续转变CCT图 在直接生成式控制气氛热处理中 由于炉内化学反应涉及多种平衡因素 因而计算复杂 姜岩等推出了较准确地计算炉气平衡成分的方程式 并编制了计算机程序 不仅准确度明显提高 而且运算时间仅需几秒钟 华中理工大学的张乐福等利用计算机和人工网络系统对铸铁激光表面淬火实验数据进行了处理 得到了满意的结果 洛阳船舶材料研究所邓欣对应力腐蚀试验数据的处理系统进行了研究 三 材料研究科学中的数据处理 7 2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 一 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 二 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 三 采用常规软件进行材料图像分析与处理 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MagicWand 魔棒 工具进行图像二值化通过PolygonalLasso 多边形套索 工具进行图像二值化 几种图像二值化的方法 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 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 操作过程 弹出 阈值 对话框 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 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 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 PolygonLasso 多边形套索 和MagneticLasso 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 四 粒径大小测定原理 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 投影面直径da 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dp 与任意放置的颗粒的投影面积相同的圆的直径 周长直径dC 与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径 Feret直径dF 与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离 Martin直径dM 颗粒投影外形面积等分线 展开直径dH 通过颗粒重心的弦长 1 颗粒大小的表征 2 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 式中 dS为面积直径 与颗粒具有相同表面积的圆球直径 dV为体积直径 与颗粒有相同体积的圆球直径 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 形状因素 颗粒各种测得大小的无量纲组合 3 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