第四讲材料科学研究中的计算机图像分析与处理.ppt

一概述二二值化处理三基于MATLAB金相分析 材料科学研究中的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 一概述 1 1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 0 77 C珠光体500倍 图像的分类 1 模拟图像 光学图像 模拟电视图像等 处理速度快 但精度和灵活度差 2 数字图像 数码相机 数字电视等 是将连续的模拟图像经过离散化处理后得到的计算机可以识别及处理的点阵图像 数字图像的优点 1 处理精度高 按目前的技术 几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组 这主要取决于图像数字化设备的能力 2 处理方便 数字图像是一组数据 可利用计算机对其处理 3 重复性好 它不会因图像的存储 传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化 数字图像 按纪录方式分 1 矢量图像 利用数学的矢量方式纪录图像内容 以线条和色块为主 容易放大 缩小或旋转 且不易失真 精确度高 可以绘制3D图像 但是不易做成色彩丰富的图像 2 位图图像 将图像中每一个像素点转换成一个数据 如果以8位记录 可以表现出256种颜色 所以色彩丰富 通常有 16色 256色 增强16位和真彩色24位 但随着颜色数和分辨率的提高 存储空间大 且较易失真 用数码相机和扫描仪获得的图像都属于位图 基本概念 1 象素 是图像在计算机显示中的度量单位 可以变化 可大可小 2 分辨率 是用于度量图像在显示器中清晰程度的一个参数 分辨率越高 图像越清晰 分辨率是与象素相关的 即单位长度上的象素数就是分辨率 由此可知 分辨率越高 象素的几何尺寸就越小 3 图像文件的大小 指一幅图像在计算机中保存时所占用的磁盘空间 其大小与所用的颜色模式有关 灰度图像中的每一个灰度象素只占用一个字节 8位 RGB图像中红 绿 蓝各占用一个字节 另外 图像文件的大小也直接与其分辨率有关 原因是当分辨率增加时 一幅图像所包含的象素量急剧增加 4 几种常见的图像文件格式 A BMP格式 即位图文件 整幅图可视为一个数字矩阵 它包括1 4 8 24位非压缩图像 8位RLE 行程编码 图像 文件内容包含文件头 位图信息数据块和图像数据 选择BMP格式保存一幅灰度模式图像时 可选择以Windows格式保存 而且在选中4位或8位位图时 还可选压缩 RLE 项 在用RLE方式压缩保存后图像将毫无损失 这是用得最广的图像格式之一 B TIFF格式 处理1 4 8 24位非压缩图像 1 4 8 24位packbit压缩图像 1位CCITT压缩图像等 文件内容包括 文件头 参数指针表与参数域 参数数据表和图像数据四部分 是一种用途广泛的文件格式 其特点是可移植性好 几乎所有的扫描仪及在Windows Macintosh平台上常用的版面设计软件都支持TIFF文件格式 但图像文件结构比较复杂 不压缩时文件比较大 C JPEG格式 是一种联合图像专家组的图像压缩格式 是目前所用对静止灰度或彩色图像的压缩标准 它实际上定义了3种编码系统 a 基于DCT有损编码基本系统 用于绝大多数压缩场合 b 用于高压缩比 高精度或渐进重建应用的扩展编码系统 c 用于无失真应用场合的无损系统 JPEG没有规定文件格式 图像分辨率或所用的彩色空间模型 这使它适用于MATLAB D PCX格式 可处理1 4 8 16 24位等图像数据 文件内容包括文件头 图像数据 扩展调色板数据 E TGA格式 处理1 4 8 16 24位非压缩图像和行程编码图像 文件包由5个固定长度字段和3个可变长度字段组成 数字图像已经应用到各个领域 无处不在 那么对数字图像的处理主要有以下方面 1 图像变换 傅立叶变换 小波变换等 2 图像增强与复原 突出图像信息 抗干扰 3 图像压缩编码 简化图像利于传输等 4 图像分割 提取图像中的有意义的特征 5 图像分析 对图像中的信息进行各种分析 6 图像识别 提取图像中的信息进行判别 7 图像隐藏 对图像加入水印进行信息伪装 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 1 2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 1 3数字图像处理软件 1Photoshop位图处理软件 2CorelDRAW主要是矢量图形 3Image ProPlus包含了从图像采集 处理 分析到存档 报告 输出所需要的全部功能 它致力于解决生物学 医学 材料科学 工业及半导体检测等领域的图像处理问题 是世界上拥有最广泛用户群体的专业图像分析软件 4ImageJ一个基于java的公共的图像处理软件 它能够显示 编辑 分析 处理 保存 打印8位 16位 32位的图片 支持TIFF PNG GIF JPEG BMP DICOM FITS等多种格式 ImageJ支持图像栈功能 即在一个窗口里以多线程的形式层叠多个图像 并行处理 只要内存允许 ImageJ能打开任意多的图像进行处理 除了基本的图像操作 比如缩放 旋转 扭曲 平滑处理外 ImageJ还能进行图片的区域和像素统计 间距 角度计算 能创建柱状图和剖面图 进行傅里叶变换 5ImageTool是一个免费的科学用途的图像处理与分析软件 可以显示 编辑 分析 处理 压缩 打印灰度图形或彩色图形 可打开超过22中图像格式 在生物领域 它的用途便是各种电泳胶图的分析了 只要有扫描仪 便能利用IT完成胶图的各种处理 包括注释 透光率扫描等工作 http compdent uthscsa edu dig itdesc html 二计算机图像的二值化处理 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 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 2 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 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 2 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 三基于MATLAB金相分析 Matlab是一种基于向量 数组 而不是标量的高级程序语言 因而Matlab从本质上就提供了对图像的支持 数字图像实际上是一组有序离散的数据 使用Matlab可以对这些离散数据形成的矩阵进行一次性的处理 Matlab对图像的处理功能主要集中在它的图像处理工具箱 ImageProcessingToolbox 中 图像处理工具箱是由一系列支持图像处理操作的函数组成 可以进行诸如几何操作 线性滤波和滤波器设计 图像变换 图像分析与图像增强 数学形态学处理等图像处理操作 3 1MATLAB定量金相的基本过程 基本过程 原始图像读入 图像预处理 直方图均衡化 图像增强 平滑滤波 图像二值化 二值图像形态学处理 腐蚀 膨胀 开运算 闭运算 图像分割及特征提取 边缘检测 面积提取 利用体视学公式计算所需的三维组织特征参数 一 图像读入 imread函数读入图像 Matlab支持以下几种图像文件格式 BMP GIF TIFF JPEG HDF PCX XWD PNG ICO CUR PGM PPM和RAS等类型 imshow函数显示图像 imwrite函数保存图像 二 图像预处理 剪切函数imcrop 图像预处理是相对于图像识别 图像理解的一种前期处理 通常图像会出现边缘过于模糊 图像上出现一些不知来源的黑点或白点 图像失真 变形等 因而要进行图像增强 按特定需要突出一幅图像中的某些有用信息 同时 削弱或去除某些不需要的信息 改善图像质量 如改变图像对比度 去除噪声或强调边缘等处理 图像增强主要包含灰度变换增强 图像平滑处理 图像锐化处理等 灰度变换增强主要用的是直方图均衡化histeq和对比度增强imadjust 图像平滑主要目的是减少图像噪声 图像平滑函数主要有wiener2 medfilt2和ordfilt2 wiener2用于实现线性平滑滤波 medfilt2用于实现中值滤波 ordfilt2是二维统计顺序滤波 它是中值滤波的推广 图像锐化的目的就是使边缘和轮廓线模糊的图像变得清晰 并使其细节清晰 因锐化会使噪声受到比信号还强的增强 故一般是先去除或减轻干扰噪声后才能进行锐化处理 可以用laplacian算子锐化和prewitt模板锐化 三 图像二值化 Matlab提供了多种图像类型转换函数 其中二值化图像函数主要有dither和im2bw 函数dither通过颜色抖动来达到转换图像的目的 函数im2bw通过设置阈值将灰度及真彩图像转换成二值图像 四 二值图像数学形态学处理 数学形态学运算主要包括 膨胀运算imdilate 腐蚀运算imerode 开运算imopen与闭运算imclose 利用形态学运算族bwmorph对图像进行多种处理 五 特征提取及特征参数计算 特征提取就是给出某一具体图像中与其它图像相区别的特征 如描述物体外形的形状特征等 Matlab提供的edge函数用于灰度图象边缘检测 bwperim函数用于二值图像边缘提取 bwarea用于二值图像面积测量 bwlabel实现连接成分标记等 3 2金相晶粒度的测定 以纯Fe为例 材料的晶粒的大小叫晶粒度 它直接影响着材料的相关力学性能 因而测量晶粒度具有十分重要的实际意义 材料的晶粒度一般是以单位测试面积上晶粒的个数来表示 目前世界上统一使用的是美国ASTM推出的计算晶粒度的公式 NA 2G 1G lgNA lg2 1式中G为晶粒度级别 NA为显微放大100倍下6 45cm2的面积上晶粒的个数 基本思路 将100倍放大后的金相显微组织图读入内存 将其经图像增强及二值化后 进行边界细化处理 利用函数bwlabel返回测量面积内晶粒的个数 然后利用测量结果计算出NA 再根据公式计算相应的晶粒度级别 function G N grain level image name www G 晶粒度级 N 剪切面积内晶粒的个数 image name 要计算的金相图片 www 放大倍数 输入不同放大倍数下显微镜分辨率参数ifwww 100 x 0 615006 y 0 600962 elseifwww 200 x 0 268673 y 0 267953 elsex 0 105854 y 0 101573 endi imread image name 读入图像figure imshow i 显示图像g rgb2gray i 转变为灰度图figure imshow g 显示图像g1 imcrop g 6004001000600 剪切典型测量区域 bw im2bw g1 图像二值化figure imshow bw 显示图像bw1 bwmorph bw thin Inf 细化处理bw2 bw1 图像取反figure imshow bw2 显示图像 l n bwlabel bw2 4 计算测量面积内晶粒的个数nN n yy xx size bw2 计算测量区域的像素数s yy y 1e 4 www xx x 1e 4 www 计算测量区域的面积N A n s 6 45 计算6 45平方厘米面积内的晶粒数G log10 N A log10 2 1 计算测量面积晶粒度等级 G N grain level fe 100 1 jpg 100 G 7 034724997873562N 226通过程序计算得 晶粒度等级为7级晶粒个数为226个 3 3金相中第二相面积的测定 以20钢为例 对于两相合金 第二相的数量 尺寸 几何形状都对合金的性能有很大影响 因此 常要测量第二相所占的百分比及平均自由程等 以下是测量第二相所占百分比 基本思路 将原始图像经增强及二值化形态学处理后 利用面积提取函数bwarea获得特征参数 再根据体视学基本方程计算出其他需要的参数 functionS phase area steel20 P image name i imread image name 读入图像figure imshow i 显示图像g rgb2gray i 转变为灰度图figure imshow g 显示图像 im imadjust g 1 5 g1 imcrop g 6004001000600 剪切典型测量区域figure imshow g1 显示图像 w wiener2 g1 维纳滤波figure imshow g1 显示图像bw im2bw g1 figure imshow bw 显示图像se strel octagon 3 创建圆盘形strel对象bwc imclose bw se 对取反后的二值图像进行闭运算bwco imopen bwc se 对闭运算后的图像进行开运算bwco1 bwco figure imshow bwco1 显示图像S bwarea bwco bwarea bwco bwarea bwco1 计算第二相所占面积百分比 S phase area steel20 P fe 20 3 jpg S 0 197318621307351通过程序计算得 珠光体所占面积为19 7 请大家通过杠杆定律来验证 3 4球墨铸铁的自动定级 石墨是球墨铸铁中的重要组相之一 主要以球状形态出现 其形态 大小等对球墨铸铁的性能有重要影响 正确测定球墨铸铁中石墨大小及球化率 是对球墨铸铁组织性能进行评定的基本要求 是金相实验室经常性的检验项目之一 对于材料鉴定 工艺研究和生产过程控制有着重要的意义 基本思路 采用MATLAB图像工具箱编程对球墨铸铁中石墨图像进行灰度变换 图像过滤 边缘检测 二值化 消除噪声 种子填充 形态学开运算等一系列图像处理 得到石墨形态特征参数 function qiu levels qiu ratio n sum C Area ratio d mm C levels qiu level image name www 此程序计算球化分级 球墨率 石墨分级等 qiu levels 球化级别 qiu ratio 球化率 n sum 不同面积率区间的石墨个数 C Area ratio 石墨的面积率 d mm 石墨的平均直径 mm C levels 石墨的级别 image name 要计算的金相图片 www 放大倍数 输入不同放大倍数下显微镜分辨率参数 ifwww 100 x 0 615006 y 0 600962 elseifwww 200 x 0 268673 y 0 267953 elsex 0 105854 y 0 101573 endi imread image name 读入图像figure imshow i 显示图像g rgb2gray i 转变为灰度图figure imshow g 显示图像g1 imcrop g 6004001000600 剪切典型测量区域bw im2bw g1 图像二值化figure imshow bw 显示图像 bw1 bwmorph bw thin Inf 细化处理bw1 bw 图像取反figure imshow bw1 显示图像 利用区域填充处理 填充石墨颗粒内部的孔洞bw2 imfill bw1 holes bw3 imcrop bw2 剪切典型测量区域figure imshow bw2 显示图像 创建一个16 16像素的方形结构元素se strel square 16 bw3 imopen bw2 se 通过方形结构元素进行开运算 移除小于方形像素的雪花点figure imshow bw3 显示图像 l n bwlabel bw3 4 对石墨颗粒进行标注 然后计算石墨颗粒数量sta regionprops l all 对每个石墨颗粒运用regionprops函数计算单个石墨面积A和最大轴长d 最后计算出单个石墨颗粒的面积率n81 0 n61 0 n41 0 n21 0 n00 0 fork 1 nA sta k Area 单个石墨颗粒面积Ad max sta k MajorAxisLength 最大轴长d max 计算出单个石墨的面积率ratio A pi d max 2 2 C Area ratio k ratio ifratio 0 81n81