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1、MATLABMATLAB 定量金相工具箱的开发定量金相工具箱的开发黎舒明黎舒明（湘潭大学材料科学与工程学院（湘潭大学材料科学与工程学院 湘潭湘潭 2011501111）摘要摘要:讨论了包含数值计算、可视化图形处理、开放式多功能于一体的语言 MAT LA B , 论述了开发出 MA TL AB 定量金相工具箱的重要意义,介绍了利用 MATL AB 开放式可扩 充体系结构,开发一个基于 MATLAB 环境下的定量金相专用工具箱。 关键词：关键词：MATLAB；定量金相；工具箱；开发1 引言引言在金属材料众多分析方法中，金相分析因其简便直观、成本低廉的特点，一直是材料科学 与工程领域中应用最广泛的、
2、且效率突出的研究和检验方法。长时间以来，金相分析都是 通过人工观察显微镜下的金相图像，对其进行直接分析。这种分析结果带有主观性，依赖 分析人员的知识等级和经验水平。随着科学技术的不断进步和发展，尤其是定量金相学理 论和数字图像处理技术的发展，使人们从传统的定性和半定量的金相分析向定量金相分析 方向进行转变。定量金相分析技术是依靠测定显微组织中的各种特征参数，在材料的宏观 性能和微观组织间建立起定量关系的一种分析测试技术。Matlab 是由 MathWorks 公司开发 的一种主要用于数值计算及可视化图形处理的工程语言。它所拥有的强大的计算和图像处 理功能为定量金相奠定了良好的基础。但在 MAT
3、LAB 目前所提供的几十个工具箱中，还 没有定量金相专业工具箱。本研究结合 MATLAB 自身所具有的优点和定量金相发展的需 要，开发一个基于 MATLAB 环境下的定量金相专用工具箱。2 MATLAB 相关功能介绍相关功能介绍Matlab 是由 MathWorks 公司开发的一种主要用于数值计算及可视化图形处理的工程语言。 开发至今，它已将数值分析、矩阵计算、图形图像处理、信号处理和仿真等诸多强大的功 能集成在较易使用的交互式计算机环境之中，为科学研究、工程应用提供了一种功能强、 效率高的编程工具。Matlab 图形处理工具箱包含有一百多种工具函数，包括图像类型转换、 图像文件 I/O 和显
4、示、图像统计分析、线性滤波、图像增强、二值图像处理、图像的形态 学分析等多个方面。可见 Matlab 图形图像处理的条件和能力完全能够胜任定量金相分析工 作。并且作为一种主要用于数值统计及可视化图形处理的高级计算机语言。M ATL AB 具 有如下优异特征 : ( 1 )质量高、可靠性强的数值统计能力,庞大的数学子程序库。 ( 2 )高级图形和可视化数据处理能力 , 面向对象的图形绘制。 ( 3)广泛应用在解决各学科研究领域内复杂问题的能力。 ( 4 )支持科学和工程计算法则的开发式、可扩充结构。 ( 5 )跨平台兼容 。 经过多年的完善 , MATLAB 的易用性与通用性、可靠性与专业性、普
5、遍目的的应用与精尖 高深的专业应用有机地结合在一起。更值得一提的是,它为不同领域的用户提供了一个适于 各学科专业问题的所谓工具箱系统 ,这就是它的开放式可扩充体系结构,即允许用户满足自 身专业需要,可以自由的补充和扩展 MATLAB 功能。用户通过使用这种扩展软件包的功能, 可能创建出更有专业特色,更富创造性的专业应用程序集,并将它作为新的工具箱嵌入 MATLAB 推广应用 。3 定量分析的介绍和开发工具箱的意义定量分析的介绍和开发工具箱的意义3.1 定量金相分析和体视学定量金相分析和体视学金相分析是材料科学中的一项重要技术，其实质是观察金属材料微观结构的图像并做出 分析和判断的过程。在这个过
6、程中，金属材料微观结构图像是核心。通过显微镜的观察， 可 以鉴别各种组织，观察其组织特征，并建立起组织和性能间的定性关系。这对于材料的研 究、 生产和使用无疑具有极大的理论意义和实际意义。而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间建立起定量关系的一种分析测试方法。 我们研究的材料通常是不透明的，因此不能直接观察组织的三维立体图像，只能在二维 金相试样磨面或薄膜透射投影图上对材料组织进行测量，然后去推断三维图像。这种从二 维 图像直接去推断三维组织图像的科学就叫体视学，把体视学应用于金相学研究的科学就叫 定 量金相学1。 定量分析中常用的体视学基本方程有1
7、：(1) (1.1.1)PLAVPLAV(2) (1.1.2)LAvPLS24(3) (1.1.3)AVPL2(4) (1.1.4)LAAVVVVPPLLSLL22 21 方程中相关参数的含义可参考资料1。3.2 开发开发 MATLAB 定量金相工具箱的重要意义。定量金相工具箱的重要意义。（1）目前国内没有专门用于金相分析的工具箱，可以填补本领域的研究空白。 今年来，由于 MATLAB 软件的不断发展和完善，相当多研究领域的专家学者为了解决各 自研究领域中所遇见的问题，已开发出了很多扩展工具箱用于各自领域。但时至今日，还 未见到国内外关于开发 MATLAB 定量金相工具箱的研究报导。因此加大金
8、相分析领域的 研究的力度具有特别重要的意义。 （1）可以克服传统金相分析所带来的缺陷。 传统金相分析都是依靠人工观察显微镜下的金相图像，对其进行分析。这种分析结果带有 主观性，依赖分析人员的知识和经验。而通过 MATLAB 强大的图像处理和统计分析功能， 就能很快的得出精确的分析结果。如进一步完善用户界面，将更加便于定量金相分析工作。4 开发开发 MATLAB 定量金相工具箱的尝试与研究方案定量金相工具箱的尝试与研究方案4.1 开发开发 MATLAB 定量金相工具箱的尝试定量金相工具箱的尝试我们以金相图片为对象,将金相图片内容进行了图形处理,并编写成基于 MAT L AB 的 M-文 件,同时
9、,我们又利用 MATL AB 环境下的 GUI 工具,进行了操作界面及模拟演示功能的编写, 同时用 CALLBAC K 回调函数功能进行相互间的连接,形成一个个相对独立的子系统( M - 文件集) ,由于所编写的系统是在 MATLAB 环境下,充分利用了 MATLAB 强大的图像转换、 图像统计分析 、图形处理与演示、可开放式等功能 , 同时还利用了方便快捷的编程手段 , 因此取得了十分理想的效果。现在已编写出了基于 MAT L AB 的金相图像处理分析应用 程序包括有晶粒度和晶粒数的测定文件,下一步将是利用 MATLA 中 GUI 工具，将已有的 金相处理程序集成到工具箱中，并设计一个相关的 MATLAB 用户界面。4.2 开发开发 MATLAB 定量金相工具箱的研究方案定量金相工具箱的研究方案（1）目标：研究开发基于 MATLAB 中 GUI 工具箱，可用于金相图形的原始图像读入、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，能够测定金相图形的晶粒度和晶粒数。并且有友好的 界面，面向对象，易于扩充和操作。 （2）内容：
