第二章材料科学研究中的数据与图像处理

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1、第二章第二章2.1 概述概述2.2 二值化处理二值化处理2.3 粒径分析粒径分析2 材料科学研究中的计算机图像分析与处理计算机图像分析与处理 * 2024/7/282/27X.Z.Lin 随着材料科学研究的深入和发展，计算机图像分析系统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

2、、圆度和涂层厚度等的测定中，计算机图像分析系统的化率、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。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最明显的变化是

3、从全集成的分析系统向以通用PC机为基础机为基础 的、的、可自由配置及扩充的开放式软件系统发展。可自由配置及扩充的开放式软件系统发展。 2.1 概述概述 * 2024/7/283/27X.Z.Lin2.1.1 图像与图像处理图像与图像处理 粗略地说粗略地说，图像图像是任一二维或是任一二维或三维景物呈现在人们心目中的影像。三维景物呈现在人们心目中的影像。确切地说确切地说：图像是一种代表客观世：图像是一种代表客观世界中某一物体的、生动的图形表达，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。包含了描述其所代表物体的信息。就就本课程本课程来说，图像是指由各种材来说，图像是指由各种材料表

4、征手段（如光学或电子显微镜、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光谱等）所获得的有关材料结构的各种影像。各种影像。 * 2024/7/284/27X.Z.Lin我的博客我的博客 这5页PPT没用，跳过就可以了这篇PPT是精品，这一页没用：http:rtmp_main.c:993:error:lvalue required错误这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我

5、的博客我的博客 这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http: * 2024/7/285/27X.Z.Lin我的博客我的博客 it博客博客技术：http:这5页PPT没用，跳过就可以了学习就到：http:这5页PPT没用，跳过就可以了这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:我的博客我的

6、博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 我的博客我的博客 这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http: * 2024/7/286/27X.Z.LinIt博客博客 我的博客我的博客这里精品：http:这5页PPT没用，跳过就可以了itboke：http:这5页PPT没用，跳过就可以了这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:It博客博客 我的博客我的博客It博客博客 我的博客我的博客I

7、t博客博客 我的博客我的博客It博客博客 我的博客我的博客It博客博客 我的博客我的博客It博客博客 我的博客我的博客这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http: * 2024/7/287/27X.Z.Lin到这里我的博客到这里我的博客这里精品：http:这5页PPT没用，跳过就可以了这里精品：http:这里精品：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:这篇PPT是精品，这一页没用：http:到这里我的博客到这里我的博客到这里我的

8、博客到这里我的博客 * 2024/7/288/27X.Z.Lin 图像处理图像处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来来“改造改造”图像。所谓图像。所谓特定的目标特定的目标，可以是使图像更清晰、，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。更美丽动人，也可以是从图像中提取某些特定的信息。本课本课程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行“加工加工”，从中提取有关材料结构的信息。，从中提取有关材料结构的信息。 * 2024/7/289/27X.Z.Lin2.1.2

9、数字图像的获得途径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。一般的图像（即模拟图像）不能直接用数字计算机来处理。 各类图像各类图像转化成转化成数字图像数字图像CCD图像采集系统图像采集系统（CCD摄像头、图像监视器、图像卡摄像头、图像监视器、图像卡以及计算机硬件系统以及计算机硬件系统 和图像采集处理软件系统组成）和图像采集处理软件系统组成）扫描仪图像采集系统扫描仪图像采集系统（平板式扫描仪、主机插槽的接口（平板式扫描仪、主机插槽的接口卡以及计算机软硬件系统卡以及计算机软硬件系统 ） * 2024/7/2810/27X.Z.Lin2.2 计算机图像的二值化处理计算机图

10、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，图像处理的量等。为此，图像处理的首要工作首要工作是是图像的二值化图像的二值化，以分离，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标粒子的分离、背景的去除和图像二值化几个步骤 * 2024/7/2811/27X.Z.Lin Photoshop是功能非常强大的图像处理工具，有很多图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

11、方便像处理功能，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。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阈值的设置进行图像二值化 通过通过Magic Wand（魔棒）工具进行图像二值化（魔棒）工具进行图像二值化 通过通过Polygonal Lasso（多边形套索）工具进行图像二值化（多边形套索）工具进行图像二值化 几种图像二值化的方法：几种图像二值化的方法： * 2024/7/2812/27X.Z.Lin2.2.1 通过通过“阈值阈值”的设置进行图像二值的设置进行图像二值化化 当图像的目标粒子与背景的当图像的目标粒子与背景的灰度相差比较大灰

12、度相差比较大时，可以直时，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。二值化。 聚苯乙烯聚苯乙烯/顺丁橡胶共混物的顺丁橡胶共混物的 SEM照片照片例：例：聚苯乙烯为分散相，共混材料在聚苯乙烯为分散相，共混材料在液氯中冷冻后干燥脆断，再以环液氯中冷冻后干燥脆断，再以环已烷溶解掉聚苯乙烯粒子，形成已烷溶解掉聚苯乙烯粒子，形成黑色的孔洞。因此，图像中黑色的孔洞。因此，图像中黑色黑色孔洞孔洞可以代表聚苯乙烯粒子，其可以代表聚苯乙烯粒子，其大小也可以表示粒子大小。黑色大小也可以表示粒子大小。黑色孔洞的平均灰度约为孔洞的平均灰度约为

13、40，背景背景部部分的平均灰度约为分的平均灰度约为130, 两种区域两种区域的的灰度相差较大灰度相差较大，因此可以容易，因此可以容易地用阈值方式分离。地用阈值方式分离。 * 2024/7/2813/27X.Z.Lin操作过程操作过程 弹出弹出“阈值阈值”对话框对话框 * 2024/7/2814/27X.Z.Lin2.2.2 通过通过“魔棒魔棒”工具进行图像二值化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

14、背景混杂在目标粒子总是与背景混杂在 一起，难以有效分离。然而观察一起，难以有效分离。然而观察图像发现，图像发现，目标粒子自身形成的区域灰度差别很小目标粒子自身形成的区域灰度差别很小。此时可。此时可用用“魔棒魔棒”这一工具将目标粒子有效分离出来。这一工具将目标粒子有效分离出来。 * 2024/7/2815/27X.Z.Lin（1）选择目标区域：）选择目标区域：鼠标左键双鼠标左键双击击“魔棒魔棒”按钮，弹出魔棒选项按钮，弹出魔棒选项对话框，通过设置容差可确定选对话框，通过设置容差可确定选择区域的大小。择区域的大小。 用鼠标左键点击用鼠标左键点击“魔棒魔棒”按钮，按钮，则在图像上可出现魔棒，用魔棒则

15、在图像上可出现魔棒，用魔棒点击目标粒子，会出现虚线环绕点击目标粒子，会出现虚线环绕的区域。的区域。 （2）用魔棒点击目标粒子时按用魔棒点击目标粒子时按住住【Shift】键。可键。可选择多个目标选择多个目标粒子粒子。注意：注意：当不同目标粒子容差相差当不同目标粒子容差相差较大时，应针对不同目标粒子选较大时，应针对不同目标粒子选择不同的容差。择不同的容差。 操操作作过过程程 * 2024/7/2816/27X.Z.Lin（3）分离目标粒子：）分离目标粒子：选择菜单选择菜单【选选择择】【反选反选】，选择区域将变为，选择区域将变为除目标粒子外的背景区域。此时再除目标粒子外的背景区域。此时再选择菜单选择

16、菜单【编辑编辑】【消除消除】，可，可得到目标粒子分离的图像得到目标粒子分离的图像 。 （4）设定阈值，）设定阈值，得到二值化图像。得到二值化图像。 * 2024/7/2817/27X.Z.Lin2.2.3 通过通过“多边形套索多边形套索”工具进行图像二值工具进行图像二值化化 当所处理的图像当所处理的图像灰度分布十分复杂灰度分布十分复杂时，则不能用上述两时，则不能用上述两种方法进行二值化工种方法进行二值化工 作。此时多边形套索是最有效的工作。作。此时多边形套索是最有效的工作。 图图 通过通过“多边形套索多边形套索”工具进行图像二值化工具进行图像二值化 * 2024/7/2818/27X.Z.Li

17、n操作过程操作过程 用鼠标左键点击工具栏中的用鼠标左键点击工具栏中的“Lasso（套索）（套索）”工具，这栏有工具，这栏有Lasso、Polygon Lasso （多边形套索）和（多边形套索）和Magnetic Lasso （磁性套（磁性套索）三个工具。索）三个工具。 对于初学者来讲，对于初学者来讲， Lasso不易掌握。不易掌握。 如果粒子和背景灰度如果粒子和背景灰度差别比较大，可以选择差别比较大，可以选择使用磁性套索。使用磁性套索。 建议使用多边形套索，建议使用多边形套索，用鼠标沿目标粒子边界用鼠标沿目标粒子边界拉动并不断点击左键拉动并不断点击左键则会选择出目标粒子。则会选择出目标粒子。

18、（1）选择目标粒子）选择目标粒子 * 2024/7/2819/27X.Z.Lin（2）多个目标粒子）多个目标粒子的选择（标记）的选择（标记）方法：填充方法：填充（也可用前面介绍（也可用前面介绍的的“Shift”方式）方式） * 2024/7/2820/27X.Z.Lin（4）去除背景）去除背景 完成完成“二值化二值化”方法：同前方法：同前（反选，清除背景，设阈值）（反选，清除背景，设阈值） （3）选中目标粒子）选中目标粒子 * 2024/7/2821/27X.Z.Lin2.3 粒径分析粒径分析主要内容：主要内容：2.3.1 粒径大小测定原理粒径大小测定原理2.3.2 粒径分析中的图像处理方法及

19、算法粒径分析中的图像处理方法及算法2.3.3 粒径数据作图与分析粒径数据作图与分析 在材料研究中，经常遇到粒子大小（即粒径与粒在材料研究中，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）图像进行前述的二值化处理） * 2024/7/2822/27X.Z.Lin2.3.1 粒径大小测定原理粒径大小测定原理 投影面直径投影面直径da置于稳定位置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。置于稳定位置的颗粒的投影面积相同的

20、圆的直径。投影面直径投影面直径dp 与任意放置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。与任意放置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。 周长直径周长直径dC与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。Feret直径直径dF与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离。与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离。Martin直径直径dM颗粒投影外形面积等分线。颗粒投影外形面积等分线。 展开直径展开直径dH通过颗粒重心的弦长。通过颗粒重心的弦长。 统计直径：统计直径：用平均概用平均概率统计直径表率统计直径表示。示。（一）颗粒大小的表征（一）颗粒大小的表征 * 2024/7/2823/27X

21、.Z.Lin（二）颗粒形状的表征（二）颗粒形状的表征（1）形状系数）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。测得的颗粒各种大小与颗粒体积或面积之间的关系。 形状系数形状系数 形状因素形状因素常用参数常用参数式中：式中：dS为面积直径（与颗粒具有相同表面积的圆球直径）；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）；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分别为面积和体积的形状系数， 下标下标a表示是对应于表示是对应于da的。的。 * 2024/7/2824/27X.Z.Linu 形状因

22、素形状因素 颗粒各种测得大小的无量纲组合颗粒各种测得大小的无量纲组合 Why？其它其它表示方法表示方法 * 2024/7/2825/27X.Z.Lin（三）颗粒大小分布的表示方法（三）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。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常用的大小范围取法有等间隔的等间隔的算术级数划分法算术级数划分法和和等比等比的的几何级数划分法几何级数划分法等。等。 具体表示方法有：具体表示方法有： 列表法、矩形图、累计百分率频率分布图等。列表法、矩形图、累计百分率频率分布图等。 * 2024/7/2826/27X.Z.Lin（1

23、）列表法）列表法几个重要概念几个重要概念: 颗粒大小颗粒大小x：指测得的颗粒的当量直径；：指测得的颗粒的当量直径； 频率数频率数d：指在策大小范围内颗粒的某特征（包括个数、长：指在策大小范围内颗粒的某特征（包括个数、长 度、度、面积和体积等）出现的总数；面积和体积等）出现的总数； 累计频率数累计频率数：指小于某颗粒大小的特征总数，指小于某颗粒大小的特征总数， 百分率频率百分率频率: 累计累计百分率频率百分率频率： 频率密度频率密度 ：指每一甲位长度的百外率：指每一甲位长度的百外率 领率相当于概率论领率相当于概率论中的概率密度。中的概率密度。 * 2024/7/2827/27X.Z.Lin频率数

24、频率数dN对颗粒大小对颗粒大小x作矩形图（直方图）作矩形图（直方图）（2）矩形图）矩形图（3）累计百分率频率分布图）累计百分率频率分布图（4）频率密度分布图）频率密度分布图 频率密度频率密度 对对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线作图、通常将各点描成连续平滑曲线 累计百分率频率累计百分率频率 对对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线作图、通常将各点描成连续平滑曲线 * 2024/7/2828/27X.Z.Lin（四）平均直径（四）平均直径 如图如图8-44所示，所示， “频率密度最大值频率密度最大值”是频率密度最大所对应是频率密度最大所对应的颗粒大小；的颗粒大小；“中线值中线值”是在累计百分率频

25、率曲线上是在累计百分率频率曲线上50对应的对应的颗粒大小，在频率密度曲线上，通过此值的垂线将曲线下的面积颗粒大小，在频率密度曲线上，通过此值的垂线将曲线下的面积等分；等分；“平均值平均值”是通过频率密度曲线所包括的面积的重心的垂是通过频率密度曲线所包括的面积的重心的垂线与横坐标的交点值，公式如下：线与横坐标的交点值，公式如下： * 2024/7/2829/27X.Z.Lin 颗粒分布的特征包括个数、长度、面积和体积。大小不同的颗粒分布的特征包括个数、长度、面积和体积。大小不同的颗粒所组成的物质（颗粒所组成的物质（原物系原物系）可被另一个与该物系有且仅有两个）可被另一个与该物系有且仅有两个相同特

26、征的均匀物系（相同特征的均匀物系（代表物系代表物系）所代表。对于这两个相同的特）所代表。对于这两个相同的特征而言，后一物系的颗粒大小即为前者的平均值。（图征而言，后一物系的颗粒大小即为前者的平均值。（图8-45） 原物系原物系代表物系代表物系 颗粒的相对分散程度颗粒的相对分散程度：可以用平均直径的：可以用平均直径的离差系数离差系数表示表示 颗粒的分散程度颗粒的分散程度：就用平均直径的：就用平均直径的标准方差标准方差表示表示 * 2024/7/2830/27X.Z.Lin2.3.2 粒径分析中的图像处理方法及算法粒径分析中的图像处理方法及算法 跟踪算法跟踪算法进行微粒面积求取的进行微粒面积求取的

27、基本思路基本思路： 1）首先选择满足条件（常为某灰度值）的像素作为）首先选择满足条件（常为某灰度值）的像素作为起始像素起始像素。 2）根据已得输出结果，在输入图像上）根据已得输出结果，在输入图像上搜索搜索确定下一步应处理的确定下一步应处理的像素像素，并并进进行规定行规定处理处理（计数）。（计数）。 3）根据已得输出结果及输入图像，确定）根据已得输出结果及输入图像，确定终止条件终止条件。 4）计算真实面积计算真实面积：根据标尺（或像素面积）将像素总数换算成真实面积：根据标尺（或像素面积）将像素总数换算成真实面积 。 * 2024/7/2831/27X.Z.Lin2.3.3 粒径数据作图与分析粒径数据作图与分析 （一）作图（一）作图（二）统计分析（二）统计分析用用Origin等软件作图，如：粒径分布图、矩形图等。等软件作图，如：粒径分布图、矩形图等。 直方图对话框中有两种拟直方图对话框中有两种拟合方式：合方式：NormalCurve（正态分布）（正态分布）Gaussion Fit（高斯分布）（高斯分布）