一种合金中第二相的自动识别与定量分析方法技术

本发明专利技术提供了一种合金中第二相的自动识别与定量分析方法，通过使用顶帽变换技术对合金第二相图像过滤得到图像中的条状第二相，接着利用条状第二相对合金第二相图像进行图像代数运算，得到板块状第二相，利用通过对条状第二相和板块状第二相进行定量分析，通过对条状第二相中的独立连通域作最小外接矩形，选取每个独立连通域对应的最小外接矩阵，利用最小外接矩形获得条状第二相的长、宽及面积大小信息，通过统计板块状第二相的像素面积和个数，实现两种第二相的面积，条状第二相的宽度等参数的定量统计，相对于人工识别精度大大提高，并且有效地降低了在此工作中较高的劳动强度，提高了工作效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
在材料学的相关研究中，对合金中第二相的尺寸(长，宽)、面积和数量等参数的统计分析是研究铝合金材料组织性能演变的重要手段和方法。合金中第二相的尺寸大小和数量直接影响到合金的力学性能。通过对合金中第二相的尺寸及体积的定量分析，可以利用现有的计算模型定量计算出合金的强度。通过对合金在不同环境下的第二相粗化规律的分析，可以揭示合金在相应环境下的力学性能演变的微观机理。比如，部分研究通过对铝合金透射电镜照片中的第二相尺寸分布和数量的分析，揭示了铝合金中第二相在热暴露过程中的长大和粗化规律，以及热暴露后铝合金力学性能演变的微观机理。这些对于新材料合金相的设计、揭示材料服役性能演变规律和机理，具有重要的科学意义和实际应用价值。目前，对合金透射电镜照片中第二相的定量分析工具主要为ImageTool和NanoMeasurer两款软件。Image Tool的作者为得克萨斯大学圣安东尼奥健康科学研究中心的Don Wilcox,Brent Dove, Doss McDavid, David Greer开发团队。作为一款专业图像处理软件，其可以进行简单的灰阶阈值处理，从而分割图像并提取相关信息。当初开发此款软件主要意图为统计粒径、孔径、孔面积，孔的总面积，角度等，主要用于生物学及医学显微镜照片的处理与分析。目前此款软件广泛应用于提取铝铜镁银合金照片的数字图像中第二相相关信息的工作中。使用其对铝铜镁银合金照片中第二相的提取与定量进行分析时，需要先使用Photoshop或者类似图像处理软件对原始图像进行预处理，具体操作为使用Photoshop的“钢笔”工具将需要进行信息采集统计的区域涂抹为深色的单一色调，进而使用软件ImageTool (IT)读取经预处理后的图像，设定适当的阈值对图像进行分割处理；进而对指定深色单一色调的连通域进行人工设定分割阈值，并对分割后得到的连通域进行定量统计获取需要的相关信息。虽然使用函数ImageTool (IT)对图像中单一色调的连通域进行识别并提取信息快捷简便，但由于其功能的局限性(只能做阈值分割)及铝铜镁银合金照片的复杂性，只能对单一灰阶色调连通区域进行识别统计，而铝铜镁银合金照片本身需要分析的第二相目标区域并非为单一灰阶色调区域，故需要借助Photoshop等第三方图像处理软件对原图像进行大量效率极为低下的人工预处理，工作强度高(据不完全统计，使用该方法处理一张铝合金照片所需的时间为一周)，并且由于人工操作的出错率高等问题(例如，高强度工作下由于疲劳等关系工作人员会遗漏部分不明显的第二相)，会导致一部分数据误差。同时，由于板块的厚度不均匀和照片拍摄时光线的问题，导致大部分照片中第二相的板面边缘模糊不清，无法使用人工涂抹的方法予以处理，故导致合金照片中第二相版面无法进行有效的定量统计。Nano Measurer软件的作者为复旦大学化学系,表面化学与催化实验室研究员许杰。设计该款软件的初衷是用于化学方面的粒径的分布计算分析。使用该软件对合金照片中的第二相进行定量分析时，首先需要确定对应拍照时的标尺画一根同样长度的直线以设定标尺，并手动输入标尺代表的实际长度。在对图中需要测量统计的第二相上使用鼠标人工划出线段连接条状第二相的两个端点以标记需要测量的距离，并得到有序号的标记。在所有需要统计的距离都人工划出线段标注完毕之后，可以点击报告查看报告和相关统计图。但由于缺少面积统计方法，无法统计其中第二相的面积。并且由于板块厚度不均匀以及拍摄照片时的光照不均等原因，导致不同厚度的板块亦无法使用此方法进行统计，仅可测量统计竖置第二相的长度。相比上面提到的ImageTool软件，虽然不需要借助第三方软件进行涂抹操作，并且相对于涂抹操作来说，画线操作的工作量大大减少，但是人工处理效率仍旧低下，工作强度依旧过高(据不完全统计，使用该方法处理一张图片所需时间为2-3小时)，同样由于人工操作的疏忽等客观因素，依旧会有部分第二相的信息被遗漏的问题发生。可以看出，目前在合金第二相的定量统计与分析使用的图像处理方法及两种工具软件，都存在需要大量高强度人工操作，效率低下，无法识别板块状的第二相，以及人工处理精度较低且因人而异问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题:克服现有方法的不足之处，提供一种基于顶帽变换技术的合金透射电镜照片中第二相的定量分析方法，有效降低在现有第二相的定量分析工作所需劳动强度，提高工作效率与结果精度。，包括如下步骤:步骤1:将采集的图像转换为灰阶图像，对灰阶图像进行灰阶反转处理，接着对其进行光照均衡处理，即采用顶帽变换操作，得到灰度图像A ；步骤2:估计图像A中的条状第二相的宽度为X，利用半径尺寸为95%X 115%X的结构元素，对灰度图像A进行顶帽变换操作，以过滤出条状第二相，消除图中的大尺寸背景，得到灰度图像C，即帽顶图像；步骤3:对图像A使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为N，利用与N相乘的迭代阈值对图像A进行分割处理，得到只包含条状第二相和板块状第二相的二值图像D，该二值图像D用于步骤8，N的取值范围是0.8 1.2 ;步骤4:对图像C使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为P，利用与比例因子P相乘后的迭代阈值对灰度图像C进行分割处理，得到其二值图像E，即条状第二相提取结果二值图像；步骤5:对步骤2中顶帽变换所得的帽底图像使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为Q，利用与比例因子Q相乘的迭代阈值对帽底图像进行分割处理，得到其二值图像F，即为板块状第二相的粗略定位图；其中，Q的取值范围是0.8 1.2,所述帽底图像为图像A减去图像C得到的图像；步骤6:使用板块定位的二值图像F与已得到的条状第二相的二值图像E进行代数加运算，采用Ostu法则计算阈值并基于该阈值对运算结果图进行分割处理，得到两种第二相图像中背景重合部分二值图像G ；步骤7:对条状第二相提取结果二值图像E与二值图像G进行图像代数减运算，消去图E中步骤6中所得的二值图像G，采用Ostu法则取阈值对运算结果图进行分割处理，得到消去与板块重合部分的条状第二相的二值图像H ；步骤8:对二值图像D和二值图像H进行代数减运算，消去二值图像D中的条状第二相图像信息，采用Ostu法则取阈值对运算结果图进行分割处理，得到板块状第二相的二值图像I ;步骤9:对二值图像E和二值图像I进行定量分析，得到并统计原始图像中第二相的有效信息，包括条状第二相的长度、宽度、面积、个数以及板块状第二相的面积和个数。利用步骤I得到的二值图像A与二值图像C进行代数减运算，得到板块状第二相二值图像F，完成对板块状第二相的边缘定位，板块状第二相二值图像F即为所述步骤5中的定位图。所述步骤9中的对二值图像E和二值图像I进行定量分析的步骤如下:对二值图像E进行定量分析的步骤如下:I)依次作二值图像E中各个独立连通域的外接矩形，并记录每个外接矩形的周长;2)以正外接矩形中心为圆心，以此圆心作为坐标原点，水平坐标轴和垂直坐标轴分别与图像的水平线和垂直线平行，将水平坐标轴顺时针旋转1°，作新外接矩形，新外接矩形的一条边与水平坐标轴平行，记录新的外接矩形的周长；3)以新的外接矩形的中心为圆心，重复步骤2)，直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合金中第二相的自动识别与定量分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将采集的图像转换为灰阶图像，对灰阶图像进行灰阶反转处理，接着对其进行光照均衡处理，即采用顶帽变换操作，得到灰度图像A；步骤2：估计图像A中的条状第二相的宽度为X，利用半径尺寸为95%X～115%X的结构元素，对灰度图像A进行顶帽变换操作，以过滤出条状第二相，消除图中的大尺寸背景，得到灰度图像C，即帽顶图像；步骤3：对图像A使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为N，利用与N相乘的迭代阈值对图像A进行分割处理，得到只包含条状第二相和板块状第二相的二值图像D，该二值图像D用于步骤8，N的取值范围是0.8～1.2；步骤4：对图像C使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为P，利用与比例因子P相乘后的迭代阈值对灰度图像C进行分割处理，得到其二值图像E，即条状第二相提取结果二值图像；步骤5：对步骤2中顶帽变换所得的帽底图像使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为Q，利用与比例因子Q相乘的迭代阈值对帽底图像进行分割处理，得到其二值图像F,即为板块状第二相的粗略定位图；其中，Q的取值范围是0.8～1.2，所述帽底图像为图像A减去图像C得到的图像；步骤6：使用板块定位的二值图像F与已得到的条状第二相的二值图像E进行代数加运算，采用Ostu法则计算阈值并基于该阈值对运算结果图进行分割处理，得到两种第二相图像中背景重合部分二值图像G；步骤7：对条状第二相提取结果二值图像E与二值图像G进行图像代数减运算，消去图E中步骤6中所得的二值图像G，采用Ostu法则取阈值对运算结果图进行分割处理，得到消去与板块重合部分的条状第二相的二值图像H；步骤8：对二值图像D和二值图像H进行代数减运算，消去二值图像D中的条状第二相图像信息，采用Ostu法则取阈值对运算结果图进行分割处理，得到板块状第二相的二值图像I；步骤9：对二值图像E和二值图像I进行定量分析，得到并统计原始图像中第二相的有效信息，包括条状第二相的长度、宽度、面积、个数以及板块状第二相的面积和个数。...

【技术特征摘要】
1.一种合金中第二相的自动识别与定量分析方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:将采集的图像转换为灰阶图像，对灰阶图像进行灰阶反转处理，接着对其进行光照均衡处理，即采用顶帽变换操作，得到灰度图像A ； 步骤2:估计图像A中的条状第二相的宽度为X，利用半径尺寸为95%X 115%X的结构元素，对灰度图像A进行顶帽变换操作，以过滤出条状第二相，消除图中的大尺寸背景，得到灰度图像C，即帽顶图像； 步骤3:对图像A使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为N，利用与N相乘的迭代阈值对图像A进行分割处理，得到只包含条状第二相和板块状第二相的二值图像D，该二值图像D用于步骤8，N的取值范围是0.8 1.2 ; 步骤4:对图像C使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为P，利用与比例因子P相乘后的迭代阈值对灰度图像C进行分割处理，得到其二值图像E，即条状第二相提取结果二值图像； 步骤5:对步骤2中顶帽变换所得的帽底图像使用Ostu算法得到其迭代阈值，设置迭代阈值的比例因子为Q，利用与比例因子Q相乘的迭代阈值对帽底图像进行分割处理，得到其二值图像F，即为板块状第二相的粗略定位图； 其中，Q的取值范围是0.8 1.2，所述帽底图像为图像A减去图像C得到的图像；步骤6:使用板块定位的二值图像F与已得到的条状第二相的二值图像E进行代数加运算，采用Ostu法则计算阈值并基于该阈值对运算结果图进行分割处理，得到两种第二相图像中背景重合部分二值图像G ； 步骤7:对条状第二相提取结果二值图像E与二值图像G进行图像代数减运算，消去图E中步骤6中所得的二值图像G，采用Ostu法则取阈值对运算结果图进行分割处理，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冰滨，田小林，
申请(专利权)人：刘冰滨，
类型：发明
国别省市：