計(jì)算機(jī)定量金相分析系統(tǒng)的軟件開發(fā)與圖像處理方法

摘 要

在金相分析的技術(shù)上以及準(zhǔn)確性上，數(shù)字圖像處理技術(shù)又進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展領(lǐng)域，當(dāng)然也在材料科技學(xué)科給予了一種全新的研究方式。這篇文章就是把數(shù)字圖像處理技術(shù)投入到金相應(yīng)用中來，對(duì)這樣的跨方向的科技創(chuàng)新開展了深入的剖析。這篇文章的主要內(nèi)容就是將圖像處理技術(shù)使用到定量金相剖析中來，而且使用VisualC++6.0編程來研究了金相構(gòu)成計(jì)算機(jī)剖析系統(tǒng)。這篇文章勾勒出了金相圖像分析系統(tǒng)的大致的結(jié)構(gòu)和使用方式、創(chuàng)新圖像預(yù)處理的算法等，并且說明這些結(jié)構(gòu)的最終用處是配合金相圖像的研究工作。

【關(guān)鍵詞】金相分析 圖像處理 圖像分割 金相參數(shù)檢測(cè)

1 緒論

在國外，金相圖像自動(dòng)分析系統(tǒng)的探索要比我們國家投入研究的早。早在1960年左右，就有很多生產(chǎn)商抓住商機(jī)將其投入到生產(chǎn)中。這類產(chǎn)品有很多，如英國劍橋儀器企業(yè)的T系列、美國Buahc&Lomb公司的QMs系列等等，這樣的比較有年代感的商品使用了光導(dǎo)管掃描裝置來獲得圖像，量化級(jí)別相對(duì)較低，就像QTM，只有64級(jí)灰度。

數(shù)字圖像處理在許多的領(lǐng)域都投入使用，而且也已經(jīng)在人民群眾的生活中得到普及，在國家的安全方面以及經(jīng)濟(jì)進(jìn)步方面、日常的生活中也越來越發(fā)揮不可替代的作用。以后的圖像處理技術(shù)也會(huì)在應(yīng)用以及研究中得到進(jìn)步。而且進(jìn)步的方向大致有四個(gè)領(lǐng)域。必將向著快速、高分辨率以及多媒體化、立體化、科技化和高性能化這樣的領(lǐng)域逐步前進(jìn)，實(shí)時(shí)圖像處理的思想以及探索也會(huì)不斷地得到完善。

2 計(jì)算機(jī)定量金相分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般情況下，計(jì)算機(jī)定量金相分析系統(tǒng)的主要工作就是使用圖像采集卡來對(duì)各種圖片進(jìn)行收集，所收集到的圖片大部分都是電子顯微鏡下看到的圖片，而且把它變換為數(shù)字圖像，然后在儲(chǔ)存到硬盤里；另外一種方式就是通過數(shù)碼照相機(jī)拍攝到的圖片，保存到電腦中，目的是為了接下來的研究以及剖析；與此同時(shí)還使得計(jì)算機(jī)能簡單的完成顯示以及處理任務(wù)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 軟件系統(tǒng)構(gòu)造

2.2.1 面向?qū)ο蟮某绦蜓芯糠桨?/p>

在一般的結(jié)構(gòu)化程序研究中就是將軟件劃分為各個(gè)部分的模塊來完成的，這樣能夠?qū)⒊绦蚩蚣茏兊酶拥那宄?，有利于研究以及?yōu)化，然而模塊之間不是所謂意義上的各個(gè)獨(dú)立。然而其內(nèi)部之間都是有非常錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。所以很明顯這樣以編碼為中心的比較基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)化程序構(gòu)建方式早就不符合要求。然而一定會(huì)使用面向?qū)ο蟮恼Z言來完成。其最重要的特點(diǎn)如下：

（l）對(duì)象的類描述；

（2）封裝性；

（3）多態(tài)性；

（4）繼承性。

2.2.2 本軟件構(gòu)造的根本思想

本軟件使用的是軟件工程模型的線性模型，即使這個(gè)軟件太過于簡單和不可實(shí)現(xiàn)性，早就無法適應(yīng)和滿足當(dāng)前軟件發(fā)展的需求了。然而，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)本軟件的時(shí)候，就充分考慮到了這個(gè)問題，并建立了線性模型，具體如圖2。

軟件的最本質(zhì)的性能以及由于對(duì)軟件優(yōu)化以及保護(hù)需求，本軟件系統(tǒng)大體設(shè)計(jì)思路如下所示：

（1）文件儲(chǔ)存；

（2）金相參數(shù)評(píng)估；

（3）圖像處理；

（4）圖像預(yù)處理；

（5）框架與結(jié)構(gòu)；

（6）幫助功能。

圖3是軟件結(jié)構(gòu)，圖4是界面設(shè)計(jì)。

2.2.3 編程環(huán)境

從整體上說，C語言并不是一個(gè)單純只面向?qū)ο蟮恼Z言，其中包含有大量的概念機(jī)制，能夠?qū)?duì)象概念進(jìn)行編程；Visua1C++這個(gè)平臺(tái)具有三個(gè)明顯的特點(diǎn)，分別是高度集成、交互和可視化編程，所以在選擇本軟件編程環(huán)境的時(shí)候，毫不猶豫地選擇了ViusalC++.60。該系統(tǒng)能夠讓用戶直接使用代碼，而不需要考慮具體的使用細(xì)節(jié)，這樣一來，使用者就可以將更多地精力放在圖像處理的算法方面，這樣程序的設(shè)計(jì)效率得到了大幅度提升。MFC庫具有非常多的功能，通過MFC庫寫出的程序，維護(hù)、移植、擴(kuò)充等都非常簡單。

2.2.4 具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用到的設(shè)計(jì)主要包括：

（1）應(yīng)用類；

（2）主框架類；

（3）子框架類；

（4）視圖類；

（5）文檔類；

（6）處理圖像類；

（7）金相組織類。

本軟件處理的對(duì)象主要集中在設(shè)備無關(guān)位圖（DIB）方面，但是在MFC庫中卻沒有專門針對(duì)該類型的類，并且在整個(gè)Win32SDKAPI中，涉及到的處理函數(shù)數(shù)量非常少，基本上無法滿足處理的具體要求。所以在本軟件的設(shè)計(jì)中，專門設(shè)計(jì)了CDib。但是在MFC庫中，已經(jīng)有了一個(gè)可以對(duì)設(shè)備相關(guān)位圖（DDB）進(jìn)行操作的ciBtm。原先計(jì)劃把該類當(dāng)成父類，通過父類派生輸出具體的CDib，但是如果從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來看，這種做法并沒有太大的用處。不僅如此，cobject類還有兩個(gè)不得不說的優(yōu)點(diǎn)，那就是最低限度的成員數(shù)據(jù)和函數(shù)，派生花費(fèi)得到了大大的降低。

3 金相圖像預(yù)處理技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算

圖形的畫面存儲(chǔ)形式具有非常明顯的特點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)可以很輕松地對(duì)其進(jìn)行區(qū)別：圖像不是矢量結(jié)構(gòu)，而是柵格結(jié)構(gòu)的。所謂柵結(jié)構(gòu)就是將圖像均勻地分成若干個(gè)柵格（像素），并對(duì)每一個(gè)柵格的光度值進(jìn)行了記錄；像素的坐標(biāo)通常會(huì)有規(guī)則地進(jìn)行隱藏，并呈規(guī)則排列，最常見的一種排列方式就是矩陣排列。由此圖像可用基于位置坐標(biāo)的三維函數(shù)來表示：

圖像的形式有兩種，即黑白和彩色。黑白圖像就是說在該圖像中，每一個(gè)點(diǎn)都不是彩色的，而是紅、綠、藍(lán)顏色平等地分布開來，即

對(duì)于黑白圖像來說，f（x，y）所代表的是（x，y）所在點(diǎn)的灰度值。

計(jì)算機(jī)只能夠?qū)σ恍╇x散的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以處理那些連續(xù)圖像函數(shù)的時(shí)候，就需要事先進(jìn)行掃描、采集、量化的采集工作，之后才能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使之成為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像的表現(xiàn)方式為：由采樣點(diǎn)的值所組成的矩陣。具體如下：

3.2 圖像的存儲(chǔ)格式

圖像在某種程度上可以被看成是簡單的數(shù)組，但是圖像在際存儲(chǔ)格式方面卻并不簡單，有著復(fù)雜多樣的格式，而且不同格式都有獨(dú)特的工作機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)。本系統(tǒng)的圖像格式為BMP格式，這是一種比較常用的一種格式。該格式也被稱為位圖（DIB），和設(shè)備沒有任何關(guān)系，有時(shí)候還會(huì)以BMP或者DBI為后綴。其結(jié)構(gòu)如圖5。

3.3 圖像處理及其功能和原理

數(shù)字圖像技術(shù)主要有兩種目的，第一個(gè)目的是讓人能更清晰地看到圖像，第二個(gè)目的就是讓圖像的內(nèi)容能夠更明確清楚地展現(xiàn)出來。第一種被稱為圖像處理，通常會(huì)經(jīng)過變換和增強(qiáng)濾波和信噪比來實(shí)現(xiàn)；有些圖像信息微弱，對(duì)于這種圖像來說，最好的辦法就是進(jìn)行灰度變換，提高對(duì)比度；對(duì)于那些非常模糊的圖像來說，如果想要實(shí)現(xiàn)圖像的恢復(fù)，那么就需要進(jìn)行相應(yīng)的幾何校正工作。通過這些處理的辦法，可以在很大程度上改善圖片的質(zhì)量，讓人更容易識(shí)別。第二種被稱為圖像分析或圖像識(shí)別。這種方式進(jìn)行的基礎(chǔ)是圖像處理，在一些數(shù)學(xué)理念的基礎(chǔ)上對(duì)圖像進(jìn)行區(qū)域分割、，并對(duì)其中的特征進(jìn)行提取，之后，通過定量的描述建立起參數(shù)關(guān)系，從而為進(jìn)一步分類和測(cè)量提供參考。

在金相圖像的分析中，出現(xiàn)了很多灰度差異的問題。造成這種問題的主要原因在于，金相試樣制備是殘留了過多的磨痕、拋光粉等異物。這種情況還會(huì)造成圖像分析的誤差，因此，就需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)和平滑銳化等預(yù)處理。

4 結(jié)論與展望

在計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，逐漸和材料學(xué)進(jìn)行了融合，并出現(xiàn)了金相組織計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)的出現(xiàn)時(shí)必然的，是充分結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理、定量金相等技術(shù)的綜合性系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的技術(shù)較多，所以在很多的時(shí)間內(nèi)并不能做到盡善盡美，其中還存在很多問題需要我們一起去研究：

（1）軟件問題：很多軟件的功能還需要進(jìn)一步地進(jìn)行加強(qiáng)并提升其功能，尤其是金相參數(shù)測(cè)量方面。

（2）在理論方面，要將重點(diǎn)放在圖像分割方面。金相圖像是個(gè)微觀顯示圖像，弱邊緣的問題非常明顯，所以，不能用通常情況下采用的邊緣檢測(cè)方式來進(jìn)行。

（3）在圖像分割技術(shù)的支持下，模式識(shí)別將會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)金相組織的自動(dòng)識(shí)別。綜上所述，隨著我國機(jī)械行業(yè)的不斷向前發(fā)展，對(duì)材料的性能要求也日益增強(qiáng)，在金相分析中也出現(xiàn)了很多圖像處理技術(shù)，共同推動(dòng)其不斷向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[l]李志敏，吳建軍等.計(jì)算機(jī)處理技術(shù)在晶粒度測(cè)量中的應(yīng)用[J].壓點(diǎn)與聲光，2002：168-170.

[2]周長發(fā).精通Visual++圖像編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[3]石銳.高仲英等.晶柱度評(píng)級(jí)中晶界的自動(dòng)修復(fù)[J].中國體視學(xué)與圖像分析，1997：82-84.

[4]汪守補(bǔ).金相分析基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[5]秦國友等.定量金相[M].四川科學(xué)技術(shù)出版社，1987.

作者簡介

劉靜（1982-），女，江蘇省泰興市人。2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財(cái)經(jīng)分院信息技術(shù)系教師、講師。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財(cái)經(jīng)分院信息技術(shù)系 江蘇省徐州市 221008