第四讲材料科学研究中的计算机图像分析与处理

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09:192020/4/282/27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09:192020/4/283/271.1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09:192020/4/284/27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。09:192020/4/285/27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。8225688822209:192020/4/286/27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。09:192020/4/287/27(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。09:192020/4/288/27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。………09:192020/4/289/27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。09:192020/4/2810/271.2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CCD图像采集系统（CCD摄像头、图像监视器、图像卡以及计算机硬件系统和图像采集处理软件系统组成）扫描仪图像采集系统（平板式扫描仪、主机插槽的接口卡以及计算机软硬件系统）09:192020/4/2811/271.3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。09:192020/4/2812/27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。09:192020/4/2813/27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。:192020/4/2814/27二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．09:192020/4/2815/27Photoshop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：09:192020/4/2816/272.1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照片例：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，图像中黑色孔洞可以代表聚苯乙烯粒子，其大小也可以表示粒子大小。黑色孔洞的平均灰度约为40，背景部分的平均灰度约为130,两种区域的灰度相差较大，因此可以容易地用阈值方式分离。09:192020/4/2817/27操作过程09:192020/4/2818/272.2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。09:192020/4/2819/27（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09:192020/4/2820/27（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。09:192020/4/2821/272.3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09:192020/4/2822/27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09:192020/4/2823/27（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）09:192020/4/2824/27（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09:192020/4/2825/27三基于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。09:192020/4/2826/273.1MATLAB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。09:192020/4/2827/