第二章 材料科学研究中的数据与图像处理 §2 材料科学研究中.

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。
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2.1.1 图像与图像处理
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。
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（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）
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（3）选中目标粒子
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（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。
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（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 。
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形状因素 ——颗粒各种测得大小的无量纲组合
其它 表示方法
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Why？
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（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。 常用的大小范围取法有等间隔的算术级数划分法和等比 的几何级数划分法等。
（4）频率密度分布图
——频率密度 d dx对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线
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（四）平均直径
如图8-44所示， “频率密度最大值”是频率密度最大所对应 的颗粒大小；“中线值”是在累计百分率频率曲线上50％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 等分；“平均值”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：
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。
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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。
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聚苯乙烯/顺丁橡胶共混物的 SEM照片
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操作过程
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（4）去除背景 完成“二值化”
方法：同前 （反选，清除背景，设阈值）
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2.3 粒径分析
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 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）
主要内容：
2.3.1 粒径大小测定原理 2.3.2 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
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2.3.1 粒径大小测定原理
（一）颗粒大小的表征
➢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。 ➢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。 ➢周长直径dC——与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。 ➢Feret直径dF——与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离。 ➢Martin直径dM——颗粒投影外形面积等分线。 ➢展开直径dH——通过颗粒重心的弦长。
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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（原物系）可被另一个与该物系有且仅有两个 相同特征的均匀物系（代表物系）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8-45）
原物系 代表物系
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2.3.3 粒径数据作图与分析
（一）作图
用Origin等软件作图，如：粒径分布图、矩形图等。
（二）统计分析
直方图对话框中有两种拟 合方式： ➢NormalCurve（正态分布） ➢Gaussion Fit（高斯分布）
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颗粒的分散程度：就用平均直径的标准方差σ表示
颗粒的相对分散程度：可以用平均直径的离差系数δ表示
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2.3.2 粒径分析中的图像处理方法及算法
跟踪算法进行微粒面积求取的基本思路：
1）首先选择满足条件（常为某灰度值）的像素作为起始像素。 2）根据已得输出结果，在输入图像上搜索确定下一步应处理的像素，并进 行规定处理（计数）。 3）根据已得输出结果及输入图像，确定终止条件。 4）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 。
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2.2 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．
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2.2.1 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。
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
➢ 百分率频率:
➢ 累计百分率频率：
➢ 频率密度
中的概率密度。
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：指每一甲位长度的百外率 领率．相当于概率论
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（2）矩形图
——频率数dN对颗粒大小x作矩形图（直方图）
（3）累计百分率频率分布图
——累计百分率频率 对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线
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（1）选择目标区域：鼠标左键双
操 击“魔棒”按钮，弹出魔棒选项 对话框，通过设置容差可确定选
作 择区域的大小。 过 用鼠标左键点击“魔棒”按钮， 程 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。
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统计直径：
——用平均概 率统计直径表 示。
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（二）颗粒形状的表征
常用参数
形状系数 形状因素Hale Waihona Puke Baidu
（1）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。
式中：dS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）； aS,a，aV,a分别为面积和体积的形状系数， 下标a表示是对应于da的。
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2.1.2 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 ）
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Photoshop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。
几种图像二值化的方法：
通过阈值的设置进行图像二值化 通过Magic Wand（魔棒）工具进行图像二值化 通过Polygonal Lasso（多边形套索）工具进行图像二值化
第二章
§2
材料科学研究中的
计算机图像分析与处理
2.1 概述 2.2 二值化处理 2.3 粒径分析
2.1 概述
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。
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2.2.2 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。
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操作过程
（1）选择目标粒子
用鼠标左键点击工具栏中的“Lasso（套索）”工具，这栏有 Lasso、Polygon Lasso （多边形套索）和Magnetic Lasso （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。
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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。
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21:（354）202设1/定4/1阈4 值，得到二值化图像。12/27
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2.2.3 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
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具体表示方法有： 列表法、矩形图、累计百分率频率分布图等。
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（1）列表法
几个重要概念:
➢ 颗粒大小x：指测得的颗粒的当量直径； ➢ 频率数dφ：指在策大小范围内颗粒的某特征（包括个数、长 度、 面积和体积等）出现的总数；
➢ 累计频率数φ：指小于某颗粒大小的特征总数，