Автором была разработана компьютерная программа для обработки изображений и количественной оценки параметров микроструктуры «Система КОИ» [5]. Написание программы велось на языке с++ с применением программного пакета Borland C++Builder. Разработанная программа (рис. 1) служит для расчета объемной доли и среднего размера частиц структуры и позволяет производить расчет по нескольким сотням секущих (зависит от разрешения фотографии) в одном поле зрения [6].
Алгоритм работы программы заключается в следующем: в цифровом виде исследуемое изображение представляется в виде большого количества точек - пикселей, расположенных последовательно в виде горизонтальных цепочек. Непосредственно файл содержит коды цветов пикселей, а их координаты получаются автоматически. Программа извлекает коды цветов, сравнивает с заданными пользователем значениями и, в зависимости от результата, добавляет к банку данных белой либо черной фазы. Так собирается информация о количестве черной и белой фазы, процент серой фазы вычисляется как остаток.
Одной из возможностей, реализованных в разработанной программе, является построение с её помощью гистограммы по длине частиц для различных исследуемых фаз. Это позволяет провести более полные исследования распределения включений в исследуемых образцах по форме и размерам в зависимости от скоростей охлаждения. Для построения гистограммы по искомой фазе программа сканирует изображение в горизонтальном направлении в выделенной пользователем области, производя линейный поиск цепочек пикселей, попадающих в интервал цветов, заданный настройками уровня яркости фазы. Найдя такие участки, измеряется их длина в пикселях. Сканирование изображения ведется в большое число раз (порядка нескольких сотен). После первичной обработки изображения программой производится математический расчет полученных данных. Находится максимальное значение, и весь интервал размеров частиц делится на десять равных отрезков. Далее вычисляется количество линейных участков, попавших в каждый из размерных диапазонов. По полученным данным строится гистограмма, расчет данных для нее производится по методике, изложенной в работе [7]. Гистограмма белой или черной фазы получается путем линейного поиска одноцветных цепочек пикселей, с вычислением их длины и последующей сортировкой по размерам. Общее количество точек для белой и черной фазы (порядка нескольких десятков тысяч точек) сортируется и суммируется [3].
Рис. 1. Интерфейс программы «Система КОИ».
Расчет необходимых параметров микроструктуры производится с использованием полученных статистических данных с фотографии по следующим формулам.
- Реконструированное число частиц пространственной структуры [6]
(1)
где ni - видимое число однотонных рядов пикселей; i - размерная группа.
- Средний размер частиц [1]
(2)
где ni - число частиц в i-м размерном интервале; li - средний размер частиц в i-й размерной группе.
- Среднеквадратичное отклонение среднего диаметра [1]
(3)
где Ni - число частиц в i-м размерном интервале; Дср - средний диаметр частиц; Дi - диаметр частиц в i-й размерной группе.
- Коэффициент вариации (разнозернистости структуры) [4]
(4)
где Дср - средний диаметр частиц; σД - среднеквадратичное отклонение среднего диаметра.
Для оценки параметров формы включений по фотографии микроструктуры материалов был создан дополнительный модуль к описанной выше программе. Он позволяет оценивать среднее отклонение формы частиц от сферической. Эта задача особенно важна при оценке механических свойств материалов, когда от формы низкопрочных включений зависит прочность изделия в целом.
Оценка параметров формы включений свинца проводилась по коэффициенту сферичности [7]. Так как включения в подавляющем большинстве представляют собой подобие простейших геометрических фигур (эллипс, трапеция, прямоугольник) с рваными краями, для определения коэффициент сферичности пользовались центром тяжести фигуры. Из центра тяжести проводили две окружности: вписанную максимального диаметра и описанную минимального диаметра, их отношение и давало искомый коэффициент. Этот коэффициент не дает полного представления о морфологии свинцовых включений и неровности границ, но вместе с тем уже позволяет говорить об их округлости или степени вытянутости. Проведение такого анализа значительно проще и быстрее фрактального анализа.
Для сокращения времени на подобные расчеты была разработана компьютерная программа. В её основу были положены математические выкладки по определению центра масс фигур неправильной формы из [1]. Как уже отмечалось ранее, в цифровом виде изображение состоит из точек - пикселей. Абстрагируясь от реальности, можно представить каждый пиксель за квадрат, причем размеры этого квадрата мы можем вычислить, зная физический размер фотографии и её разрешение (либо коэффициент преобразования в пикселях на миллиметр). Вся фигура включения будет состоять из небольших квадратов с одинаковой площадью. Тогда центр масс фигуры вычисляется по следующим формулам:
, (5)
где 
- координата центра масс по оси x;
- координата центра масс по оси y; 
- площадь квадрата (пикселя) 1, 2, ..., n; 
- координата квадрата (пикселя) 1, 2, ..., n по оси x и y соответственно.
Максимальный диаметр вписанной и минимальный диаметр описанной окружностей определялся по самому дальнему пикселю от центра тяжести, входящему в фигуру, и самому ближнему, не входящему.
Оценка достоверности работы проводилась на эталонных фигурах, полученных из работы [1]. Оценка подтвердила высокую точность работы программы. Было определено, что погрешность измерений зависит от разрешения фотографии и размеров исследуемого объекта. Чем на большее количество квадратов разбивается считаемая фигура, тем точнее результаты. Для используемого оборудования ZEISS AXIO Observer.A1m и фотокамеры ZEISS AXIO CAM с разрешением 7 Мpx погрешность определения коэффициента сферичности на реальных фотографиях микроструктуры свинцовистых бронз, снятых при увеличении в 200 раз, составила ~1,3%. Чтобы не снижать достигнутую точность расчетов, использовалось такое увеличение, при котором исследуемое включение занимает не менее 0,5% площади всей фотографии. Выделение свинцовых включений при подготовке фотографии к расчетам на программе производилось с использованием программного продукта PhotoShop CS3.
Рецензенты
- Колубаев Александр Викторович, д.ф.-м.н., профессор, зав. лаб. физики упрочнения поверхности ИФПМ СО РАН, ИФПМ СО РА, г. Томск.
- Сизова Ольга Владимировна, д.т.н, профессор, в.н.с. ИФПМ СО РАН, г. Томск.
Библиографическая ссылка
Мартюшев Н.В. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6745 (дата обращения: 08.12.2024).