PODSTAWY METALOGRAFII ILOŚCIOWEJ I KOMPUTEROWEJ ANALIZY OBRAZU

Transkrypt

1 1 PODSTAWY METALOGRAFII ILOŚCIOWEJ I KOMPUTEROWEJ ANALIZY OBRAZU

2 2 Metalografia - nauka o wewnętrznej budowie materiałów metalicznych (metale i ich stopy), oparta głównie na badaniach mikroskopowych.

3 3 ZASADY POWSTAWANIA I ARCHIWIZACJA OBRAZÓW MIKROSTRUKTURY

4 4 OBSERWACJE MIKROSKOPOWE PREPARATÓW NIEPRZEŹROCZYSTYCH MIKROSKOP PREPARATYKA Wgłębienie na powierzchni Wypolerowana i wytrawiona powierzchnia - wycięcie próbki - inkludowanie - szlifowanie - polerowanie - trawienie Granica ziarna Obserwacja w świetle odbitym

5 5 OBSERWACJE MIKROSKOPOWE PREPARATÓW NIEPRZEŹROCZYSTYCH MIKROSKOP Wypolerowana i wytrawiona powierzchnia Obserwacja w świetle odbitym

6 6 ZASADA POWSTAWANIA OBRAZU W MIKROSKOPIE METALOGRAFICZNYM Obiekt Soczewka Ogniskowa Płaszczyzna obrazu Zasada działania soczewki

7 7 ZASADA POWSTAWANIA OBRAZU W MIKROSKOPIE METALOGRAFICZNYM Obserwacja przedmiotu A B: a) gołym okiem, b) za pomocą lupy, c) za pomocą mikroskopu F - ogniska, f - odległości ogniskowe, A - odległość między ogniskami obiektywu i okularu (długość optyczna tubusu) [ 1 ]

8 8 BUDOWA MIKROSKOPU METALOGRAFICZNEGO [ 1 ] Schemat optyczny mikroskopu metalograficznego: L - źródło światła, K - kondensor, PA - przesłona aperturowa, S1 i S2 - pomocnicze soczewki oświetlacza, P - przesłona pola widzenia, PP - płytka płasko równoległa, Ob - obiektyw, Ok - okular, Pr - pryzmat, Z - badana próbka

9 9 PODSTAWOWE PARAMETRY MIKROSKOPU POWIĘKSZENIE CAŁKOWITE P = P 1 P 2 P 1 - powiększenie obiektywu, P 2 - powiększenie okularu ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA [ 1 ] gdzie: n - współczynnik załamania światła (szkła optycznego), δ - kąt zmiany kierunku promienia (= ß/2, rys >), λ - długość fali świetlnej, Kąt rozwarcia obiektywu β APERTURA OBIEKTYWU

10 10 RODZAJE MIKROSKOPÓW METALOGRAFICZNYCH I METOD OBSERWACJI Mikroskop w układzie prostym Mikroskop odwrócony PODSTAWOWE METODY OBSERWACJI: w jasnym i ciemnym polu widzenia, w świetle ukośnym, w świetle spolaryzowanym, z zastosowaniem kontrastu fazowego (DIC)

11 11 ARCHIWIZACJA OBRAZU MIKROSTRUKTURY METODY ANALOGOWE BŁONA FOTOGRAFICZNA METODY CYFROWE APARATY I KAMERY CYFROWE

12 12 PODSTAWOWE PARAMETRY STEREOLOGICZNE MIKROSTRUKTURY METALI I ICH STOPÓW Stereologia - nauka zajmująca się opisem trójwymiarowej struktury obiektów na podstawie ich dwuwymiarowego obrazu

13 13 PODSTAWOWE PARAMETRY STEREOLOGICZNE MIKROSTRUKTURY METALI I ICH STOPÓW Parametry stereologiczne dwufazowych stopów tytanu ROZMIAR ZIARN KSZTAŁT ZIARN OBJĘTOŚĆ WZGLĘDNA FAZ

14 14 KORELACJA ROZMIARU ZIARNA I GRANICY PLASTYCZNOŚCI MATERIAŁÓW POLIKRYSTALICZNYCH R ed = σ 0 + k d -1/2 Równanie HALLA-PETCH A R ed dolna granica plastyczności; σ 0 naprężenie tarcia sieci; k stała, d - średnia średnica ziarn.

15 15 METALOGRAFIA ILOŚCIOWA

16 16 WYBÓR PŁASZCZYZNY OBSERWACJI [ 2 ]

17 17 DOBÓR POLA WIDZENIA [ 2 ]

18 18 KLASYFIKACJA STEREOLOGICZNYCH PARAMETRÓW MIKROSTRUKTURY STOPÓW [ 2 ]

19 19 KLASYFIKACJA STEREOLOGICZNYCH PARAMETRÓW MIKROSTRUKTURY STOPÓW [ 2 ] Schemat bryły wypukłej Γ przeciętej płaszczyzną E i sieczną G

20 20 WPŁYW RODZAJU SZLIFU (ZGŁADU) I JEGO UMIEJSCOWIENIA NA REZULTAT ILOŚCIOWEJ ANALIZY MIKROSKOPOWEJ [ 2 ]

21 21 WPŁYW RODZAJU SZLIFU (ZGŁADU) I JEGO UMIEJSCOWIENIA NA REZULTAT ILOŚCIOWEJ ANALIZY MIKROSKOPOWEJ [ 2 ]

22 22 STRUKTURA TRÓJWYMIAROWA Przecięcie płaszczyznami równoległymi [ 2 ]

23 23 STRUKTURA TRÓJWYMIAROWA Przecięcie liniami (siecznymi) równoległymi [ 2 ]

24 24 STRUKTURA TRÓJWYMIAROWA Skanowanie płaszczyzną [ 2 ]

25 25 STRUKTURA DWUWYMIAROWA Przecięcie prostymi równoległymi [ 2 ]

26 26 STRUKTURA DWUWYMIAROWA Skanowanie prostą [ 2 ]

27 27 STRUKTURA DWUWYMIAROWA Rzucanie punktów [ 2 ]

28 28 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Zasada Cavalieriego [ 2 ]

29 29 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Zasada Cavalieriego-Hacquerta [ 2 ]

30 30 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda planimetryczna [ 2 ]

31 31 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda planimetryczna [ 2 ]

32 32 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda liniowa [ 2 ]

33 33 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda liniowa [ 2 ]

34 34 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda punktowa [ 2 ]

35 35 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda porównawcza [ 2 ]

36 36 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda porównawcza [ 2 ]

37 37 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda Jeffries a [ 2 ]

38 38 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda punktów węzłowych [ 2 ]

39 39 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda planimetryczna [ 2 ]

40 40 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Obraz na górze zawiera pewne informacje zupełnie niewidoczne dla oczu ludzkich, które można ujawnić stosując bardzo proste przekształcenie (obraz na dole) [ 3 ]

41 41 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU KOREKCJA OBRAZU OCENA RZECZYWISTYCH I NIERZECZYWISTYCH (tzw. ARTEFAKTÓW) ELEMENTÓW MIKROSTRUKTURY [4 ]

42 42 Profil liniowy Skala szarości Położenie na prostej Obraz wyjściowy KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Korekcja obrazu Tablice korekcji LUT (Look Up Table) Obraz wyjściowy ze zwiększoną jasnością Obraz wyjściowy po zastosowaniu gamma-modulacji Regulacja jasności i kontrastu [ 3 ]

43 43 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Korekcja obrazu Gamma-modulacja (fot. po prawej) umożliwia obserwację detali zlokalizowanych w ciemniejszych obszarach wyjściowego obrazu powierzchni przełomu (po lewej) Obraz uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) [ 3 ]

44 44 Obraz wyjściowy [ 3 ] Obraz wyjściowy po zastosowania wyrównania histogramu KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Korekcja obrazu Tablice korekcji LUT (Look Up Table) Obraz wyjściowy po zastosowaniu gamma-modulacji Efekt zastosowania wyrównania histogramu i gammamodulacji

45 45 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Korekcja obrazu - FILTRY Sygnał wyjściowy Sygnał filtrowany Sygnał Czas lub dystans Zasada działania filtru [ 3 ]

46 46 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Binaryzacja Przykład binaryzacji obrazu mikrostruktury żeliwa (zgład nietrawiony) [ 3 ]

47 47 [ 3 ] KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Binaryzacja Binaryzacja jest to przekształcenie, którego działanie sprowadza się do zamiany obrazów wieloodcieniowych na obrazy czarno białe (binarne). Górny i dolny próg binaryzacji Przykładowa mikrostruktura i odpowiednie dla niej ustawienia progów binaryzacji

48 48 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Binaryzacja [ 3 ] Częstość Skala szarości Funkcja rozkładu skali szarości obrazu i automatyczny próg binaryzacji

49 49 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Matematyczna morfologia Obiekt przed erozją Obiekt po erozji [ 3 ] Schemat działania erozji PRZECIWNE DZIAŁANIE NIŻ EROZJA POWODUJE OPERACJA ZWANA DYLATACJĄ

50 50 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Matematyczna morfologia EROZJA => DYLATACJA >>>> OTWARCIE DYLATACJA => EROZJA >>>> ZAMKNIĘCIE [ 3 ] Przykład transformacji opartych na operacji erozji i dylatacji. Obraz: wyjściowy (a), po erozji (b), po otwarciu (c), obraz wyjściowy po dylatacji (d), po zamknięciu (f), po zamknięciu a następnie otwarciu (f)

51 51 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Szkieletyzacja (SKIZ) Przykładowe figury (a) i ich cyfrowe szkielety (b) [ 3 ]

52 52 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Detekcja obiektów [ 3 ] Detekcja granic ziarn w stopie modelowym o dużej zawartości wtrąceń. Obraz wyjściowy (a), wtrącenia (b), obraz binarny (c), szkieletyzacja obrazu c (d), erozja (e) i końcowa detekcja (f)

53 53 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Analiza [ 3 ] Schemat zależności pomiędzy analizą obrazu (image analysis), przetwarzaniem obrazu (image processing) i jego zrozumieniem (image understanding)

54 54 [ 3 ] KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Analiza POMIAR POJEDYNCZYCH OBIEKTÓW Podstawowe parametry obiektów: rzeczywisty widok obiektu (a), powierzchnia (b), obwód (c), średnice Fereta (d,e), maksymalna szerokość (f) i długość (g), położenie środka ciężkości (h) i punktu początkowego (i), opisanie wypukłe (j), opisanie prostokątne (k) oraz ilość otworów (l)

55 55 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Analiza - ROZDZIELCZOŚĆ POMIARU [ 3 ] Rzeczywista powierzchnia obiektu (czarna linia) wraz z odpowiadającą jej powierzchnią wyrażoną w pikselach

56 56 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Analiza - KSZTAŁT OBIEKTÓW [ 3 ] Współczynnik wydłużenia a f 1 = b Pole powierzchni Najczęściej stosowany współczynnik kształtu Obwód f 2 = L 2 4ΠA Inny sposób obliczania współczynnika kształtu f 3 = d 2 d 1 Podstawowe parametry służące do opisu kształtu obiektu

57 57 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Interpretacja wyników [ 4 ]

58 58 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Przykłady zastosowania [ 4 ]

59 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Przykłady zastosowania [4] Politechnika Rzeszowska - Materiały inżynierskie - I DUT / dr inż. Maciej Motyka Detekcja obszarów liniowo zorientowanych (przedstawiony przypadek: kolonie płytek fazy α w stopach tytanu) 59

60 60 Literatura źródłowa: 1. Dobrzański L. A.: Mikroskopia świetlna i elektronowa. WNT, Warszawa Ryś J.: Stereologia materiałów. Fotobit Design, Kraków Wojnar L.: Image Analysis Applications in Materials Science Engineering. CRC Press, New York Szala J.: Zastosowanie metod komputerowej analizy obrazu do ilościowej oceny struktury materiałów. Wyd. Pol. Śl., Gliwice 2001 Literatura uzupełniająca: Wojnar L., Majorek M.: Komputerowa analiza obrazu, Fotobit Design, Kraków, 1994 Wojnar L., Kurzydłowski K. J., Szala J.: Praktyka analizy obrazu. PTS, Kraków 2002