ANALIZA FRAKTALNA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ POWIERZCHNI



Podobne dokumenty
BIBLIOTEKA PROGRAMU R - BIOPS. Narzędzia Informatyczne w Badaniach Naukowych Katarzyna Bernat

Przetwarzanie obrazów wykład 7. Adam Wojciechowski

Zygmunt Wróbel i Robert Koprowski. Praktyka przetwarzania obrazów w programie Matlab

Przetwarzanie obrazów wykład 4

samopodobnym nieskończenie subtelny

FRAKTALE I SAMOPODOBIEŃSTWO

Diagnostyka obrazowa

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 10 AiR III

Spośród licznych filtrów nieliniowych najlepszymi właściwościami odznacza się filtr medianowy prosty i skuteczny.

Analiza obrazów - sprawozdanie nr 2

(metale i ich stopy), oparta głównie na badaniach mikroskopowych.

PODSTAWY METALOGRAFII ILOŚCIOWEJ I KOMPUTEROWEJ ANALIZY OBRAZU

Filtracja obrazu operacje kontekstowe

9. OBRAZY i FILTRY BINARNE 9.1 Erozja, dylatacja, zamykanie, otwieranie

Filtracja obrazu operacje kontekstowe

Metody komputerowego przekształcania obrazów

Przetwarzanie obrazów wykład 2

WYZNACZANIE CECH PUNKTOWYCH SYGNAŁÓW POMIAROWYCH

Diagnostyka obrazowa

Operacje morfologiczne w przetwarzaniu obrazu

Analiza obrazów - sprawozdanie nr 3

DO POMIARU I ANALIZY STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ

METODYKA OCENY TOPOGRAFII FOLII ŚCIERNYCH ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM ROZMIESZCZENIA ZIAREN ŚCIERNYCH

Cyfrowe przetwarzanie obrazów. Dr inż. Michał Kruk

Przetwarzanie obrazu

Graficzne opracowanie wyników pomiarów 1

FRAKTALE. nie tworzą się z przypadku. Są tworzone naturalnie przez otaczającą nas przyrodę, bądź za pomocą

Przekształcenia punktowe

Przetwarzanie obrazów rastrowych macierzą konwolucji

Metrologia II Metrology II

Reprezentacja i analiza obszarów

Kodowanie transformacyjne. Plan 1. Zasada 2. Rodzaje transformacji 3. Standard JPEG

Zamiana reprezentacji wektorowej na rastrową - rasteryzacja

Politechnika Świętokrzyska. Laboratorium. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Ćwiczenie 8. Filtracja uśredniająca i statystyczna.

Implementacja filtru Canny ego

Algorytmy decyzyjne będące alternatywą dla sieci neuronowych

ZASTOSOWANIE KOMPUTEROWEJ ANALIZY 3D DO OCENY PARAMETRÓW POWIERZCHNI PO OBRÓBCE HYBRYDOWEJ

ALGORYTMY PRZETWARZANIA OBRAZÓW Projekt. Aplikacja przetwarzająca obrazy z możliwością eksportu i importu do programu MS Excel.

SCENARIUSZ LEKCJI. Streszczenie. Czas realizacji. Podstawa programowa

Fraktale deterministyczne i stochastyczne. Katarzyna Weron Katedra Fizyki Teoretycznej

Analiza obrazu. wykład 3. Marek Jan Kasprowicz Uniwersytet Rolniczy 2009

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY TRZECIEJ NA ROK SZKOLNY 2011/2012 DO PROGRAMU MATEMATYKA Z PLUSEM

Metody wyszukiwania włókien Omówione zostaną dwie wybrane metody wyszukiwania na obrazie rozmieszczonych losowo kształtów okrągłych.

Wymagania edukacyjne z matematyki w klasie III gimnazjum

Metrologia II. Mechanika i Budowa Maszyn I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

6. Algorytmy ochrony przed zagłodzeniem dla systemów Linux i Windows NT.

Analiza obrazu. wykład 4. Marek Jan Kasprowicz Uniwersytet Rolniczy 2009

ZAAWANSOWANE TECHNIKI WYTWARZANIA W MECHATRONICE

2) R stosuje w obliczeniach wzór na logarytm potęgi oraz wzór na zamianę podstawy logarytmu.

Spis treści. Morfologia matematyczna. 1 Morfologia matematyczna 1.1 Dylacja 1.2 Erozja 1.3 Otwarcie i zamknięcie 1.

Metrologia II Metrology II. Transport I stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Proste metody przetwarzania obrazu

Teraz bajty. Informatyka dla szkół ponadpodstawowych. Zakres rozszerzony. Część 1.

PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

AUTOMATYCZNA AKTUALIZACJA BAZY DANYCH O BUDYNKACH W OPARCIU O WYSOKOROZDZIELCZĄ ORTOFOTOMAPĘ SATELITARNĄ

Grafika Komputerowa Wykład 2. Przetwarzanie obrazów. mgr inż. Michał Chwesiuk 1/38

START. Wprowadź (v, t) S:=v*t. Wyprowadź (S) KONIEC

Analiza obrazu. wykład 1. Marek Jan Kasprowicz Uniwersytet Rolniczy Marek Jan Kasprowicz Analiza obrazu komputerowego 2009 r.

INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ BADANIE PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH

Metrologia powierzchni znaczenie, użyteczność i ograniczenia

PLAN WYNIKOWY DLA KLASY DRUGIEJ POZIOM PODSTAWOWY I ROZSZERZONY. I. Proste na płaszczyźnie (15 godz.)

Ćwiczenia z grafiki komputerowej 5 FILTRY. Miłosz Michalski. Institute of Physics Nicolaus Copernicus University. Październik 2015

ROZKŁAD MATERIAŁU DO II KLASY LICEUM (ZAKRES ROZSZERZONY) A WYMAGANIA PODSTAWY PROGRAMOWEJ.

Obraz jako funkcja Przekształcenia geometryczne

POB Odpowiedzi na pytania

Proces technologiczny. 1. Zastosowanie cech technologicznych w systemach CAPP

Temat: WYZNACZANIE OBROTOWO-SYMETRYCZNEJ BRYŁY FOTOMETRYCZNEJ

Przetwarzanie obrazu

WYKŁAD 3. Przykłady zmian w obrazie po zastosowaniu Uniwersalnego Operatora Punktowego

Sposoby opisu i modelowania zakłóceń kanałowych

Parametryzacja obrazu na potrzeby algorytmów decyzyjnych

Metrologia II Metrology II. Automatyka i Robotyka I stopień (I stopień / II stopień) akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Metrologia II Metrology II. TRANSPORT I stopień (I stopień / II stopień) akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Ćwiczenie 6. Transformacje skali szarości obrazów

MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ ZIAREN AKTYWNYCH I SIŁ W PROCESIE SZLIFOWANIA

Zbiór Cantora. Diabelskie schody.

-> Średnia arytmetyczna (5) (4) ->Kwartyl dolny, mediana, kwartyl górny, moda - analogicznie jak

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera

PROPOZYCJA ZASTOSOWANIA WYMIARU PUDEŁKOWEGO DO OCENY ODKSZTAŁCEŃ PRZEBIEGÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH

Fraktale. i Rachunek Prawdopodobieństwa

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego

KARTA PRZEDMIOTU. W5/1;W16/1 W5 Zna podstawowe metody przetwarzania wstępnego EP WM K_W9/3; obrazów barwnych.

MATEMATYKA. WYMAGANIA EDUKACYJNE KLASA I, II, III Bożena Tarnowiecka, Arkadiusz Wolski. KLASA I Wymagania

Mikroskop teoria Abbego

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

SINGLE-IMAGE HIGH-RESOLUTION SATELLITE DATA FOR 3D INFORMATIONEXTRACTION

dr inż. Piotr Odya dr inż. Piotr Suchomski

USTALANIE WARTOŚCI NOMINALNYCH W POMIARACH TOROMIERZAMI ELEKTRONICZNYMI

Wykład 5: Statystyki opisowe (część 2)

Wymagania edukacyjne z matematyki Klasa III zakres podstawowy

0. OpenGL ma układ współrzędnych taki, że oś y jest skierowana (względem monitora) a) w dół b) w górę c) w lewo d) w prawo e) w kierunku do

1.1. Rachunek zdań: alternatywa, koniunkcja, implikacja i równoważność zdań oraz ich zaprzeczenia.

Temat ćwiczenia. Pomiary płaskości i prostoliniowości powierzchni

Filtracja nieliniowa obrazu

Reprezentacja i analiza obszarów

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

5 mm RÓŻNORODNOŚĆ FORM ELEMENTARNYCH FRAGMENTÓW USUNIĘTEGO MATERIAŁU ZAAWANSOWANE METODY BADAŃ MATERIAŁÓW 00:00:00 --:

Analiza metod prognozowania kursów akcji

INFORMATYKA SYSTEMÓW AUTONOMICZNYCH

Z-ID-604 Metrologia. Podstawowy Obowiązkowy Polski Semestr VI

Transkrypt:

ANALIZA FRAKTALNA STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ POWIERZCHNI Józef GAWLIK, Wojciech MAGDZIARCZYK, Leszek WOJNAR Streszczenie: Warstwa wierzchnia ogrywa zasadniczą rolę w procesie eksploatacji maszyn i urządzeń technologicznych. Struktura geometryczna powierzchni jest kształtowana w procesie wytwarzania elementów, rozumianym jako ciąg określonych operacji technologicznych. Charakterystyka warstwy wierzchniej jest określana poprzez parametry geometryczne i fizykalne. Do parametrów geometrycznych jest zaliczany między innymi wymiar fraktalny. W referacie omówiono pojęcie wymiaru fraktalnego. Przedstawiono przykład analizy izotropowej struktury geometrycznej powierzchni (SGP) ukształtowanej w procesie obróbki elektroerozyjnej. Wyznaczono wymiar fraktalny dla badanych powierzchni. Poddano dyskusji uzyskane wyniki. Słowa kluczowe: struktura geometryczna powierzchni, wymiar fraktalny, metody wyznaczania, program Apheliom. 1. Wprowadzenie Ocena cech stereometrycznych powierzchni elementów maszyn i urządzeń technologicznych jest przydatna do wnioskowania o stanie tej powierzchni, jak i do prognozowania właściwości eksploatacyjnych wyrobów. Stosowane powszechnie parametry geometryczne jak wysokość nierówności R t czy średnie odchylenie od linii średniej profilu R a, nie odzwierciedlają stopnia złoŝoności struktury geometrycznej powierzchni (SGP), ani teŝ pozwalają wnioskować o jej cechach uŝytkowych. Dlatego teŝ wprowadza się szereg dodatkowych parametrów [1] oraz metod pomiaru [2,3]. Jedną z moŝliwości określenia pewnych cech SGP jest wykorzystanie techniki komputerowej analizy obrazu [5,6,7] oraz wielkości jaką jest wymiar fraktalny [4,8]. Termin fraktal zaczerpnięty z języka łacińskiego, wywodzi się ze słowa fractus złamany, cząstkowy. Oznacza to obiekt, którego części są podobne do całości (obiekt samopodobny). Matematycy określają fraktale, jako zbiór, który posiada nie trywialną strukturę w kaŝdej skali. Zbiór ten jest samopodobny, co utrudnia opisanie go w języku tradycyjnej geometrii euklidesowej, jeśli nie w sensie dokładnym to w stochastycznym lub przybliŝonym. Przykłady fraktali dwuwymiarowych przedstawiono na Rys.1. a. b. Rys. 1. Przykłady fraktali dwuwymiarowych: a) Krzywe Kocha, b) krzywe Gospera [4] 382

Najbardziej rozpowszechnionym opisem profilu lub powierzchni jest funkcja Weierstrassa Mandelbrota wyrażająca się następującym wzorem: (1) przy czym: - losowa faza, γ - współczynnik skali. Niestety nie udało się rozszerzyć tej zależności do trzech wymiarów. Druga metoda polega na wykorzystaniu widmowej gęstości mocy, a trzecia bazuje na funkcji strukturalnej, polegając na sukcesywnym jej dodawaniu. Należy podkreślić, że struktura geometryczna powierzchni powinna być rozważana w układzie 3D. Pojawia się pytanie, czy opis za pomocą fraktali można użyć do każdej powierzchni?. W celu opisania przełomów lub innych powierzchni swobodnych korzysta się z metod fraktalnych, które pozwalają w wielu przypadkach na rozróżnienie przełomów o różnej morfologii, ale muszą posiadać tę samą wartość parametru R L (Rys. 2). Wynika to z faktu, iż procesy pękania w skali mikroskopowej posiadają przypadkowy charakter, co jest szczególnie użyteczne do zastosowania analizy fraktalnej [5]. W literaturze są również wzmianki dotyczące zastosowania opisu fraktalnego powierzchni po elektrodrążeniu, szlifowaniu, a także po procesie eksploatacji w wyniku zużycia. W swej strukturze zawierają one parametry fraktalne, które mogą odzwierciedlać specyficzne cechy tych powierzchni. Rys. 2. Profile modelowe o jednakowych współczynnikach R L [4] Wg autorów [2, 5] fraktale można podzielić na dwie grupy: fraktale o charakterze niestochastycznym (nieprzypadkowe), fraktale o cechach stochastycznych (przypadkowe). 383

Fraktale niestochastyczne należą do obiektów matematycznych, powstałych na drodze kolejnych iteracji. Przykładem tego typu fraktali jest trójkąt Sierpińskiego (Rys. 3). Rys 3. Sposób konstruowania fraktali niestochastycznych (trójkąt Sierpińskiego) [5] W drugim przypadku, obiekty stochastyczne, które nie są fraktalami występują często w przyrodzie. Posiadają one pewne właściwości, (np. gęstość), które maleją liniowo w szerokim zakresie, wraz z powiększaniem się (przedstawiamy je na podwójnie logarytmicznym wykresie). Cechą fraktali jest również samopodobieństwo. Jeśli spojrzy się na część obiektu, który należy do fraktali, przypomina on jego całość. Oznacza to, że po uśrednieniu wielu powiększonych fragmentów, z tego samego obiektu będzie można zauważyć podobieństwo do całości. Przypadek występowania tego typu fraktali przypadkowych ma miejsce jedynie w określonych zakresach skali. Dlatego trudno jest w takich przypadkach podać ścisły algorytm ich tworzenia. W tym celu wykorzystuje się wymiar fraktalny. Podstawową techniką wyznaczenia wymiaru jest zbudowanie na wykresie podwójnie logarytmicznym zależności długości linii profilu od powiększenia (rozdzielczości), lub wielkości kroku pomiarowego. Przedstawia on równanie (2) linii prostej o ujemnym współczynniku kierunkowym c. przy czym: L(x) długość profilu zależna od wielkości kroku pomiarowego x, c współczynnik kierunkowy prostej związany z wymiarem fraktalnym D. Wymiar fraktalny będący różnicą D = 1- c przyjmuje wartości od 1 do 2 W pracach [5, 8] jest przedstawionych kilka metod wyznaczenia długości linii profilu. Jedną z nich jest metoda cięciw, Divider Method lub Commpass Method), w której profil jest zastępowany cięciwami o stałej długości. Punkty początkowe i końcowe powinny być identyczne dla różnych kroków pomiarowych (Rys. 4). Inna metoda pomiaru długości linii polega na nakładaniu siatek kwadratowych o różnych długościach boku ( Box- Counting Method). W ten sposób zobrazowana funkcja na wykresie przedstawia liczbę kwadratów (rozmiaru siatki kwadratowej) przeciętych przez profil przełomu (Rys. 5). (2) 384

Rys. 4. Interpretacja krzywej za pomocą linii łamanej o róŝnych długościach kroku pomiarowego η i wyznaczanie wymiaru fraktalnego metodą cięciw [8] Rys. 5. Wyznaczenie wymiaru fraktalnego metodą Box Counting [5] 2. Analiza i filtracja obrazu struktury geometrycznej powierzchni Do wyznaczenia wymiaru fraktalnego struktury geometrycznej powierzchni (SGP) korzysta się z metod i technik analizy obrazu. Analiza obrazu jest to proces przetwarzania informacji, gdzie danymi wejściowymi jest obraz, zaś dane wyjściowe są zapisane w postaci liczb, tablicy liczb, decyzji, tekstu itp. Kolejnym krokiem jest przetwarzanie obrazu. Jest to proces przetwarzania informacji, w którym dane wejściowe jak i wyjściowe są w postaci obrazu. Do realizacji tych zadań korzysta się z systemów komputerowych, które 385

między innymi znajdują zastosowanie w takich dziedzinach, jak np. [5]: nauka o materiałach (ocena porowatości, wielkości ziaren), medycyna (analiza zdjęć z tomografu), kryminalistyka (porównanie linii papilarnych), teledetekcja (zdjęcia satelitarne i lotnicze), kontrola jakości, automatyczne sortowanie korespondencji i inne. Eliminacja szumów i przypadkowych zakłóceń sygnału powstałych w badanym obrazie polega zazwyczaj na usunięciu wartości, które są zbyt duŝe lub zbyt małe za pomocą filtrów. Idea procesu filtracji jest przedstawiona na Rys. 6. Rys.6. Zasada procesu filtracji [5] W wyniku zastosowania filtru uzyskuje się pewne działania algebraiczne na liczbach, które opisują kolor lub stopień szarości w sąsiedztwie analizowanego punktu. Posługując się działaniami matematycznymi uzyskuje się róŝnego rodzaju filtry, tj.: minimalny dział gdy szum jest jednorodny i znajduje się w jasnym zakresie stopnia szarości. Analizuje on otoczenie punktu (wraz z punktem) obrazu i przypisuje pikselowi wartość minimum, spośród wartości pikseli z nim sąsiadujących. Efektem działania tego filtru jest przyciemnienie obrazu; maksymalny w przypadku obrazów z jednorodnym szumem. Analizuje on otoczenie punktu (wraz z punktem) obrazu i przypisuje pikselowi wartość maksimum, spośród wartości pikseli z nim sąsiadujących. Efektem działania tego filtru jest rozjaśnienie obrazu; medianowy odrzuca wartości skrajne. Sprawdza się w przypadku niejednorodnego szumu o róŝnych stopniach szarości. Jego działanie polega na przypisaniu nowej wartości piksela analizowanemu punktowi, równej wartości znajdującej się w środku ciągu rankingowego. Dzięki tym cechom mediana nie wprowadza nowych wartości do obrazu i nie rozmywa przy tym krawędzi tego obrazu; uśredniający uwzględnia średnie arytmetyczne lub waŝone wartości analizowanego punktu oraz jego sąsiadów. NaleŜy on do filtrów liniowych, które wprowadzają zmiany w obrazie. Zasada działania polega na sumowaniu wartości poszczególnych punktów, a następnie dzieleniu wyniku przez liczbę wszystkich wierszy i komórek. 386

wyostrzający jeŝeli jeden środkowy punkt będzie posiadał dwukrotnie jaśniejsze otoczenie, to po dokonaniu filtracji uzyska się 6- krotnie większą wartość. Pozostałe punkty będą miały takie same wartości pikseli jak przed filtracją, za wyjątkiem naroŝnych komórek, które zmienią się z (-1) na 0 (zero). Tego typu filtr powoduje lokalne zwiększenie kontrastu dla, natomiast w analizie obrazu wprowadza szum utrudniający detekcje poszczególnych obiektów. Podstawową cechą do jakiej naleŝy dąŝyć przy analizie obrazów jest uzyskanie moŝliwie najlepszych obrazów wyjściowych zamiast korygowania kiepskich oryginałów. Drugą grupę przekształceń obrazów stanowią przekształcenia morfologiczne. Operacje morfologiczne są bardziej selektywne, nie przekształcają one wszystkich punktów jak czyniły to filtry. Idea działania przekształceń morfologicznych polega na ograniczeniu się tylko do punktów odpowiadających pewnemu wzorcowi, nazywanego elementem strukturalnym (jest to element otoczony przez jednolite tło). Do uniwersalnych przekształceń morfologicznych naleŝą [5, 6, 7]: erozja powstały obraz jest otrzymany w wyniku przetaczania okręgu po stronie wewnętrznej brzegu figury X. Kolejne połoŝenia okręgu wyznaczają nowy brzeg figury po zerodowaniu (Rys. 7). Przekształcenie to jest stosowane w celu uproszczenia struktury obiektu, usunięcia drobnych szczegółów, wygładzenia krawędzi, jak równieŝ podziału elementu na kilka mniejszych elementów składowych. Erozja jest transformatą addytywną (erozja złoŝona jest taka sama, jak kolejne transformacje proste). Rys.7. Schemat erozji obrazu wieloodcieniowego Rys.8. Schemat dylatacji obrazu wieloodcieniowego dylatacja jest to przekształcenie odwrotne do erozji. Podobnie jak w erozji przetacza się element ale po zewnętrznej stronie brzegu figury. Przekształcenie to jest stosowane w celu wypełnienia wąskich i niewielkich szczelin (ubytków), otworów w obrazie, łączenia mniejszych elementów połoŝonych blisko siebie w całość oraz wygładzenia krawędzi (Rys. 8). otwarcie połączenie erozji z następującą po sobie dylatacją. Polega na przemieszczeniu okręgu lub (dowolnego szablonu) po stronie wewnętrznego brzegu figury i odrzuceniu tych punktów, które nie mogą być osiągnięte przez szablon (Rys. 9.). Przekształcenie to powoduje usunięcie drobnych wgłębień i wypukłości i rozłączenie obiektów z przewęŝeniami. 387

Rys.9. Otwarcie obrazu wieloodcieniowego Rys.10.Zamknięcie obrazu wieloodcieniowego zamknięcie w wyniku przemieszczania koła lub (szablonu) po zewnętrznej stronie brzegu figury, dodawane są wszystkie te punkty, które nie mogą być osiągnięte przez koło (Rys. 10). Operacja ta ma zastosowanie przy wypełnianiu niewielkich szczelin i drobnych otworów wewnątrz obiektu. Otwarcie i zamknięcie nie wykazują addytywności oraz nie zmieniają kształtu i powierzchni o duŝych rozmiarach i wyrównanym konturze. detekcja szczytów (najjaśniejsze miejsca) polega na odjęciu od obrazu wyjściowego, obrazu powstałego po otwarciu (Rys. 11). Detekcją równieŝ nazywa się binaryzację z dolnym progiem, w celu pozostawienia najjaśniejszych punktów. detekcja dolin (czarny czubek kapelusza) polega na odjęciu od obrazu wyjściowego, obrazu powstałego po zamknięciu (Rys. 12). Binaryzacja z dolnym rogiem, w celu pozostawienia najciemniejszych punktów. Rys.11. Detekcja szczytów 388

Rys.12. Detekcja dolin 3. Obraz przestrzenny i analiza 3D Oprogramowania do analizy obrazów w układzie przestrzennym 3D pozwalają na filtrowanie, binaryzację i typowe pomiary jak w analizie 2D. Dzięki analizie 3D moŝna otrzymać precyzyjne informacje o rozmiarach, kształcie i połoŝeniu przestrzennym w analizowanym obiekcie. RównieŜ w przypadku takiej analizy występuje problem ograniczonej rozdzielczości. Istnieją oprogramowania do rozpoznawania i analizy obrazów. Aphelion jest zaawansowaną platformą, która słuŝy do przetwarzania obrazu. Istnieją trzy wersje tego oprogramowania: Aphelion Developer - zawiera zaawansowane narzędzia, które słuŝą do analizy obrazu i są wykorzystywane równieŝ do analizy 3D. Aphelion Lab pozwala na szybkie tworzenie skutecznych projektów analizy obrazów cyfrowych uzyskanych z mikroskopów i wielu innych urządzeń. Dzięki jego praktycznemu interfejsowi uŝytkownika, moŝe on skupić się na wynikach, a nie na programowaniu lub zarządzaniu obrazami. Aphelion SDK to pakiet klasy tylko komercyjnej, pozwalający programiście na łatwe umieszczanie przetwarzanych obrazów w jego własnej aplikacji. Aphelion jest oprogramowaniem do przetwarzania obrazu i ilościowej analizy słuŝącym do szybkiego prototypowania aplikacji, rozwoju nowych technik obrazowania, szkolenia widzenia komputera i wdraŝania aplikacji. Program ten, daje wiele moŝliwości, do których moŝna zaliczyć między innymi: operacje arytmetyczne i logiczne, filtrację, operacje morfologiczne, transformatę Fouriera, klasyfikację obiektów na podstawie zasad logiki rozmytej, analizę obrazów kolorowych oraz obrazów 3D (Rys. 13). Podstawą do analiz ilościowych są obiekty i ich atrybuty, czyli miary, co odróŝnia Aphelion od większości oprogramowań słuŝących analizie obrazu. Dzięki temu moŝna nakładać obiekty na róŝne obrazy i dokonywać porównań, a takŝe przesuwać, wygładzać, łączyć ze sobą obiekty z róŝnych zbiorów. Pomimo tego, Ŝe na siebie nachodzą, obiekty 389

pozostają rozłączne. Obrazy analizowane w Aphelionie mogą być binarne, szare, lub kolorowe, o dowolnej wielkości. Powinny być zapisane w jednym z następujących formatów: TIFF, BMP, JP, KBV. Rys. 13. Menu programu Apheliom 4. Wyznaczenie wymiaru fraktalnego metodą Box Counting Do przeprowadzenia analizy SGP próbek po obróbce elektroerozyjnej EDM (Rys. 14) został wykorzystany wymiar fraktalny, wyliczony za pomocą metody metody Box Counting. Podstawową techniką wyznaczenia wymiaru, jest zbudowanie wykresu podwójnie logarytmicznego, zaleŝności długości linii profilu od powiększenia (rozdzielczości) lub wielkości kroku pomiarowego. Analiza została przedstawiona w formie wykresów. Za podstawę wyznaczenie wymiaru fraktalnego przyjęto wielkość kroku pomiarowego równą 2 µm. Odpowiedni dobór procesu technologicznego obróbki wiąŝe się stawianymi wymaganiami strukturalnymi powierzchni, które powinny zostać utrzymane w celu zapewnienia właściwości i parametrów uŝytkowych w czasie eksploatacji [1]. Integralną częścią tego procesu jest odpowiedni dobór metody i urządzenia pomiarowego, który odgrywa waŝną rolę przy analizowanej powierzchni. W pracy [41] zostały przedstawione zakresy stosowania róŝnych technik pomiarowych do topograficznej (3D) analizy powierzchni (Rys.15). Wynika z tego, Ŝe istnieje duŝa liczba technik pomiarowych, tak naprawdę Ŝadna z poszczególnych metod pomiaru SGP mierząc to samo, uzyskuje zupełnie inne wyniki i nie moŝe objąć całego zakresu pomiarowego. W związku z tym odpowiednia technika pomiarowa, powinna zostać dobrana w zaleŝności od zastosowania funkcji powierzchni, biorąc pod uwagę parametry geometryczne i funkcjonalne. Wniosek z porównań tych jest następujący: właściwa analiza przestrzennej powierzchni, skutkuje 390

uzupełnianiem się metod pomiaru w oparciu o wykorzystanie hybryd (róŝnych, łącznych technik analizy). Tab. 1. Parametry procesu obróbki elektroerozyjnej badanych próbek ze stali NC 10 Nr. próbki Iz [A] Ir [A] Czas impulsu Ti [µs] Czas przerwy To [µs] Napięcie zadane Uz [V] Wsp. przewodności elektrycznej dielektryka Prędkość odsuwu elektrody Fc [obr/min] 1 3 1 29 10 65 100 5 2 3 5 160 16 50 100 10 3 3 9 290 29 42 100 15 4 3 15 600 29 32 100 20 5 3 25 1600 40 30 100 30 6 3 40 25000 100 30 100 40 1. 2. 3. 4. 5. 6. Rys. 14. Próbki ze stali NC 10 po obróbce EDM Badania struktury geometrycznej powierzchni (Rys.16) próbek wykonano na Politechnice Świętokrzyskiej przy uŝyciu profilometru Talyscan CCI 2000 firmy Taylor- Hobson z bezstykową głowicą skanującą, przy wykorzystaniu oprogramowania Taly Map Silver 5.0.3 5052 firmy Digital Surf. 391

SCM Zakres pionowy STM SEM AFM SSM MO Zakres poziomy Rys. 15. Zakresy i rozdzielczość podstawowych technik pomiaru SGP [41] STM skaningowy mikroskop tunelowy, AFM- mikroskop sił atomowych, MO mikroskop optyczny, SEM skaningowy mikroskop elektronowy, SSM przyrząd skaningowy z głowicą stykową (profilometr), SCM skaningowy mikroskop współosiowy. 1. 3. 6. Rys. 16. Przykłady topografii powierzchni próbek nr 1, nr 3, nr 6 392

Następnie zostały wykonane zgłady metalograficzne próbek (Rys. 17) w celu przeprowadzenia analizy powierzchni na mikroskopie skaningowym. 1. 3. 6. Rys. 17. Zgłady poprzeczne wybranych próbek nr 1, nr 3, nr 6 W wyniku przeprowadzonej analizy SGP zostały określone parametry wysokości nierówności oraz parametry amplitudowe: R a S q, S t, S p, S z, S v, S sk, S ku (zgodnie z zaleceniami w normach [9]). Przykłady graficznej ilustracji wyników pomiarów zostały przedstawione na Rys. 18 Rys. 20. Rys. 18. Zestawienie wybranych wyników pomiarów SGP próbka nr 1 Rys.19. Zestawienie wybranych wyników pomiarów SGP próbka nr 3 393

Rys.20. Zestawienie wybranych wyników pomiarów SGP próbka nr 6 Analizy SGP posłuŝyły do wyznaczenia wymiaru fraktalnego za pomocą programu Aphelion, którego przykłady przedstawiono na Rys. 21 Rys.24. Uzyskane wyniki w pełni potwierdzają moŝliwość zastosowania tego oprogramowania do analizy fraktalnej struktury geometrycznej powierzchni elementów kształtowanych w procesie obróbki. Rys. 21. Wymiar fraktalny na powierzchni 1 Rys. 22. Wymiar fraktalny na powierzchni 3 Rys. 23. Wymiar fraktalny na powierzchni 6 394

Rys. 24. Zestawienie wymiaru fraktalnego sześciu badanych powierzchni 5. Podsumowanie Przeprowadzona analizy wskazuje, że przy zmieniających się parametrach obróbki elektroerozyjnej wymiar fraktalny zawiera się w przedziale 0.60 1.69. Może on służyć jako pewien wskaźnik charakteryzujący dziedziczność technologiczną obrabianej powierzchni przedmiotu, bowiem zmiana warunków obróbki powoduje zmianę wartości wymiaru fraktalnego, co uwidacznia się położeniem wykresu w przyjętym układzie odniesienia (Rys. 24). należy jednak zaznaczyć, że istotną rolę odgrywa tu także wybór długości kroku pomiarowego W przeprowadzonych badaniach była to wartość 2 μm. Dobór tej wartości jest zależny od ukształtowanej SGP, a także możliwości obliczeniowych sprzętu komputerowego. Zbyt duża wartość kroku pomiarowego działa jak filtr wygładzający i dlatego wykresy nakładają się na siebie. Charakterystyka wymiaru fraktalnego (położenie wykresu, wartość liczbowa) może być także wskaźnikiem izotropowości struktury geometrycznej powierzchni, a w połączeniu ze strukturą w ujęciu 3D daje lepsze możliwości oceny cech użytkowych wyrobu. Wydaje się więc celowe przeprowadzenie dalszych analiz i oceny ilościowej parametrów SGP, np. w połączeniu z krzywą nośności powierzchni. W przypadku izotropowej SGP ocena nośności nie budzi wątpliwości zgodnie z dotychczas stosowaną procedurą. Natomiast w odniesieniu do powierzchni o anizotropowej SGP szersza analiza, w połączeniu z oceną wymiaru fraktalnego, pozwoli na wyznaczenie pełniejszej charakterystyki nośności powierzchni roboczej elementów maszyn. Literatura 1. Wieczorowski M.: Wykorzystanie analizy topograficznej w pomiarach nierówności powierzchni. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2009. 395

2. Wojnar L., Kurzydłowski Krzysztof J., Szala J.: Praktyka analizy obrazu. Polskie Towarzystwo Stereologiczne, Kraków, 2002. 3. Wojnar L., Majorek M.: Komputerowa analiza obrazu. Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków, 1994 4. Wojnar L., Mikulski.: Komputerowa analiza obrazu. Wydawnictwo Fotobit Design, Kraków, 1996. 5. Wojnar L.: Fraktografia ilościowa. Podstawy i komputerowe wspomaganie badań. Zeszyt Naukowy nr 2 Politechnika Krakowska, Kraków, 1990. 6. Schwenke H., Neuschäfer-Rube U., Pfeifer T., Kunzmann H.: Optical Methods for Dimensional Metrology in Production Engineering. Annals of the CIRP, Vol. 51, No. 2, pp. 685-699. 7. Sherrington I., Smith E.H.: Modern measurement techniques in surface metrology. Part II. Opical measurements, Wear, Vol. 125, pp. 289-308. 8. Oczoś K. E., Lubimov V.: Struktura geometryczna powierzchni. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2003. 9. Normy: PN 87/M 04251: Struktura geometryczna powierzchni. Chropowatość powierzchni. Wartości liczbowe parametrów, 1987. PN 87/M 04256: Struktura geometryczna powierzchni. Chropowatość powierzchni. Terminologia ogólna; 1987. Norma ISO 25178, EUR 15178N chropowatości powierzchni. Prof. dr hab. inŝ. Józef GAWLIK Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji e-mail: jgawlik@mech.pk.edu.pl Mgr inŝ. Wojciech MAGDZIARCZYK Prof. dr hab. inŝ. Leszek WOJNAR Instytut Informatyki Stosowanej Politechnika Krakowska al. Jan Pawła II 37; 31-864 Kraków www.mech.pk.edu.pl e-mail: wojnar@fotobit.net 396