PODSTAWY METALOGRAFII ILOŚCIOWEJ I KOMPUTEROWEJ ANALIZY OBRAZU 1 Metalografia - nauka o wewnętrznej budowie materiałów metalicznych (metale i ich stopy), oparta głównie na badaniach mikroskopowych. 2 1
ZASADY POWSTAWANIA I ARCHIWIZACJA OBRAZÓW MIKROSTRUKTURY 3 OBSERWACJE MIKROSKOPOWE PREPARATÓW NIEPRZEŹROCZYSTYCH MIKROSKOP PREPARATYKA Wgłębienie na powierzchni Wypolerowana i wytrawiona powierzchnia -wycięcie próbki - inkludowanie - szlifowanie - polerowanie - trawienie Granica ziarna www.msm.cam.ac.uk Obserwacja w świetle odbitym 4 2
OBSERWACJE MIKROSKOPOWE PREPARATÓW NIEPRZEŹROCZYSTYCH www.msm.cam.ac.uk MIKROSKOP Wypolerowana i wytrawiona powierzchnia i Obserwacja w świetle odbitym 5 ZASADA POWSTAWANIA OBRAZU W MIKROSKOPIE METALOGRAFICZNYM www.msm.cam.ac.uk Obiekt Soczewka Ogniskowa Płaszczyzna obrazu Zasada działania soczewki 6 3
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 ] 7 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 8 4
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), -kąt zmiany kierunku promienia (= ß/2, rys >), -długość fali świetlnej, Kąt rozwarcia obiektywu APERTURA OBIEKTYWU 9 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) 10 5
ARCHIWIZACJA OBRAZU MIKROSTRUKTURY METODY ANALOGOWE BŁONA FOTOGRAFICZNA METODY CYFROWE APARATY I KAMERY CYFROWE 11 PODSTAWOWE PARAMETRY STEREOLOGICZNE MIKROSTRUKTURY METALI I ICH STOPÓW Stereologia - nauka zajmująca się opisem trójwymiarowej struktury obiektów na podstawie ich dwuwymiarowego obrazu 12 6
PODSTAWOWE PARAMETRY STEREOLOGICZNE MIKROSTRUKTURY METALI I ICH STOPÓW Parametry stereologiczne dwufazowych stopów tytanu ROZMIAR ZIARN KSZTAŁT ZIARN OBJĘTOŚĆ WZGLĘDNA FAZ 13 KORELACJA ROZMIARU ZIARNA I GRANICY PLASTYCZNOŚCI MATERIAŁÓW POLIKRYSTALICZNYCH R ed = 0 + k d -1/2 Równanie HALLA-PETCH A R ed dolna granica plastyczności; 0 naprężenie tarcia sieci; k stała, d - średnia średnica ziarn. 14 7
METALOGRAFIA ILOŚCIOWA 15 WYBÓR PŁASZCZYZNY OBSERWACJI 16 8
DOBÓR POLA WIDZENIA 17 KLASYFIKACJA STEREOLOGICZNYCH PARAMETRÓW MIKROSTRUKTURY STOPÓW 18 9
WPŁYW RODZAJU SZLIFU (ZGŁADU) I JEGO UMIEJSCOWIENIA NA REZULTAT ILOŚCIOWEJ ANALIZY MIKROSKOPOWEJ 19 WPŁYW RODZAJU SZLIFU (ZGŁADU) I JEGO UMIEJSCOWIENIA NA REZULTAT ILOŚCIOWEJ ANALIZY MIKROSKOPOWEJ 20 10
STRUKTURA TRÓJWYMIAROWA Przecięcie płaszczyznami równoległymi 21 STRUKTURA TRÓJWYMIAROWA Przecięcie liniami (siecznymi) równoległymi 22 11
STRUKTURA TRÓJWYMIAROWA Skanowanie płaszczyzną 23 STRUKTURA DWUWYMIAROWA Przecięcie prostymi równoległymi 24 12
STRUKTURA DWUWYMIAROWA Skanowanie prostą 25 STRUKTURA DWUWYMIAROWA Rzucanie punktów 26 13
OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Zasada Cavalieriego 27 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Zasada Cavalieriego-Hacquerta 28 14
OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda planimetryczna 29 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda planimetryczna 30 15
OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda liniowa 31 OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda liniowa 32 16
OKREŚLENIE SKŁADU OBJĘTOŚCIOWEGO MIKROSTRUKTURALNEGO LUB FAZOWEGO - Metoda punktowa 33 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda porównawcza 34 17
OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda porównawcza 35 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda Jeffries a 36 18
OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda punktów węzłowych 37 OKREŚLANIE LICZBY I ROZMIARU CZĄSTEK - Metoda planimetryczna 38 19
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 ] 39 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU KOREKCJA OBRAZU OCENA RZECZYWISTYCH I NIERZECZYWISTYCH (tzw. ARTEFAKTÓW) ELEMENTÓW MIKROSTRUKTURY [4 ] 40 20
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 ] 41 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 ] 42 21
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 43 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Korekcja obrazu - FILTRY Sygnał wyjściowy Sygnał filtrowany Sygnał Zasada działania filtru Czas lub dystans [ 3 ] 44 22
KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Binaryzacja Przykład binaryzacji obrazu mikrostruktury żeliwa (zgład nietrawiony) [ 3 ] 45 [ 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 46 23
KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Binaryzacja [ 3 ] Częstość Skala szarości Funkcja rozkładu skali szarości obrazu i automatyczny próg binaryzacji 47 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Matematyczna morfologia Obiekt przed erozją Obiekt po erozji [ 3 ] Schemat działania erozji PRZECIWNE DZIAŁANIE NIŻ EROZJA POWODUJE OPERACJA ZWANA DYLATACJĄ 48 24
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) 49 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Szkieletyzacja (SKIZ) Przykładowe figury (a) i ich cyfrowe szkielety (b) [ 3 ] 50 25
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) 51 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU - Analiza [ 3 ] Schemat zależności pomiędzy analizą obrazu (image analysis), przetwarzaniem obrazu (image processing) i jego zrozumieniem (image understanding) 52 26
[ 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) 53 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Analiza - ROZDZIELCZOŚĆ POMIARU [ 3 ] Rzeczywista powierzchnia obiektu (czarna linia) wraz z odpowiadającą jej powierzchnią wyrażoną w pikselach 54 27
KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Analiza - KSZTAŁT OBIEKTÓW Pole powierzchni Obwód [ 3 ] Współczynnik wydłużenia f 1 = a b Najczęściej stosowany współczynnik kształtu L 2 f 2 = 4 A Inny sposób obliczania współczynnika kształtu f 3 = d 2 d 1 Podstawowe parametry służące do opisu kształtu obiektu 55 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Interpretacja wyników [ 4 ] 56 28
KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Przykłady zastosowania [ 4 ] 57 KOMPUTEROWA ANALIZA OBRAZU Przykłady zastosowania [ 4 ] Detekcja obszarów liniowo zorientowanych (przedstawiony przypadek: kolonie płytek fazy w stopach tytanu) 58 29
Literatura źródłowa: 1. Dobrzański L. A.: Mikroskopia świetlna i elektronowa. WNT, Warszawa 1998 2. Ryś J.: Stereologia materiałów. Fotobit Design, Kraków 1995 3. Wojnar L.: Image Analysis Applications in Materials Science Engineering. CRC Press, New York 1999 4. 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 59 30