Zastosowanie metod komputerowej analizy obrazu do ilościowej oceny struktury materiałów

• Autorzy: Szala J.

Warianty tytułu

EN

Application of computer-aided image analysis methods for a quantitative evaluation of material structure

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wyniki każdego pomiaru obarczone są pewnym błędem. Dotyczy to również metod metalografii ilościowej. W rozprawie skoncentrowano się na ustaleniu tych elementów procesu pomiarowego, których siła oddziaływania na szybkość i dokładność ilościowego opisu struktury jest największa oraz na wprowadzeniu do sposobu ich realizacji takich zmian, które umożliwią zminimalizowanie wywołanych przez nie błędów. Zastąpienie klasycznych, tj. manualnych i półautomatycznych, metod pomiaru przez metody automatyczne doprowadziło do istotnych zmian w procesie pomiarowym. Pomiar cech geometrycznych analizowanych elementów struktury, stanowiący największy problem dotychczas stosowanych metod, można opisać za pomocą uniwersalnych, niezależnych od morfologii tych obiektów, algorytmów. Najtrudniejszym elementem procesu pomiarowego jest natomiast poprawna detekcja mierzonych obiektów. Obszary obrazu zajmowane przez mierzone elementy struktury powinny charakteryzować się jednolitym poziomem szarości wyraźnie różnym od poziomu szarości nie podlegającego analizie tła. Tak ważne w metalografii ilościowej jest zatem perfekcyjne przygotowanie zgładu metalograficznego, właściwe jego wytrawienie oraz poprawnie przeprowadzona akwizycja obrazu. W działaniach tych na szczególną uwagę zasługują metody obniżające refleksyjność analizowanych obiektów, co prowadzi do istotnego wzrostu kontrastu między tymi obiektami i tłem. W mikroskopii świetlnej są to metody prowadzące do wytworzenia na powierzchni zgładu warstewek interferencyjnych. W rozprawie wykazano, że przydatność technik specjalnych mikroskopii świetlnej do poprawy warunków detekcji mierzonych obiektów jest stosunkowo niewielka. Wynika to głównie z tego, że w obrazach struktury zarejestrowanych za pomocą tych technik pojawia się znaczny szum informacyjny. Wyjątkiem jest technika światła spolaryzowanego, której skuteczność można zwiększyć poprzez zastosowanie opracowanej w rozprawie metody łączenia obrazów. W rozprawie wykazano, że najlepsze warunki rejestracji klasycznych dla mikroskopii skaningowej obrazów elektronów wtórnych uzyskuje się dla napięcia przyspieszającego w zakresie 5-25 kV. Potwierdzone zostały dane literaturowe mówiące o dużej przydatności elektronów sprężyście wstecznie rozproszonych do tworzenia kontrastowych obrazów struktury nietrawionych próbek tworzyw wielofazowych. Często jednak detekcja wszystkich faz występujących w badanym tworzywie wymaga komplementarnego użycia obydwu wymienionych technik. W szczególnie trudnych przypadkach dobre efekty daje zastosowanie najbardziej nowoczesnych obecnie narzędzi mikroskopii skaningowej, jakimi są EBSP oraz mapping. Zaproponowane w rozprawie rozwiązania pozwoliły na znaczne przyspieszenie drugiej z nich. Uzyskanie cyfrowego obrazu struktury, który pozwala na detekcję mierzonych obiektów za pomocą samej tylko binaryzacji, jest możliwe - nawet wtedy, gdy procedury przygotowawcze przeprowadzone zostały prawidłowo - tylko w nielicznych przypadkach. Dlatego wyjściowy obraz szary należy poddać przed binaryzacją dodatkowym przekształceniom mającym na celu usunięcie wad obrazu powstałych w trakcie preparatyki oraz eliminacji cienia z obrazów struktury zarejestrowanych za pomocą mikroskopu świetlnego i elektronowego skaningowego. W rozprawie przedstawiono własne rozwiązania w tym zakresie. Za jeden z najważniejszych celów rozprawy uznano udoskonalenie narzędzi pozwalających na rekonstrukcję granic ziarn. Powstałe w wyniku tych prac procedury: segmentacja kontrolowana oraz rekonstrukcja warunkowa pozwalają na poprawną detekcję granic ziarn w strukturze zarówno tworzyw jedno-, jak i wielofazowych. Opracowano również metody ujawniania granic bliźniaków oraz kolonii wydzieleń płytkowych. Działania podjęte w rozprawie pozwoliły na rozbudowę o kolejne elementy istniejącego w Katedrze Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej od roku 1994 atlasu przekształceń morfologicznych wybranych tworzyw metalicznych, ceramicznych i kompozytów. Obszar zainteresowań naukowych autora rozprawy sprawił jednak, że większość zawartych w atlasie rozwiązań odnosi się do tworzyw metalicznych. Uzyskane we wszystkich przypadkach dobre odwzorowanie mierzonych obiektów w końcowym obrazie binarnym, mimo niespełnienia w wielu przypadkach przez wyjściowy obraz szary podstawowych wymagań stawianych mu przez komputerowe metody pomiaru, jest potwierdzeniem podstawowej roli, jaką we współczesnej metalografii ilościowej odgrywa analiza obrazu.

EN

Results of every measurement are burdened with a certain error. This also concerns quantitative metallography methods. The dissertation focuses on the determination of these measuring process elements, whose impact on promptness and precision of a quantitative structure description is the greatest. It also concentrates on the introduction of such changes into the realization of the measuring process elements, that will make it possible to minimize the errors they cause. The replacement of classical, i.e. manual and semi-automatic measuring methods with automatic ones has led to significant changes in the measuring process. Measurement of geometric features of analyzed structure elements, which has constituted the greatest problem of the methods applied so far, can be described by universal algorithms, independent from these objects' morphologies. The most difficult element of the measuring process is exact detection of measured objects. The areas of image occupied by the measured structure elements should be characterized by a uniform grey level, clearly different from the grey level of the background not subjected to an analysis. Thus, very important for quantitative metallography is perfect preparation of a metallographic specimen, its proper etching and correctly performed image acquisition. In these actions, special attention is to be paid to methods reducing reflectiveness of analyzed objects, which leads to a significant increase of contrast between those objects and their background. In light microscopy, they are methods leading to the formation of interference films on the specimen surface. The dissertation reveals that suitability of special light microscopy techniques applied for an improvement of the measured objects' detection conditions, is relatively insignificant. This results mainly from the fact that in the structure images recorded using these techniques, there is considerable information noise. An exception here is a polarized light technique, the effectiveness of which can be increased by an application of the images combination method developed in this study. The dissertation proves that the best recording conditions of secondary electron images, typical for scanning microscopy, are obtained for accelerating voltage in the range of 5-25 kV. The literature data have been confirmed concerning great suitability of elastically backscattered electrons for the creation of contrast images of non-etched multi-phase plastic samples structure. Very often, however, detection of all phases existing in a tested material requires a complementary application of both of the techniques mentioned. In particularly difficult cases, good results are obtained where most modern scanning microscopy tools, such as EBSP or mapping, are applied. A disadvantages of those methods is that they are labour-and time-consuming. The solutions suggested in this dissertation enabled considerable acceleration of the latter. Obtaining of a structure's digital image which allows to detect measured objects using binarization only, is possible, even when preparation procedures were performed in a correct way, in sparse cases only. Therefore, the initial grey image, before binarization, is to be subjected to additional transformations to remove image defects which had occurred during the preparation and to shadow elimination from the structure images recorded by both light and scanning microscopes. The dissertation presents author's own solutions to this problem. An improvement of tools which allow to reconstruct grain boundaries, has been identified as one of the most important purposes of the dissertation. The procedures developed as a results of those works: a controlled segmentation and a conditional reconstruction, enable correct detection of grain boundaries in the structure of both one- and multi-phase materials. Methods of twins boundaries and lamellar precipitation colonies disclosure were also developed. The actions undertaken in the dissertation made it possible to enrich the atlas of morphological transformations of selected metallic, ceramic and composite materials kept by the Department of Materials Science of the Silesian University of Technology since 1994, with further entries. However, the area of scientific interest of the dissertation's author made the majority of solutions in the atlas referred to metallic materials. Obtained in all cases good imaging of measured objects in the final binary image, despite a failure to meet, in many cases, the basic requirements set to the initial grey image by computer-aided measurement methods, is a confirmation of the fundamental role which in the contemporary quantitative metallography is played by the image analysis.

Słowa kluczowe

PL

struktura materiału; metalografia ilościowa; komputerowa analiza obrazu

EN

material structure; quantitative metallography; computer image analysis

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Hutnictwo / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2001
• Tom: z. 61
• Strony: 7--167
• Opis fizyczny: zał., Bibliogr. 115 poz.

Twórcy

autor

Szala J.

• Katedra Nauki o Materiałach Politechniki Śląskiej, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, tel. [phone],