Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МОДЕЛЬ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ШЛИФОВ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ПОРИСТОСТИ

Никитаев В.Г. Проничев А.Н.

Описана модель цифровой обработки изобра­жений шлифов керамических материалов для оп­ределения характеристик их пористости при использовании метода световой микроскопии.

Одной из характеристик качества керамиче­ских материалов является их пористость[1]. От этого параметра зависят такие свойства изде­лий из керамики как прочность, долговечность и др . Одним из применяемых на практике методов определения пористости является метод микро­скопического исследования шлифов образцов из­делий в отраженном свете.

Автоматизация измерений пористости может быть осуществлена за счет применения компью­терной системы автоматизированного анализа микроскопических изображений [2]. Система со­стоит из микроскопа с установленной на нем ка­мерой, формирующей видеосигнал, компьютера с устройством преобразования видеосигнала в циф­ровой код, специализированного программного обеспечения. Путем программной обработки циф­рового изображения шлифа исследуемого образца осуществляется определение координат границ пор в наблюдаемой в микроскоп области шлифа и определение площади и линейных размеров обна­руженных пор. Необходимость измерения пор с размерами от единиц до сотен микрон требует проводить микроскопический анализ с примене­нием набора объективов разной кратности увели­чения (от 5 до 100). При использовании объектива с 5-ти кратным увеличением с регистрацией одно­го кадра изображения можно измерить поры с линейным размером до 1,2мм. Для измерения пор с большими размерами возможно применение метода панорамной съемки, когда изображение исследуемого объекта формируется за счет съем­ки серии кадров смежных областей, в совокупно­сти включающих измеряемый объект.

Минимальный размер пор, который может быть измерен системой, зависит от разрешающей способности микроскопической системы. С увеличением кратности увеличения объектива, как правило, увеличивается и разрешающая способ­ность, но уменьшается размер наблюдаемой через микроскоп части препарата. Разрешающая спо­собность светового микроскопа ограничена прояв­лением дифракции света. Изображение испускаю­щей монохроматический свет точки, даваемое даже идеальным (не вносящим никаких искаже­ний) объективом фактически является круглым светлым пятнышком конечного диаметра, размер которого, приведенный к масштабу плоскости объекта, можно определить по формуле: d = 1,22 L/A, где L - длина волны света, А - чи­словая апертура объектива, равная А = n • sin um , n - показатель преломления среды, разделяющей светящуюся точку и объектив, um - половина угла раствора светового пучка, исходящего из точки и попадающего в объектив. При микроско­пическом исследовании керамических материа­лов, как правило, используют объективы без им­мерсии, у которых максимальное значение апер­туры может достигать не более 0,95. Если при­нять, что различение двух точек возможно при расстоянии между ними большему d/2, то в рас­сматриваемом случае предельная разрешающая способность будет равна 0,35 мкм (для длины вол­ны L=550 нм). Это означает, что пора размером меньше 0,35 мкм останется незамеченной.

Для оценки погрешности измерений в выше­описанных условиях необходимо учитывать ряд факторов: условия освещения исследуемого образца и искажения оптической системы микроско­па (различные для объективов разной кратности), помехи и искажения сигнала, вносимые датчиком (камерой) и устройством преобразования видео­сигнала в цифровой код, алгоритм обработки циф­рового изображения, применяемый для измерения размеров пор.

Для оценки возможностей системы измерения пористости и формирования требований к техни­ческим параметрам комплектующих элементов системы предлагается следующая модель изобра­жения поры: Ir(x,y)=|l(x-u,y-v)H(u,v)dudv+N(x,y), где Ir(x,y) - функция яркости зарегистрированного в системе изображения, I(x,y) - идеальное изобра­жение поры, H(u,v) - нормированная функция яркости изображения светящейся точки в системе регистрации, характеризующая реальные искаже­ния изображения при его формировании в систе­ме, N(x,y)-функция, описывающая шум электрон­ной части системы регистрации изображения. Идеальное изображение поры может быть представлено функцией I(x,y)=Ip, если (x,y) е Р, I(x,y)=^, если (x,y) е Ф, где Р область поры, Ф область фона, а Ip и !ф соответственно яркость изображения в области поры и в области фона.

При отсутствии шума (N(x,y)=0) границы по­ры на реальном изображении в этом случае могут быть определены как множество точек, в которых функция яркости принимает значение равное (Ip+^)/2. Для пор с размером, значительно превы­шающим размер пятна рассеяния светящейся точ­ки в системе регистрации, эта модель обеспечива­ет построение границ поры, сооответствующих идеальному изображению поры. Для пор размер, которых сопоставим с размером пятна рассеяния, границы пор, выделенные по указанному крите­рию, будут смещены относительно границ поры в идеальном изображении. Ключевым фактором, влияющим на вид функции H(u,v) является оптическая система микроскопа и свойства камеры, регистрирующей оптическое изображение, сфор­мированное микроскопом. В микроскопе опреде­ляющим для функции H(u,v) являются свойства объектива, главным из которых является его апер­тура. В первом приближении можно рассматри­вать функцию H(u,v)=1/S(R), для (u,v) е R и H(u,v)=0, в прочих случаях, где R область соответ­ствующая пятну рассеяниея светящейся точки, а S(R) площадь этой области. Тогда минимальный размер поры, границы которой будут выделены без смещения относительно идеального изображе­ния (без учета ограничений, определяемых камерой) могут быть определены по формуле d = 1,22 L/A. Т.е. для лучших объективов (с апер­турой А=0,95) это составит 0,7мкм (для длины волны света =550нм). Выбор объектива с мень­шим значением апертуры, соответственно увели­чит минимальный размер пор, границы которых будут выделяться без смещения относительно идеального изображения. Так, например, для объ­ектива 10 кратного увеличения с апертурой А=0,25 рассматриваемый размер составит 2,7 мкм.

Таким образом, представленная модель по­зволяет производить оценку минимальных разме­ров измеряемых пор в системе в зависисимости от используемых технических средств, и устанавли­вать требования к таким средствам в зависимости от необходимого диапазона размеров измеряемых пор.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1.  ГОСТ 24409-80. Материалы керамические электротехнические - методы испытаний.

2.  Проничев А. Н. Автоматизация измерения параметров микроструктуры материалов при про­мышленном контроле качества продукции // Авто­матизация в промышленности - 2005. - №9- с. 11-13.


Библиографическая ссылка

Никитаев В.Г., Проничев А.Н. МОДЕЛЬ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ШЛИФОВ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ПОРИСТОСТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2009. – № 9. – С. 114-115;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=26586 (дата обращения: 13.12.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674