金相组织计算机图像处理与识别技术研究现状
摘 要：综述了计算机图像处理与识别技术在金相组织分析中的研究与应用现状，介绍了国内外科技工作者采用计算机进行铸铁金相组织分析、有色金属及合金晶粒度评级、钢铁产品质量检验及焊接接头金相组织分析的部分研究成果，并分析了金相组织计算机图像处理与识别技术的发展趋势。 关键词：金相组织；计算机；图像处理；识别技术 ⒈引言 1964年，美国喷气推进实验室利用计算机对太空船发回的月球图像信息进行处理，收到明显的效果，不久之后，一门称为数字图像处理的新学科诞生了。自20 世纪70 年代末以来，由于数字技术和微机技术的迅猛发展给数字图像处理提供了先进的技术手段，图像处理技术也由信息处理、自动控制系统理论，成长为旨在研究图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合利用的崭新学科。 随着图像处理技术基础理论的发展，具有数据量大、运算速度快、算法严密、可靠性强、集成度高、智能性强等特点的各种应用图文系统在国民经济各部门得到广泛的应用，并在逐渐深入到家庭生活。有人预言，图像产业将是新世纪影响国民经济、国家防务和世界经济的举足轻重的产业。当前，通信、广播、计算机技术、工业自动化、国防工业乃至印刷、材料科学等部门的**课题无一不与图像处理科学的进展密切相关。 金相组织分析是研究金属材料的重要方法，在材料科学领域中有举足轻重的作用。以往，对金相组织的分析靠人工目测完成，其结果的准确性受人为因素影响很大，而且误差较大，给生产、研究带来很大的困难。近年来，随着计算机的不断发展，特别是计算机图像识别技术的出现，为金相组织的分析开辟了新的技术途径。图像识别技术不仅使图像分析过程趋于简单、快捷，避免人工评定带来的主观误差，使分析结果更加客观准确，而且拓展了金相检验的检测项目，促进了检测水平的提高。因此，计算机图像处理与识别技术在金相分析上的应用具有较高的理论和实际价值，本文将对计算机图像处理与识别技术在几种典型金相组织分析中的应用作一论述，旨在为研究金相组织分析检测新技术奠定基础。 ⒉计算机图像技术在金相分析中的应用 ⑴ 铸铁金相组织分析 铸铁是一种应用极为广泛的结构材料，对于铸铁金相组织和力学性能的关系，很多研究者做过大量的实验，并在此基础上建立了一系列金相检验国家标准以便对铸铁的质量、性能进行判断和评级。以往人们一直是使用普通的金相显微镜进行铸铁金相组织的人工测量，不仅具有很大的局限性，而且只能进行半定量的定级，如评定球化等级、石墨长度级别、珠光体含量级别等，很难给出准确的定量数据。而对铸铁中石墨的数量（体积或面积百分含量）则无法进行检测，标准中也无此项内容，研究表明，石墨球的圆整度、分布和数量对球铁的力学性能均有显著的影响。 近几年来，很多国家先后开发了功能齐全的金相组织图像分析系统，但由于价格过于昂贵&多数企业无力承担。针对铸铁金相组织而开发的专用图像分析系统目前还不多见。日本OLYMPUS生产的金相图像分析系统虽然可以分析铸铁、铸钢、有色合金等材料金相组织，但在铸铁金相分析上只包括球墨铸铁球化率评级和灰铸铁金相分析。日本一家公司*近有SG-2000球化率检测系统面市，功能包括分析球化率、珠光体百分含量、石墨的体积百分含量等，但价格昂贵。对于铸铁的球化率，美国的米歇而根工业大学的S.Z.Lu和A.Hellawell提出的形状因子法被认为是目前描述石墨形态较为准确的分析方法，但这种方法不能反映石墨球形状的详细信息，同时也不能反映石墨的分布状况。 在国内，虽然特别成型的商用铸铁金相组织分析系统未见报道，但应用计算机图像识别技术分析铸铁金相组织已有很多研究成果。甘肃工业大学王智平等人采用边缘检出区域提取的方法识别图像，并运用二值化处理图像获得铸铁金相组织识别结果。东南大学蔡明东等人提出了计算机辅助检测的基本思路和方法，并在Borland集成环境中编制了相应的检测软件；马鞍山钢铁公司研究所使用IBAS系统对珠光体片间距的测量进行了研究。兰州理工大学徐建林等利用模糊数学建立了球墨铸铁等级的评价模型& 借助应用软件对GB9441-1988球墨铸铁金相检验标准的球化级别分级图进行了处理和分析，得出一个较为科学的、**的球铁球化等级的模糊评价体系，即从石墨的球化率、球形度和分散度三个方面来综合确定石墨的球化级别（其中球形度从三个方面考虑：面积率、毛刺尖锐性和相对峰值数；分散度用两个参量来表征：单位面积石墨个数，单位面积比）。例如图1所示球铁的金相图片，其各评价因子的平均值如表1。
⑵有色金属及合金晶粒度评级 有色金属及合金正在许多领域获得越来越广泛的应用。晶粒度对材料力学性能具有重要影响，研究有色金属及合金晶粒度评级技术对于开发及应用新材料具有非常重要的意义。华中科技大学的吴雪平、吴树森等人利用筛选法开发出镁铝合金半固态金相组织分析软件，可以得到固相率，在经过颜色过滤后，用计算像素个数的方法得到晶粒尺寸。如图2所示从左下角开始由下至上由左至右逐行扫描，当扫描到团球中的**个像素时，给该团球一个编号i，并从**个像素开始逐行扫描该团球中所有像素。图2所示虚线圈内为一团状非枝晶固相组织，当扫描到像素1时，从像素1开始向上逐行扫描，依次得到团球中2至9像素，记录该团球包含的像素个数， 即得到团球i的晶粒尺寸。
南昌大学的杨湘杰、罗忠民等开发的非枝晶固相组分计算机分析系统，运用调色板对像片固相组分中色度*浅和*深处取值，完成固液相组分分离阈值设定，再由计算机逐行扫描，*后计算得到固相组分，系统开发采用Delphi5.0软件具有良好的界面和执行效率。辽宁工程大学冯欣等人通过对大量金属样本组织显微的图像分析所取得的特征参数与合作单位的显微暗室成像参数进行实验对比，结果显示：金相组织显微图像分析算法对金属晶粒特征参数测量的准确率令人满意。 ⑶ 钢铁产品质量检验 在钢铁产品的检验分析中，金相检验常常需要大量的显微图片&以描述钢材的组织结构、非金属夹杂物及各类缺陷形貌。应用图像数字化技术组成金相组织自动分析系统，将其应用于产品质量检验，已有许多成功的范例。 北京英特公司开发的IAS系列图像自动分析系统，主要用于钢的晶粒度分析、夹杂物测定等，于1994年通过了国家技术监督局的验收，促进了国内企业自动定量金相检测工作的普及。日本的森木匡研制的图像超声波探伤对金属材料内部结构的缺陷有较好的探测效果，是图像处理技术在金属探测中的成功应用。华东理工大学的朱耀庭等做的分形学方面的研究对于图像处理中的边缘提取、图像分形压缩、图像分割、金属材料断口形貌、金属断裂机理以及金相组识的识别分析都有重要的参考价值。东北大学在建立金属断口的计算机辅助测量计算系统的基础上，应用边缘提取、相关点匹配探测等图像处理技术，深入研究了疲劳滑移带带宽，疲劳条纹间距及断口表面相对深度等测量计算方法。 ⑷ 焊接接头金相组织分析 焊接接头的性能主要取决于其化学成分和金相组织。金相组织与其性能有着密切的依存关系，通过对焊接接头金相组织的定量分析，可以实现按已知成分和组织预测接头的性能，为合理选择焊接方法、焊接材料和焊接工艺参数提供理论依据。早期的定量金相分析只是人工方法，如网格法，不仅误差大、准确性差而且劳动强度大。现在计算机和模式识别技术已越来越多地被应用到焊接质量评价上来。西安交通大学焊接研究所的王雅生、刘晓平、蔡洪能等人完成的“碳钢焊缝组织石墨化显微图像的自动测量”研究成果，针对压力锅炉、中温中压机组主蒸汽管道碳钢部件焊缝处金相组织石墨化程度的检测问题，将数字图像处理和模式识别技术运用于显微金相组织测量之中$选择适合的算法，通过用VB.net编程，建立了一套对石墨进行形状表征和粒度测量的图像检测系统。北京材料工艺研究所研制的x射线适时成像的图像处理系统可以适时检测钢、铝等合金在焊接时所发生的金属组织变化。天津大学的李午申等研制的焊接金相组织自动定量识别软件系统，抽取了多个焊接金相组织的特征参数，利用模式识别原理建立了相应的识别函数和*小距离法分类器，较好地实现了碳钢及低合金钢焊接金相组织的自动定量识别，对于建立焊接接头成分、组织和性能间的定量关系、选择合理的焊接材料、制定工艺参数等具有重要的理论和实际意义，图3是16Mn钢过热区组织的原始图片，表2为网格法和自动识别法的识别结果，网格法是早期定量金相分析的人工方法，而自动识别法即采用模式识别技术对组织进行特征参数提取而建立的一个自动定量分析焊接金相组织的智能识别系统。
⒊金相组织计算机图像识别技术发展趋势 ⑴ 图像处理技术未来发展方向 图像处理特别是数字图像处理科学经过初创期、发展期、普及期及广泛应用几个阶段，如今已是各个学科竟相研究并在各个领域广泛应用的一门科学。同时图像处理科学又是一门与国计民生紧密相连的一门应用科学，它的发展与应用与我国的现代化建设联系之密切、影响之深远是不可估量的。图像处理科学无论是在理论上还是实践上都存在着巨大的潜力，概括说来将按如下三个方向发展。 ①向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展，力争使计算机的识别和理解能够按人的认识和思维方式工作，考虑主观概率，非逻辑思维，正如微软提出的要研制能听会说的计算机那样实现多功能的人机交互。围绕着HDTV(高清晰度电视)的研制将开展实时图像处理的理论及技术研究。 ②图像、图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展。例如对图像建立一个三维模型，这已经不是纯粹的图像处理问题，而是包含了立体投影、空间视图处理的综合性问题。 ③新理论与新算法研究与应用。在图像处理领域近年来引人的一些新理论和新算法，如：小波算法、遗传算法、神经网络等，为图像处理技术的进步起到了非常积极的促进作用。今后还要在研究工作中不断提出新理论和新算法，以提高图像处理的速度与质量。 ⑵ 金相组织图像处理技术的发展趋势 近年来，数字图像处理技术已成为金相组织分析的有效工具，而基于数字图像处理的金相显微组织的识别技术也大��推动了材料研究的发展。金相组织图像处理技术具有很大的发展潜力，其发展趋势可概括为如下两点。 ①数字图像处理与体视学的**的生命力。近年来，国内外许多学者都在金相图像分析和几何参数求解的问题上提出了大量有价值的见解和算法。如数学形态学、小波算法、神经网络等，这些算法将得到进一步的研究与应用，也将令金相组织分析更加准确。 ②向着自动化、智能化方向发展。研究和开发全自动的试样制备装置和图像获取装置，构建从试样装卡到结果输出无人参与的智能化分析系统，使之既适用于高精度分析又便于在生产现场应用。 4 结束语 金相组织计算机分析技术正在引起人们的重视，经国内外科研工作者多年探索与实践，已有很多研究成果用于生产实际，为这项技术的进一步发展奠定了非常好的基础。随着科学技术的不断进步和对材料金相组织分析要求的不断提高，金相组织计算机分析技术正在显现出其巨大的发展潜力。研究和开发具有更高分析精度和更高自动化程度的智能分析系统将是今后金相组织计算机分析技术的发展方向，为了实现这一目标，积极开展图像获取技术和有关求解算法的研究将非常必要。