第四讲材料科学研究中的计算机图像分析与处理(1)

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0.77%C 珠光体
500倍
图像的分类: （1）模拟图像：光学图像、模拟电视图像等。 处理速
度快，但精度和灵活度差。
（2）数字图像：数码相机、数字电视等。是将连续的 模拟图像经过离散化处理后得到的计算机可以识别 及处理的点阵图像。
数字图像的优点：
（1）处理精度高：按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字 化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的 能力。
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1.3 数字图像处理软件
1 Photoshop位图处理软件。 2 Corel DRAW 主要是矢量图形。 3 Image-Pro Plus
包含了从图像采集、处理、分析到存档、报告、 输出所需要的全部功能。它致力于解决生物学、 医学、材料科学、工业及半导体检测等领域的图 像处理问题，是世界上拥有最广泛用户群体的专 业图像分析软件。
（1）图像变换：傅立叶变换，小波变换等。 （2）图像增强与复原：突出图像信息，抗干扰。 （3）图像压缩编码：简化图像利于传输等。 （4）图像分割：提取图像中的有意义的特征。 （5）图像分析：对图像中的信息进行各种分析。 （6）图像识别：提取图像中的信息进行判别。 （7）图像隐藏：对图像加入水印进行信息伪装。
粗略地说，图像是任一
二维或三维景物呈现在人们 心目中的影像。确切地说： 图像是一种代表客观世界中 某一物体的、生动的图形表 达，包含了描述其所代表物 体的信息。就本课程来说， 图像是指由各种材料表征手 段（如光学或电子显微镜、 光谱等）所获得的有关材料 结构的各种影像。
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（3）选中目标粒子
（4）去除背景 完成“二值化”
方法：同前 （反选，清除背景，设阈值）
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三 基于MATLAB金相分析
Matlab是一种基于向量（数组）而不是标量的高级程序
语言，因而Matlab从本质上就提供了对图像的支持。数
字图像实际上是一组有序离散的数据，使用Matlab可以
孔洞可以代表聚苯乙烯粒子，其
大小也可以表示粒子大小。黑色
孔洞的平均灰度约为40，背景部 分的平均灰度约为130, 两种区域 的灰度相差较大，因此可以容易
地用阈值方式分离。
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聚苯乙烯/顺丁橡胶共混物的 SEM照片
操作过程
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2.2 通过“魔棒”工具进行图像二值 化
（2）位图图像：将图像中每一个像素点转换成一个
数2据8 。25如6 果以8位记录，可以表现出256种颜色
（
），所以色彩丰富。通28 常28有2：8 16色，256色，
增强16位和真彩色24位（
）.但随着颜色数
和分辨率的提高，存储空间大，且较易失真。用数
码相机和扫描仪获得的图像都属于位图。
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图像处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作
来“改造”图像。所谓特定的目标，可以是使图像更清晰、 更美丽动人，也可以是从图像中提取某些特定的信息。本课 程所涉及的图像处理，主要是对各种表征手段获得的影像进 行“加工”，从中提取有关材料结构的信息。
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Photoshop是功能非常强大的图像处理工具，有很多图 像处理功能，如路径、通道、滤镜等等。利用它们可以方便 的完成材料凝聚态图像的二值化处理。
几种图像二值化的方法：
通过阈值的设置进行图像二值化 通过Magic Wand（魔棒）工具进行图像二值化 通过Polygonal Lasso（多边形套索）工具进行图像二值化
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1.2 数字图像的获得途径
一般的图像（即模拟图像）不能直接用数字计算机来处理。
各类图像 转化成
数字图像
CCD图像采集系统（CCD摄像头、图像监视器、图像卡 以及计算机硬件系统 和图像采集处理软件系统组成）
扫描仪图像采集系统（平板式扫描仪、主机插槽的接口 卡以及计算机软硬件系统 ）
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(4)几种常见的图像文件格式： A）BMP格式。即位图文件，整幅图可视为一个数字矩阵。它包括1、4、8、
24位非压缩图像，8位RLE（行程编码）图像。文件内容包含文件头、位 图信息数据块和图像数据。选择BMP格式保存一幅灰度模式图像时，可选 择以Windows格式保存。而且在选中4位或8位位图时，还可选压缩（RLE） 项，在用RLE方式压缩保存后图像将毫无损失。这是用得最广的图像格式 之一。
材料科学研究中的
计算机图像分析与处理
一 概述 二 二值化处理 三 基于MATLAB金相分析
一 概述
随着材料科学研究的深入和发展，计算机图像分析系统 逐渐成为辅助研究材料结构与性能之间定量关系的一种重要 的手段。比如：在晶粒度测量、夹杂物的评级、相分析（包 括测各相的含量和形状因子等）以及显微硬度、孔隙率、球 化率、圆度和涂层厚度等的测定中，计算机图像分析系统的 引入极大地提高了这类定量分析的质量。材料科学研究的数 字化时代已经到来。
（3）分离目标粒子：选择菜单【选 择】→【反选】，选择区域将变为 除目标粒子外的背景区域。此时再 选择菜单【编辑】→【消除】，可 得到目标粒子分离的图像 。
14:（534）202设0/定1/1阈8 值，得到二值化图像。20/27
2.3 通过“多边形套索”工具进行图像二值化
当所处理的图像灰度分布十分复杂时，则不能用上述两 种方法进行二值化工 作。此时多边形套索是最有效的工作。
（2）处理方便：数字图像是一组数据，可利用计算机对其处理 （3）重复性好：它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变
换操作而导致图像质量的退化。
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数字图像（按纪录方式分）：
（1）矢量图像：利用数学的矢量方式纪录图像内容。
以线条和色块为主，容易放大、缩小或旋转，且不 易失真，精确度高，可以绘制3D图像。但是不易做 成色彩丰富的图像。
如果图像目标粒子和背景的灰度差别不大，用阈值调整
无法有效分离目标粒子，无论将阈值色阶设在高阶还是低阶, 目标粒子总是与背景混杂在 一起，难以有效分离。然而观察
图像发现，目标粒子自身形成的区域灰度差别很小。此时可
用“魔棒”这一工具将目标粒子有效分离出来。
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（1）选择目标区域：鼠标左键双
http://compdent.uthscsa.edu/dig/itdesc.html
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二 计算机图像的二值化处理
材料研究的图像处理主要包括材料聚集态结构单元的测 量等。为此，图像处理的首要工作是图像的二值化，以分离 出目标粒子，同时消除背景干扰。图像的二值化主要包括目 标粒子的分离、背景的去除和图像二值化几个步骤．
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2.1 通过“阈值”的设置进行图像二值 化
当图像的目标粒子与背景的灰度相差比较大时，可以直
接应用阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来，同时实现
二值化。
例： 聚苯乙烯为分散相，共混材料在
液氯中冷冻后干燥脆断，再以环
已烷溶解掉聚苯乙烯粒子，形成
黑色的孔洞。因此，图像中黑色
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4 ImageJ
一个基于java的公共的图像处理软件，它能够显示， 编辑，分析，处理，保存，打印8位，16位，32位 的图片， 支持TIFF, PNG, GIF, JPEG, BMP, DICOM, FITS等多种格式。ImageJ支持图像栈功能， 即在一个窗口里以多线程的形式层叠多个图像， 并行处理。只要内存允许，ImageJ能打开任意多 的图像进行处理。除了基本的图像操作， 比如缩 放，旋转， 扭曲， 平滑处理外，ImageJ还能进行 图片的区域和像素统计， 间距，角度计算， 能创 建柱状图和剖面图，进行傅里叶变换。
近几十年来，材料科学家们通过人工方法或全集成的定
量分析系统对材料的结构与性能作了许多定量分析。随着计
算机技术的发展，图像分析系统也发生了巨大的变化，其中
最明显的变化是从全集成的分析系统向以通用PC机为基础
的、可自由配置及扩充的开放式软件系统发展。
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1.1 图像与图像处理
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基本概念：
(1)象素：是图像在计算机显示中的度量单位，可以变化，可 大可小。
(2)分辨率：是用于度量图像在显示器中清晰程度的一个参数， 分辨率越高，图像越清晰。分辨率是与象素相关的，即单 位长度上的象素数就是分辨率。由此可知，分辨率越高， 象素的几何尺寸就越小。
(3)图像文件的大小：指一幅图像在计算机中保存时所占用的 磁盘空间，其大小与所用的颜色模式有关。灰度图像中的 每一个灰度象素只占用一个字节（8位），RGB图像中红、 绿、蓝各占用一个字节。另外，图像文件的大小也直接与 其分辨率有关，原因是当分辨率增加时，一幅图像所包含 的象素量急剧增加。
C）JPEG格式。是一种联合图像专家组的图像压缩格式，是目前所用对静止 灰度或彩色图像的压缩标准。它实际上定义了3种编码系统： a．基于DCT有损编码基本系统，用于绝大多数压缩场合； b．用于高压缩比、高精度或渐进重建应用的扩展编码系统； c．用于无失真应用场合的无损系统。JPEG没有规定文件格式、图像分辨 率或所用的彩色空间模型，这使它适用于MATLAB。
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5 Image Tool
是一个免费的科学用途的图像处理与分析软
件，可以显示、编辑、分析、处理、压缩、 打印灰度图形或彩色图形 。可打开超过22 中图像格式。在生物领域，它的用途便是 各种电泳胶图的分析了。只要有扫描仪， 便能利用IT完成胶图的各种处理，包括注 释、透光率扫描等工作。
操 击“魔棒”按钮，弹出魔棒选项 对话框，通过设置容差可确定选
作 择区域的大小。 过 用鼠标左键点击“魔棒”按钮， 程 则在图像上可出现魔棒，用魔棒
点击目标粒子，会出现虚线环绕 的区域。
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（2）用魔棒点击目标粒子时按 住【Shift】键。可选择多个目标 粒子。
注意：当不同目标粒子容差相差 较大时，应针对不同目标粒子选 择不同的容差。
B）TIFF格式。处理1、4、8、24位非压缩图像，1、4、8、24位 packbit 压缩 图像，1位CCITT压缩图像等。文件内容包括：文件头、参数指针表与参 数域、参数数据表和图像数据四部分。是一种用途广泛的文件格式，其特 点是可移植性好，几乎所有的扫描仪及在Windows、Macintosh平台上常用 的版面设计软件都支持TIFF文件格式。但图像文件结构比较复杂，不压 缩时文件比较大。
图 通过“多边形套索”工具进行图像二值化
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操作过程
（1）选择目标粒子
用鼠标左键点击工具栏中的“Lasso（套索）”工具，这栏有 Lasso、Polygon Lasso （多边形套索）和Magnetic Lasso （磁性套 索）三个工具。
对于初学者来讲， Lasso不易掌握。
D）PCX格式。可处理1、4、8、16、24位等图像数据。文件内容包括文件头 、 图像数据、扩展调色板数据。
E）TGA格式。处理1、4、8、16、24位非压缩图像和行程编码图像。文件包 由5个固定长度字段和3个可变长度字段组成。
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数字图像已经应用到各个领域，无处不在。那么 对数字图像的处理主要有以下方面：
如果粒子和背景灰度 差别比较大，可以选 择使用磁性套索。
建议使用多边形套索， 用鼠标沿目标粒子边 界拉动并不断点击左 键．则会选择出目标 粒子。
14:53 202Fra Baidu bibliotek/1/18
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（2）多个目标粒子 的选择（标记）
方法：填充
（也可用前面介绍 的“Shift”方式）
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对这些离散数据形成的矩阵进行一次性的处理。
Matlab对图像的处理功能主要集中在它的图像处理工具 箱（Image Processing Toolbox）中。 图像处理工具箱是由一系列支持图像处理操作的函数组 成，可以进行诸如几何操作、线性滤波和滤波器设计、 图像变换、图像分析与图像增强、数学形态学处理等图 像处理操作。