金属腐蚀图像数字处理技术发展综述_费逸伟
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Quin等[7]将图像分析技术用于研究金属 的局部腐蚀,采用金相分析和图像处理相结 合的方法得到了确定点蚀深度和几何形状 的方法,并通过对孔深分布与腐蚀区域之间 关系的定量分析得到了蚀孔的三维分布图, 能够更直观地显示金属点蚀的特点。
苏 润 西 、宋 诗 哲[8]建 立 了 基 于 恒 电 位 的 原位图像采集系统和测试方法,设计了适合 于长焦距显微镜的电解池系统并进行图像 采 集 ,对 得 到 的 304不 锈 钢 恒 电 位 过 程 图 像 进 行 分 析 ,结 果 表 明 :在 蚀 孔 出 现 过 程 中 的 图像灰度变化与蚀孔产生与发展有直接关 系,当发生点蚀时,灰度值向小的方向移动, 灰度统计直方图上出现双峰;并通过分析电 化 学 原 理 ,从 测 试 参 数 与 图 像 信 息 发 现 ,点 蚀 发 生 率 η 与 反 应 消 耗 的 电 量 Q之 间 存 在 一 定 的 相 关 性 。王 守 琰 等 [12]在 此 基 础 上 进 一 步研究了电化学参量的变化和点蚀形貌图 像特征之间的关系,发现在恒电位过程中, 蚀孔面积随时间的延长线性增加,而腐蚀消 耗的电量则按幂函数的方式增长。
张 晓 庆 等 [17]应 用 不 确 定 性 纹 理 谱 ,使 用 最 小 距 离 分 类 器 , 对 等 轴 韧 窝 、拉 长 韧 窝 、解 理、疲劳和沿晶等典型金属腐蚀断口形貌进 行 了 识 别 ,识 别 正 确 率 达 91%。不 确 定 性 纹 理 谱 具 有 计 算 量 小 、方 向 无 关 性 等 优 点,只
图１ ３０４不锈钢在１０％ Ｆｅｃｌ３中５０℃时浸泡 ２０分钟产生的腐蚀图像
图２ ３０４不锈钢蚀孔的统计结果（１０％ Ｆｅｃｌ３、５０℃时浸泡２０ｍｉｎ）
Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 数字技术与应用
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数字技术与应用
需对某一方向的断口形貌进行训练,就能正 确识别其他走向的金属腐蚀断口形貌。
图像分析是定性定量表征腐蚀破坏初 始阶段的有效工具[9],分 形 分 析 也 是 一 种 有 效 的 估 计 轻 微 腐 蚀 的 方 法 [10]。Kurose等 [11]通 过CCD相机观察纯铜应力腐蚀开裂过程,采 用图像分析技术分析了腐蚀裂纹的分布与 发展,认为分形维数是一种评价纯铜腐蚀开 裂阶段的有效方法。Jin等[12]求取了铝合金试 样表面SEM 图像的分形维数,认为分形维 数 与 由 腐 蚀 导 致 的 破 坏 和 疲 劳 有 关 。Sabine
Codaro等 [6]在 总 结 大 量 文 献 的 基 础 上 , 采用显微镜获得了铝合金和钛合金在不同 腐蚀条件下蚀孔剖面的腐蚀形貌图像,给出
了 描 述 点 蚀 断 面 形 状 的 测 试 图 (见 图 3),有 助于定义点蚀形状的分类参数AB=(蚀孔的 面积)/(包围蚀孔的最小矩形的面积)用于对 不 同 形 状 的 蚀 孔 进 行 分 类 和 定 量 描 述 。该 方 法也可以用于表征点蚀的发展过程。
别 ,科 学 地 给 出 它 们 的 腐 蚀 等 级 ,从 而 提 高 航空油料技术保障水平。
参考文献 [1] 宋诗哲.腐蚀电化学研究方法[M].北京:
化 学 工 业 出 版 社 ,1988. [2] D. Itzhak, I. Dinstein, T. Zilberberg.
Pitting corrosion evaluation by compute r image processing[J]. Corrosion Scienc e,1981,21:17-22. [3 ]G. N. Frantziskonis, L. B. Simon, J. Woo, et al. Multiscale characterization o f pitting corrosion and application to an aluminum alloy[J]. European Journal of Mechanics,A/Solids,2000,19(2):309-31 8. [4] G.N.Frantziskonis,L.B.Simon,J.Woo, et al. Characterization of pitting corros ion damage through multiscale analysis [J]. Proceedings of SPIE-The Internatio nal Society for Optical Engineering,199 9:48-58. [5] J.M.Costa,F.Sagues,M.Vilarrasa,Fracta l patterns from corrosion pitting[J]. Co rrosion Science,1991,32(516):665-66 8. [6] E.N.Codaro, R.Z.Nakazato,A.L.Hor ovistiz, et al. An image processing met hod for morphology characterization an d pitting corrosion evaluation[J].Materia ls Science and Engineering,2002,334:29 8-306. [7] M.J.Quin,M.G.Bailey,B.M.Ikeda,et a l. Image-analysis techniques for investig ating localized corrosion processes[J].Ato mic Energy of Canada Limited,AECL (R eport),1993:1-51. [8] 苏润西,宋诗哲.304不锈钢孔蚀过程原 位 图 象 采 集 与 分 析 [J].金 属 学 报 ,1998,3 4(9):966-970. [9] S.Journaux,C.Guillaumin,et al.Image an alysis of corrosion pit damage[J].Optical Engineering,1999,38(8):1312-1318.
颜 云 辉 等 [18]提 出 了 基 于 标 准 金 字 塔 结 构的小波变换技术,对金属腐蚀断口图像进 行 了 识 别 和 分 类 。随 后 ,在 此 基 础 上 ,又 利 用 神经网络基本原理设计了一种断口图像模 式 识 别 的 非 线 性 分 类 器 [19],对 几 种 典 型 的 金 属腐蚀断口图像进行了计算机实验研究,结 果 表 明 ,其 平 均 识 别 正 确 率 达 93.75%,若 单 独以能量作为特征值,其平均识别正确率高 达95%。这 种 识 别 方 法 能 对 纹 理 变 化 复 杂 、 规律性不强的金属腐蚀断口图像进行有效 识别,具有更好的适应性。
Frantziskonis等 用 [3,4] 光 干 涉 显 微 镜 研 究 了 2024铝 合 金 试 样 点 蚀 ,并 用 小 波 分 析 的 方 法研究了蚀孔的几何特征。J. M. Costa 等[5] 用分形几何概念研究了316不锈钢在人工海 水环境中阳极极化后的试样,使用光学显微 境采集试样的腐蚀图像,然后通过专用图像 软件分析了蚀孔的轮廓结构,并计算得到了 蚀 孔 剖 面 的 分 形 维 数 ,结 果 显 示 :随 着 计 算 步长的逐渐减小,蚀孔轮廓周长逐渐增大。
·应用研究·
数字技术与应用
金属腐蚀图像数字处理技术发展综述
费逸伟 1 彭彬 2 校云鹏 2 (1.徐州空军学院航空油料物资系 江苏徐州 221000; 2.徐州空军学院研究生管理大队 江苏徐州 221000)
摘 要:本文综述了数字图像处理技术在金属腐蚀领域中的发展应用,具体探讨了数字图像处理技术在金属局部腐蚀过程和金属腐蚀形貌分类识
２ 金属局部腐蚀过程研究
在金属腐蚀科学中,数字图像处理技术 最早应用于对金属点蚀的描述和评价。1981 年,D.Itzhak 等[2]用扫描仪直接扫描AISI 30 4不锈钢在10% Fecl3中50℃时浸泡20分钟产 生 的 腐 蚀 图 像 见 图 1,然 后 将 上 述 图 像 进 行 二值化处理,统计给出了整个试样表面不同 大 小 的 蚀 孔 数 量 ( 如 图 2)。由 图 2可 以 直 观 地 看出金属表面蚀孔面积与数量基本成反比, 并 定 量 计 算 出 了 试 样 的 点 蚀 率 为 9.73%,从 而清晰地表明了不锈钢的腐蚀程度。
别方面的研究进展,并结合自身课题提出了金属腐蚀图像数字处理技术在喷气燃料银片腐蚀等级自动识别中的应用。
关键词:金属腐蚀 腐蚀形貌 数字图像处理
中图分类号:TP39
文献标识码:A
文 章 编 号 :1007-9416(2010)11-0045-02
１ 前言
金属腐蚀图像数字处理就是将金属腐蚀 的图像信号转换成数字信号,并利用计算机 对其进行处理。最初判别金属腐蚀情况主要 依靠经验人员的肉眼观察,效率低下且主观 性 较 强 ,人 为 误 差 较 大 ,所 以 后 来 有 学 者 把 数字图像处理技术应用于金属腐蚀图像的 识别。最早把数字图像处理技术应用于金属 腐 蚀 领 域 是 在 上 世 纪 80年 代 初 期 ,计 算 机 数 字图像处理技术的迅速发展与提高,促进了 腐蚀与防护领域的研究方法与控制手段不 断 地 更 新 换 代 ,显 示 出 了 强 大 的 应 用 潜 力 [1]。 虽然数字图像处理技术在金属腐蚀科学中 的应用尚处于初级阶段,许多方面还在不断 地探索之中,但也取得了不少的研究成果。
３ 金属腐蚀形貌分类识别研究
Stefan等 [16]用 小 波 分 析 技 术 对 带 有 金 属 蚀孔和裂缝的腐蚀形貌图像进行了分析,然 后把图像进行二维小波变换后将原始图像 分解为各个子图像,分别提取他们的图像特 征 ,计 算 出 有 关 表 面 特 征 参 数 ,并 应 用 神 经 网络方法对腐蚀形貌进行了分类,取得了较 好的分类结果。
等 [13]运 用 自 行 设 计 的 原 位 图 像 采 集 装 置 ,采 用具有离子选择功能的光纤图像传感技术 研究了 Al-Cu 电偶对在 0.1mol/L Nacl缓 冲 溶 液 (pH=7.0)中 的 腐 蚀 过 程 。
孔 德 英 ,宋 诗 Baidu Nhomakorabea 等 [14]用 图 像 扫 描 方 法 采 集了模拟海洋环境条件下的碳钢、低合金钢 试片的腐蚀形貌图像,并通过灰色关联及试 片 的 腐 蚀 颜 色 、表 面 轮 廓 等 相 关 特 征,分析 了图像灰度值分布与试样单位面积平均腐 蚀 失 重 相 关 系 数 为 99.76%、与 局 部 腐 蚀 深 度 的 相 关 系 数 为 98.42%。另 外 ,他 们 还 采 用 线性拟合方法建立了扫描灰度值典型加权 与试样单位面积平均腐蚀失重间的关系模 型,较好地预测了金属材料单位面积平均腐 蚀失重,为控制金属腐蚀提供了良好的借鉴 作 用 。许 述 剑 、翁 永 基 [15]在 此 基 础 上 具 体 研 究了高原环境等恶劣条件下的腐蚀图像灰 度和实际腐蚀深度的相关性,获得的实验结 果清晰地显示出:不同环境下金属腐蚀图像 的灰度值与实际金属腐蚀深度、腐蚀速率均 具有良好的线性关系。
张 莉 等 [20]提 出 了 一 种 基 于 树 形 小 波 变 换的金属断口图像识别技术,该技术采用树 形小波对金属断口图像进行二级小波变换, 剔除近似分量,对其余的各个频带输出的标 准差作为断口识别的特征,并采用最小距离 分类法进行分类,将实验结果与颜云辉提出 的塔式小波方法分类结果进行了对比(见表 2)。表 2的 结 果 清 晰 地 显 示 ,利 用 树 形 小 波 识 别 金 属 断 口 图 像 ,准 确 率 明 显 提 高 ,特 别 是 对疲劳腐蚀形貌的识别率提高了30%,此方 法明显优于塔式小波识别。
４ 结语
从数字图像处理技术在腐蚀科学领域 中的发展应用来看,图像处理技术在腐蚀研 究 中 还 有 很 广 阔 的 发 展 空 间 ,所 以 ,在 今 后 的研究工作中将把该技术应用于喷气燃料 银片腐蚀等级自动识别技术中,对在喷气燃 料中发生银片腐蚀的各种图像进行自动识
图３ 点蚀断面几何形状分析测试图
苏 润 西 、宋 诗 哲[8]建 立 了 基 于 恒 电 位 的 原位图像采集系统和测试方法,设计了适合 于长焦距显微镜的电解池系统并进行图像 采 集 ,对 得 到 的 304不 锈 钢 恒 电 位 过 程 图 像 进 行 分 析 ,结 果 表 明 :在 蚀 孔 出 现 过 程 中 的 图像灰度变化与蚀孔产生与发展有直接关 系,当发生点蚀时,灰度值向小的方向移动, 灰度统计直方图上出现双峰;并通过分析电 化 学 原 理 ,从 测 试 参 数 与 图 像 信 息 发 现 ,点 蚀 发 生 率 η 与 反 应 消 耗 的 电 量 Q之 间 存 在 一 定 的 相 关 性 。王 守 琰 等 [12]在 此 基 础 上 进 一 步研究了电化学参量的变化和点蚀形貌图 像特征之间的关系,发现在恒电位过程中, 蚀孔面积随时间的延长线性增加,而腐蚀消 耗的电量则按幂函数的方式增长。
张 晓 庆 等 [17]应 用 不 确 定 性 纹 理 谱 ,使 用 最 小 距 离 分 类 器 , 对 等 轴 韧 窝 、拉 长 韧 窝 、解 理、疲劳和沿晶等典型金属腐蚀断口形貌进 行 了 识 别 ,识 别 正 确 率 达 91%。不 确 定 性 纹 理 谱 具 有 计 算 量 小 、方 向 无 关 性 等 优 点,只
图１ ３０４不锈钢在１０％ Ｆｅｃｌ３中５０℃时浸泡 ２０分钟产生的腐蚀图像
图２ ３０４不锈钢蚀孔的统计结果（１０％ Ｆｅｃｌ３、５０℃时浸泡２０ｍｉｎ）
Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 数字技术与应用
45
数字技术与应用
需对某一方向的断口形貌进行训练,就能正 确识别其他走向的金属腐蚀断口形貌。
图像分析是定性定量表征腐蚀破坏初 始阶段的有效工具[9],分 形 分 析 也 是 一 种 有 效 的 估 计 轻 微 腐 蚀 的 方 法 [10]。Kurose等 [11]通 过CCD相机观察纯铜应力腐蚀开裂过程,采 用图像分析技术分析了腐蚀裂纹的分布与 发展,认为分形维数是一种评价纯铜腐蚀开 裂阶段的有效方法。Jin等[12]求取了铝合金试 样表面SEM 图像的分形维数,认为分形维 数 与 由 腐 蚀 导 致 的 破 坏 和 疲 劳 有 关 。Sabine
Codaro等 [6]在 总 结 大 量 文 献 的 基 础 上 , 采用显微镜获得了铝合金和钛合金在不同 腐蚀条件下蚀孔剖面的腐蚀形貌图像,给出
了 描 述 点 蚀 断 面 形 状 的 测 试 图 (见 图 3),有 助于定义点蚀形状的分类参数AB=(蚀孔的 面积)/(包围蚀孔的最小矩形的面积)用于对 不 同 形 状 的 蚀 孔 进 行 分 类 和 定 量 描 述 。该 方 法也可以用于表征点蚀的发展过程。
别 ,科 学 地 给 出 它 们 的 腐 蚀 等 级 ,从 而 提 高 航空油料技术保障水平。
参考文献 [1] 宋诗哲.腐蚀电化学研究方法[M].北京:
化 学 工 业 出 版 社 ,1988. [2] D. Itzhak, I. Dinstein, T. Zilberberg.
Pitting corrosion evaluation by compute r image processing[J]. Corrosion Scienc e,1981,21:17-22. [3 ]G. N. Frantziskonis, L. B. Simon, J. Woo, et al. Multiscale characterization o f pitting corrosion and application to an aluminum alloy[J]. European Journal of Mechanics,A/Solids,2000,19(2):309-31 8. [4] G.N.Frantziskonis,L.B.Simon,J.Woo, et al. Characterization of pitting corros ion damage through multiscale analysis [J]. Proceedings of SPIE-The Internatio nal Society for Optical Engineering,199 9:48-58. [5] J.M.Costa,F.Sagues,M.Vilarrasa,Fracta l patterns from corrosion pitting[J]. Co rrosion Science,1991,32(516):665-66 8. [6] E.N.Codaro, R.Z.Nakazato,A.L.Hor ovistiz, et al. An image processing met hod for morphology characterization an d pitting corrosion evaluation[J].Materia ls Science and Engineering,2002,334:29 8-306. [7] M.J.Quin,M.G.Bailey,B.M.Ikeda,et a l. Image-analysis techniques for investig ating localized corrosion processes[J].Ato mic Energy of Canada Limited,AECL (R eport),1993:1-51. [8] 苏润西,宋诗哲.304不锈钢孔蚀过程原 位 图 象 采 集 与 分 析 [J].金 属 学 报 ,1998,3 4(9):966-970. [9] S.Journaux,C.Guillaumin,et al.Image an alysis of corrosion pit damage[J].Optical Engineering,1999,38(8):1312-1318.
颜 云 辉 等 [18]提 出 了 基 于 标 准 金 字 塔 结 构的小波变换技术,对金属腐蚀断口图像进 行 了 识 别 和 分 类 。随 后 ,在 此 基 础 上 ,又 利 用 神经网络基本原理设计了一种断口图像模 式 识 别 的 非 线 性 分 类 器 [19],对 几 种 典 型 的 金 属腐蚀断口图像进行了计算机实验研究,结 果 表 明 ,其 平 均 识 别 正 确 率 达 93.75%,若 单 独以能量作为特征值,其平均识别正确率高 达95%。这 种 识 别 方 法 能 对 纹 理 变 化 复 杂 、 规律性不强的金属腐蚀断口图像进行有效 识别,具有更好的适应性。
Frantziskonis等 用 [3,4] 光 干 涉 显 微 镜 研 究 了 2024铝 合 金 试 样 点 蚀 ,并 用 小 波 分 析 的 方 法研究了蚀孔的几何特征。J. M. Costa 等[5] 用分形几何概念研究了316不锈钢在人工海 水环境中阳极极化后的试样,使用光学显微 境采集试样的腐蚀图像,然后通过专用图像 软件分析了蚀孔的轮廓结构,并计算得到了 蚀 孔 剖 面 的 分 形 维 数 ,结 果 显 示 :随 着 计 算 步长的逐渐减小,蚀孔轮廓周长逐渐增大。
·应用研究·
数字技术与应用
金属腐蚀图像数字处理技术发展综述
费逸伟 1 彭彬 2 校云鹏 2 (1.徐州空军学院航空油料物资系 江苏徐州 221000; 2.徐州空军学院研究生管理大队 江苏徐州 221000)
摘 要:本文综述了数字图像处理技术在金属腐蚀领域中的发展应用,具体探讨了数字图像处理技术在金属局部腐蚀过程和金属腐蚀形貌分类识
２ 金属局部腐蚀过程研究
在金属腐蚀科学中,数字图像处理技术 最早应用于对金属点蚀的描述和评价。1981 年,D.Itzhak 等[2]用扫描仪直接扫描AISI 30 4不锈钢在10% Fecl3中50℃时浸泡20分钟产 生 的 腐 蚀 图 像 见 图 1,然 后 将 上 述 图 像 进 行 二值化处理,统计给出了整个试样表面不同 大 小 的 蚀 孔 数 量 ( 如 图 2)。由 图 2可 以 直 观 地 看出金属表面蚀孔面积与数量基本成反比, 并 定 量 计 算 出 了 试 样 的 点 蚀 率 为 9.73%,从 而清晰地表明了不锈钢的腐蚀程度。
别方面的研究进展,并结合自身课题提出了金属腐蚀图像数字处理技术在喷气燃料银片腐蚀等级自动识别中的应用。
关键词:金属腐蚀 腐蚀形貌 数字图像处理
中图分类号:TP39
文献标识码:A
文 章 编 号 :1007-9416(2010)11-0045-02
１ 前言
金属腐蚀图像数字处理就是将金属腐蚀 的图像信号转换成数字信号,并利用计算机 对其进行处理。最初判别金属腐蚀情况主要 依靠经验人员的肉眼观察,效率低下且主观 性 较 强 ,人 为 误 差 较 大 ,所 以 后 来 有 学 者 把 数字图像处理技术应用于金属腐蚀图像的 识别。最早把数字图像处理技术应用于金属 腐 蚀 领 域 是 在 上 世 纪 80年 代 初 期 ,计 算 机 数 字图像处理技术的迅速发展与提高,促进了 腐蚀与防护领域的研究方法与控制手段不 断 地 更 新 换 代 ,显 示 出 了 强 大 的 应 用 潜 力 [1]。 虽然数字图像处理技术在金属腐蚀科学中 的应用尚处于初级阶段,许多方面还在不断 地探索之中,但也取得了不少的研究成果。
３ 金属腐蚀形貌分类识别研究
Stefan等 [16]用 小 波 分 析 技 术 对 带 有 金 属 蚀孔和裂缝的腐蚀形貌图像进行了分析,然 后把图像进行二维小波变换后将原始图像 分解为各个子图像,分别提取他们的图像特 征 ,计 算 出 有 关 表 面 特 征 参 数 ,并 应 用 神 经 网络方法对腐蚀形貌进行了分类,取得了较 好的分类结果。
等 [13]运 用 自 行 设 计 的 原 位 图 像 采 集 装 置 ,采 用具有离子选择功能的光纤图像传感技术 研究了 Al-Cu 电偶对在 0.1mol/L Nacl缓 冲 溶 液 (pH=7.0)中 的 腐 蚀 过 程 。
孔 德 英 ,宋 诗 Baidu Nhomakorabea 等 [14]用 图 像 扫 描 方 法 采 集了模拟海洋环境条件下的碳钢、低合金钢 试片的腐蚀形貌图像,并通过灰色关联及试 片 的 腐 蚀 颜 色 、表 面 轮 廓 等 相 关 特 征,分析 了图像灰度值分布与试样单位面积平均腐 蚀 失 重 相 关 系 数 为 99.76%、与 局 部 腐 蚀 深 度 的 相 关 系 数 为 98.42%。另 外 ,他 们 还 采 用 线性拟合方法建立了扫描灰度值典型加权 与试样单位面积平均腐蚀失重间的关系模 型,较好地预测了金属材料单位面积平均腐 蚀失重,为控制金属腐蚀提供了良好的借鉴 作 用 。许 述 剑 、翁 永 基 [15]在 此 基 础 上 具 体 研 究了高原环境等恶劣条件下的腐蚀图像灰 度和实际腐蚀深度的相关性,获得的实验结 果清晰地显示出:不同环境下金属腐蚀图像 的灰度值与实际金属腐蚀深度、腐蚀速率均 具有良好的线性关系。
张 莉 等 [20]提 出 了 一 种 基 于 树 形 小 波 变 换的金属断口图像识别技术,该技术采用树 形小波对金属断口图像进行二级小波变换, 剔除近似分量,对其余的各个频带输出的标 准差作为断口识别的特征,并采用最小距离 分类法进行分类,将实验结果与颜云辉提出 的塔式小波方法分类结果进行了对比(见表 2)。表 2的 结 果 清 晰 地 显 示 ,利 用 树 形 小 波 识 别 金 属 断 口 图 像 ,准 确 率 明 显 提 高 ,特 别 是 对疲劳腐蚀形貌的识别率提高了30%,此方 法明显优于塔式小波识别。
４ 结语
从数字图像处理技术在腐蚀科学领域 中的发展应用来看,图像处理技术在腐蚀研 究 中 还 有 很 广 阔 的 发 展 空 间 ,所 以 ,在 今 后 的研究工作中将把该技术应用于喷气燃料 银片腐蚀等级自动识别技术中,对在喷气燃 料中发生银片腐蚀的各种图像进行自动识
图３ 点蚀断面几何形状分析测试图