Компьютерная металлография

№ 621

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра металловедения и физики прочности

Ю.А. Крупин
В.Г. Сухова

Компьютерная
металлография

Лабораторный практикум

Допущено учебнометодическим объединением по
образованию в области металлургии в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению Металлургия

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 620.18:004.9 
 
К84 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. В.Л. Столяров 

Крупин Ю.А., Сухова В.Г. 
К84  
Компьютерная металлография: Лаб. практикум. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2009. – 87 с. 

Лабораторный практикум предназначен для изучения методов обработки 
двухмерных изображений макро- и микроструктур и трехмерных поверхностей (изломов, трения, спекания и т.д.). Используемые пакеты программ ImageExpert Pro 2 и ImageExpert Pro 3 выполнены как 32-битное приложение 
ОС Windows, работающее под управлением ОС Windows 9х/NT/2000/XP и 
полностью совместимое с другими приложениям ОС Windows. 
Практикум базируется на сочетании двух областей знаний: металлографии и компьютерной графики. В процессе выполнения работ, студенты приобретут инструментальные и профессиональные компетенции анализа структур средствами современных информационных технологий как для научных 
исследований, так и в практике массовой оценки качества материалов по 
структуре на производстве в соответствии с требованиями стандартов. 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям «Физика» – 
в бакалавриате, «Прикладная информатика» и «Физика металлов» – в специалитете, «Металлургия» – в магистратуре. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение................................................................................................4 
Часть 1. Приобретение навыков работы с изображениями  
в программе ImageExpert Pro 2.......................................................11 
Лабораторная работа 1. Работа с изображениями  
в программе ImageExpert Pro 2 .......................................................12 
Лабораторная работа 2. Приемы редактирования 
изображения........................................................................................19 
Лабораторная работа 3. Методы обработки и анализа 
изображений........................................................................................26 
Лабораторная работа 4. Методы фильтрации изображений...........34 
Лабораторная работа 5. Набор инструментов для получения 
количественной информации ............................................................41 
Лабораторная работа 6. Статистическая обработка 
результатов измерений и подготовка отчета ...................................47 
Лабораторная работа 7. Групповая обработка изображений 
по схеме ...............................................................................................51 
Часть 2. Работа с российскими  и зарубежными стандартами 
в программе ImageExpert Pro 3.......................................................55 
Лабораторная работа 8. Работа с изображениями в 
программе ImageExpert Pro 3 ..........................................................56 
Лабораторная работа 9. Обработка изображений чугуна и 
анализ графитовых включений в соответствии со стандартом 
ASTM A-536 (Graphite) ......................................................................69 
Лабораторная работа 10. Анализ неметаллических 
включений в соответствии с ГОСТ 1778–70....................................74 
Лабораторная работа 11. Обработка изображений зеренной 
структуры и определение балла зерна в соответствии  
с ГОСТ 5639–82 ..................................................................................78 
Библиографический список...............................................................86 
 

Введение 

Система анализа изображений 

Развитие вычислительной техники и аппаратуры сбора данных 
позволило перейти от визуальной оценки наблюдаемой в микроскоп 
картинки к количественным методам анализа структур. Компьютерная обработка предоставляет возможность объективного измерения 
качества материалов, что в итоге повышает конкурентоспособность 
конечной продукции. 
Система анализа изображений составлена из компонентов, уже 
имеющихся практически в любой лаборатории и требующих минимальных затрат на их сопряжение. Типичная система анализа изображений состоит из микроскопа, цифровой видеокамеры, компьютера с видеовходом и специального программного обеспечения для 
захвата и анализа полученных изображений. 
Выбор микроскопа определяется в первую очередь типом решаемых задач. Для металлографии необходим отражающий микроскоп, а 
для медицины и биологии − просвечивающий. При этом для металлографических задач наиболее удобен инвертированный микроскоп: 
при нижнем расположении объектива нет ограничений на высоту 
образца, и достаточно подготовить только одну рабочую поверхность. Если микроскоп не имеет порта для подключения видеокамеры, понадобится переходник для установки камеры на место окуляра. 
Для получения изображений могут быть использованы цифровая 
видеокамера или цифровой фотоаппарат. Принципиальное различие 
в том, что цифровой фотоаппарат всегда поставляется со встроенной 
оптикой и предназначен для сохранения одиночных кадров большого 
разрешения (до 12 мегапикселей (миллионов точек) в настоящее время), а цифровая ССD-видеокамера служит для получения потокового 
видео относительно небольшого разрешения (0,5 мегапикселей). 
Большое разрешение важно для качества печати и получения фотографий мелкодисперсных структур без эффекта Муара, но оно увеличивает время численного анализа, а картинка с разрешением более 
чем 2000 × 2000 точек физически может быть отображена не на всех 
мониторах один к одному, что затрудняет контроль. В цифровой фотокамере в мобильном варианте комплекса анализа изображений 
достаточно 2,0…1,3 мегапикселей. В ней должен без особого труда 

извлекаться встроенный объектив для замены на адаптер камераокуляр. Она должна подключаться к портативному компьютеру через 
USB-интерфейс, питаться через этот порт, иметь TWAIN-драйвер 
для контроля, съемки и перекачки изображений непосредственно в 
программу анализа изображений. 
Телекамера для системы анализа изображений оптимальна без 
встроенной оптики, с разрешением от 500 телевизионных линий, с 
возможностью отключения автоматики, наличием S-VHS видеоразъема для уменьшения перекрёстных помех (цветные камеры), широким динамическим диапазоном электронного регулирования экспозиции. 
Специальных требований к комплектации компьютера не накладывается, за исключением видеозахвата. Обычно бывает достаточно 
компьютера средней производительности. 
В качестве видеовхода возможно использование одного из вариантов: устройства видеовхода, дополнительного к стандартному видеоадаптеру или видеоадаптера, совмещающего в себе помимо стандартных возможностей 2D и 3D графики также и возможности видеовхода и видеовыхода. Современный рынок позиционирует комбинированные устройства как класс DELUX, комбинируя видеовход 
с мощными и дорогими видеоадаптерами. Предпочтительнее использовать недорогие узкоспециализированные карты видеозахвата, обладающие такими же свойствами. 

Телевизионная камера 

Для работы платы видеозахвата с телевизионной камерой требуется корректно установить источник видеосигнала (Composite или SVideo в зависимости от типа камеры и платы захвата), телевизионный стандарт и размер кадра. Большинство цветных телекамер работает по стандарту PAL (Западная Европа), реже в стандартах NTSC 
(Северная Америка и Япония) или SECAM (Франция и Россия). Неправильный выбор стандарта может проявляться в отсутствии цвета 
или нарушении синхронизации изображения. Для наилучшего качества сохраняемых изображений целесообразно устанавливать разрешение при съёмке близкое к реальному разрешению камеры. Для 
стандарта PAL оно составляет 768 × 576 точек, при этом соотношение сторон кадра 4:3 обеспечивает минимум геометрических искажений. 

При использовании видеокамер с аналоговым телевизионным выходом настоятельно рекомендуется использовать платы видеозахвата 
со стандартными WDM-драйверами, основанными на микросхемах 
серии BT878. В качестве примера можно привести модель EZ Capture 
от компаний-производителей AverMedia и FlyVideo. 

Видеокамера 

Неоспоримые преимущества цифровых видеокамер – возможность записи как видеопоследовательности, так и отдельных снимков, оптимальное для численного анализа разрешение и невысокая 
цена, объясняемая отсутствием ненужных приспособлений и аксессуаров, и, наконец, возможность их лёгкой инсталляции на любые 
микроскопы без какой-либо дополнительной оптики. 
Современные цифровые видеокамеры оснащаются мощными 
встроенными цифровыми процессорами для обработки цветности, 
компенсации засветки, регулировки уровня белого и т.д. Видеопоток, 
принятый малошумящими ПЗС-преобразователями и обработанный 
DSP-процессорами, кодируется в определённый стандарт видеосигнала (PAL или NTSC) и подаётся в компьютер для дальнейшего анализа. 

Фотокамера 

Главное преимущество цифровых фотокамер для систем анализа 
изображений – мобильность и энергонезависимость. Для сбора информации в цехе и на выезде существует возможность создания полностью мобильных систем анализа изображений, состоящих из портативного компьютера и цифрового фотоаппарата. Нет необходимости приобретать устройство видеоввода в компьютер, так как у всех 
современных фотокамер есть USB-кабель для быстрой перекачки 
изображений в компьютер. 
Главное препятствие – трудность сопряжения цифровой фототехники с микроскопами. В старых микроскопах нет специальных портов, а у большинства цифровых фотокамер несменный объектив и 
нет резьбы для дополнительных фильтров. Необходим переходной 
тубус, качество оптики и точность настройки которого могут свести 
на нет все преимущества камеры и микроскопа, а применение кустарных адаптеров приводит к необходимости дополнительной настройки резкости изображения на экране компьютера. 

Если на фотоаппарате не используется режим ручной фокусировки, 
то наиболее существенная с точки зрения пользователя проблема использования фотокамеры для анализа изображений – это невозможность начальной калибровки комплекса на весь период эксплуатации 
(как это делают в системах с телекамерами). В общее увеличение системы входит собственное увеличение фотоаппарата (ZOOM) – плавно 
варьируемое без фиксированных предустановок. При выключении 
аппарата или долгом бездействии объектив возвращается в исходное 
положение. Это означает, что калибровку комплекса придётся производить при каждом включении аппарата, равно как и при смене увеличения. 
Поэтому целесообразнее при работе на микроскопе использовать 
теле- или видеокамеры, если их разрешения достаточно для получения фотографий. 

Использование TWAIN устройств 

Получать изображения можно также с различных устройств, поддерживающих технологию TWAIN. Это большинство настольных 
сканеров (что позволяет вводить изображения с печатных фотографий), большинство web-камер, некоторые цифровые зеркальные фотоаппараты (Canon EOS) и специализированные цифровые камеры 
(Leica DFC). 

Минимальные требования к 
производительности компьютера 

1. Разрешение видеосистемы – не ниже 1024 × 768 точек; 
2. Глубина цвета – не ниже 16 бит на точку (режимы High / True 
Color); 
3. Оперативная память – не менее 128 Мбайт (для ОС Windows 
2000/XP не менее 256 Мбайт); 
4. Процессор – AMD / Intel с частотой не менее 800 МГц; 
5. Операционная система – не ниже Windows 98 SE; 
6. Мультимедийная библиотека – DirectX не ниже версии 8.1; 
7. Текстовый редактор – Microsoft Office Word версии 2000 или 
выше; 
8. Наличие USB-порта; 
9. Ёмкость жесткого диска от 40 Гб (определяется предполагаемым объёмом сохраняемой информации); 
10. CD-R / RW привод. 

Размер установленной физической оперативной памяти должен в 
два раза превосходить размер загруженных в программу изображений в формате *.bmp. Из-за конструктивных особенностей операционных систем недостаток памяти в ОС Windows 98 сделает работу с 
изображением невозможным, в то время как недостаток памяти в ОС 
Windows NT/2000/XP лишь резко замедлит обработку (из-за использования файла подкачки). Ограничения по объему жёсткого диска 
зависят от объема хранения изображений. 
Применение цифровых видеокамер потребует наличия высокоскоростных портов USB 2.0 или FireWire. Требования к минимальным аппаратным ресурсам компьютера в этом случае возрастают в 
два раза. Если планируется цифровая запись со сжатием видеопотока в режиме реального времени, потребуется процессор с высокой производительностью класса AMD Athlon 64 или Intel Pentium 4. 
Предлагаемым требованиям соответствует множество конфигураций компьютеров. 

Пакеты программ для количественного анализа 

После получения изображения в цифровом виде требуется количественный анализ. В программах обработки художественных фотографий, например Adobe PhotoShop, задача – улучшить субъективное 
восприятие. Задача графических анализаторов для науки и техники – 
объективность обработки с сохранением подлинности изображения. 
Даже просто для представления фотографии структуры в отчете или 
публикации допускается лишь единообразная обработка всего кадра 
целиком. Любая «прорисовка» части кадра считается фальсификацией 
(что в США после обнаружения в журнале привело к «закрытию» некоторого открытия в микробиологии с лишением авторов ученых степеней). Универсальные математические пакеты (MathCad, MathLab и 
Maple) делают некоторые стандартные преобразования и измерения 
изображений. Специализированные по классу объектов графические 
анализаторы изображений объединяют большее количество «фотографических» и математических процедур. 
Первое, что должны делать эти программы – осуществлять видео- и 
фотозахват и сохранять изображение на жестком диске компьютера. 
Второе − проводить предварительную фотографическую обработку изображения: нормализацию яркости, контраста и коррекции цветов. В этом фотографические программы, такие как Adobe 

PhotoShop, и графические анализаторы схожи. Изображение приводится к допустимому виду с минимальной потерей информации. 
Третье требование к количественному анализатору − устранять 
основные дефекты пробоподготовки и получения изображения (царапины, пыль, блики, шумы электромагнитной наводки). Для этого 
используются качественные и спектральные фильтры, а также операции свёртки. Они сглаживают шумы и дефекты исходных изображений, подчёркивают границы. В частности от дефектов можно избавиться с помощью геометрических фильтров (например, устранить 
из подсчетов царапины шлифа). 
Четвертое требование − выделять на исходном цветном изображении отдельным цветом требуемые объекты. Это процедуры сегментации по цвету и бинаризации. Преобразование полноцветного 
или серого изображения в чёрно-белое: все точки с яркостью выше 
заданного порога окрашиваются белым, остальные – чёрным. 
Общематематические пакеты обработки изображений (MathCad, 
MathLab и Maple) содержат стандартный набор приемов (фильтрация, свёртка, бинаризация). Прикладные пакеты обработки изображений отличаются от них набором дальнейших процедур выделения 
объектов с заданными геометрическими свойствами, например, выделение границы частицы заданной формы, размера, ориентировки, и 
морфологическими фильтрами, которые разделяют слипшиеся частицы, утончают «в нитку» границы, соединяют разорванные границы, исключают объекты, срезанные краем кадра. После этого программы выдают количественные характеристики элементов структуры, накапливают и обрабатывают их многомерную статистику, группируют по базам, сопоставляют кадры между собой и с заданными 
нормами. А также формируют отчет, экспортируя все результаты 
количественного анализа, включая анализируемые изображения и 
текстовые комментарии в текстовый редактор, например в Microsoft 
Office Word. 
Пакет ImageExpert Pro – пакет прикладных программ обработки 
изображения макро- и микроструктур материалов и исходных продуктов их производства. Помимо фотографических и общематематических процедур он содержит процедуры для геометрического и 
морфологического анализа, процедуры измерения объектов и стандартизированные (в ГОСТ, ISO, ASTM, DIM, GJS) методы анализа 
структур. Эта программа входит в состав аппаратно-программного 
комплекса на базе современных микроскопов известных производителей (ЛОМО, Zeiss, Leica и т.д.). Так же она может входить в стан