Komputerowa Analiza Obrazu mgr inż. Marta Pelczar Wstęp   Ludzki zmysł wzroku przewyższa komputer w interpretacji obrazu oko rozróżnia do 70 poziomów szarości     Komputer - jednoznaczny w swoich decyzjach przyrządy rejestrujące obrazy rozróżniają.

Download Report

Transcript Komputerowa Analiza Obrazu mgr inż. Marta Pelczar Wstęp   Ludzki zmysł wzroku przewyższa komputer w interpretacji obrazu oko rozróżnia do 70 poziomów szarości     Komputer - jednoznaczny w swoich decyzjach przyrządy rejestrujące obrazy rozróżniają.

Slide 1

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 2

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 3

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 4

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 5

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 6

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 7

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 8

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 9

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 10

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 11

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 12

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 13

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 14

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 15

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 16

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 17

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 18

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 19

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 20

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 21

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 22

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 23

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 24

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 25

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 26

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 27

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 28

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 29

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 30

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 31

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 32

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 33

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 34

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 35

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 36

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 37

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 38

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 39

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 40

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 41

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 42

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 43

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 44

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 45

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 46

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 47

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 48

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 49

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 50

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 51

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 52

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 53

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 54

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 55

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 56

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 57

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 58

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 59

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 60

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 61

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 62

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 63

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 64

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 65

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 66

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 67

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 68

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 69

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 70

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 71

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 72

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 73

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 74

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 75

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 76

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 77

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 78

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 79

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 80

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 81

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 82

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 83

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 84

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 85

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 86

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 87

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 88

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 89

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 90

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 91

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 92

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 93

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 94

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 95

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 96

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97


Slide 97

Komputerowa Analiza
Obrazu

mgr inż. Marta Pelczar

Wstęp




Ludzki zmysł wzroku
przewyższa komputer w
interpretacji obrazu
oko rozróżnia do 70
poziomów szarości







Komputer - jednoznaczny w
swoich decyzjach
przyrządy rejestrujące obrazy
rozróżniają 256 lub więcej
poziomów szarości
komputer może przeprowadzić
pomiary ilościowe
pozwala wykryć i uwypuklić
elementy obrazu tak aby stały
się czytelne dla ludzkiego oka

2

Wstęp


Podczas analizy obrazu wykorzystuje się
wiele, często bardzo skomplikowanych i
abstrakcyjnych przekształceń,
niejednokrotnie powtarzanych wielokrotnie

3

Wstęp
analiza obrazu służy do wydobywania ze
zdjęć istotnych dla nas informacji
 obrazy, których użyjemy do analizy muszą
być bardzo dobrej jakości


4

http://lodd.p.lodz.pl/kwbd/kao.html

Zastosowania analizy obrazu








telewizja (komputerowo przetworzone zdjęcia
satelitarne powierzchni Ziemi - prezentowanie
pogody)
kartografia (te same zdjęcia służą
do sporządzania map)
film (np. komputerowo powiększa się ilość
statystów uczestniczących w filmowanej scenie)
plastyka (grafika użytkowa)

5

http://www.img-pan.krakow.pl/pracownicy/obara/image_analysis_pl.php

Zastosowania analizy obrazu






medycyna i biologia (automatyczna analiza i
rozpoznawanie obrazów mikroskopowych,
rentgenowskich, ultrasonograficznych,
komputerowej tomografii, ...)
laboratoria badawcze (obrazy
mikroskopowe, kontrola materiałów, kontrola
jakości wyrobów)
geodezja, kartografia i geografia (analiza
zdjęć lotniczych i satelitarnych)

6

Zastosowania analizy obrazu






astronomia i astrofizyka (analiza obrazów w
zakresie widmowym przekraczającym
możliwości ludzkiego wzroku, automatyczna
pre-klasyfikacja ciał niebieskich)
fizyka (polepszanie jakości obrazów
eksperymentów w fizyce plazmowej
i mikroskopii elektronowej)
komunikacja (wykrywanie obecności,
kierunku i natężenia ruchu pojazdów)

7

Zastosowania analizy obrazu








kryminalistyka (analiza odcisków palców,
wykrywanie w obrazie cech
i szczegółów nie rozróżnialnych ludzkim
wzrokiem)
archeologia (odtwarzanie zniszczonych
eksponatów)
wojskowość (kierowanie naprowadzeniem
inteligentnej broni
na cel)
automatyka i robotyka
rozrywka

8

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– podstawowe twierdzenie nauki
o materiałach mówi, że dwa materiały
o identycznej strukturze mają identyczne
własności, niezależnie od tego w jaki sposób
powstała ta struktura
– struktura wpływa na własności materiału
– sterując procesem technologicznym
możemy uzyskać materiał o potrzebnej
strukturze (własnościach)
– zmieniając strukturę możemy
zaprojektować zupełnie nowe materiały
9

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– badanie struktury podczas produkcji
umożliwia otrzymanie powtarzalnych
własności wytwarzanych materiałów
– aby praktycznie wykorzystać badania
strukturalne wyniki opisujemy przy pomocy
liczb
METODY STEREOLOGICZNE = ILOŚCIOWE
METODY OPISU STRUKTURY
– oceniając ilościowo strukturę można znaleźć
pewne i ścisłe zależności pomiędzy
strukturą, a parametrami procesu
technologicznego
10

Zastosowania analizy obrazu


w nauce o materiałach:
– w wykrywaniu zależności posługujemy się
metodami statystyki matematycznej opartej
o rachunek prawdopodobieństwa ze
względu na losową zmienność struktury
metali i stopów
– metody w pełni ilościowe to metody
stereometrycznej metalografii ilościowej
– metody te są pracochłonne jeżeli chodzi
o ilość pomiarów

11

Urządzenia odczytujące obraz






kamera CCD podłączona do karty akwizycji
obrazu (ang. Frame grabber)
kamera cyfrowa
cyfrowy aparat fotograficzny lub skaner
oddzielne zagadnienie stanowią układy
otrzymywania i rejestracji obrazów stosowane w
mikroskopii elektronowej
i tunelowej

12

Zapamiętywanie obrazu przez
komputer





potrzebna jest odpowiednio duża ilość pamięci
zależna od rozmiarów obrazu (wyrażona w ilości
punktów) oraz ilości bitów wykorzystywanych
do zakodowania barwy pojedynczego punktu
standardowy obraz z kamery CCD ma rozmiar
625 na 512 pkt, czyli 320 000 punktów
obraz czarno-biały o 256 stopniach szarości zapamiętanie 1 punktu zajmuje 1 bajt pamięci.
Zatem do zapamiętania takiego obrazu wystarcza
nam 312,5 kB

13

Przekształcenia obrazu






geometryczne (przesunięcia, obroty, odbicia
oraz zniekształcenia przypominające naciąganie
gumowej błony) korekcja błędów optyki
(beczkowatości lub poduszkowatości obrazu)
lub jako operacje pomocnicze (np. pomiary
średnicy pod różnymi kątami)
punktowe (poszczególne punkty obrazu są
modyfikowane niezależnie od tego jakich mają
sąsiadów za pomocą operacji logicznych,
arytmetycznych) wykorzystane np. do tworzenia
negatywu
filtry (przekształcenia których wynik zleży
od modyfikowanego punktu i jego otoczenia
a modyfikacja jest wykonywana zawsze)
14

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Stop metaliczny tworzą ziarna (krystality), rzadko
kiedy mające kształty geometryczne proste.
Ziarna podzielić można na bryły geometryczne
wypukłe (tzn. takie w których wszystkie odcinki
łączące dwa dowolne punkty bryły leżą w całości
wewnątrz jej objętości) i bryły ograniczone
powierzchniami nie spełniającymi wymienionego
warunku.

15

Parametry stereologiczne
struktury stopów


Przykładami brył wypukłych w stopach
metalicznych są: węgliki w stalach, grafit w
żeliwie sferoidalnym, fazy Ni3X w stopach niklu,
pory w materiałach spiekanych, ziarna w
metalach i stopach jednofazowych. Trudności w
ilościowym opisie trójwymiarowej budowy stopu
pochodzą stąd, że ze względu na
nieprzezroczystość stopu metalicznego, badania
jego budowy mogą być przeprowadzone jedynie
na płaskim przekroju stopu (szlifie
metalograficznym). Na szlifie widoczne są jednak
jedynie dwuwymiarowe przekroje
trójwymiarowych ziarn.
16

Parametry stereologiczne
struktury stopów




Nauka, której metody pozwalają na ilościowy opis
trójwymiarowych zbiorów brył za pomocą
pomiarów lub zliczeń przeprowadzonych na
dwuwymiarowych przekrojach tych zbiorów,
nazywa się stereologią, czyli stereometryczną
mikroskopią ilościową.
Silny rozwój stereologii obserwowany w ostatnich
latach jest spowodowany odkryciem ograniczonej
liczby ściśle zdefiniowanych wielkości
(parametrów stereologicznych) opisujących
przestrzenną budowę zbiorów brył, których
estymatory mogą być stosunkowo prosto
określone na płaskich przekrojach (szlifach) lub
rzutach tej budowy.
17

Objętość względna Vv


Gdy w obszarze R stopu mamy rozmieszczone
losowo k ziarn analizowanego składnika  stopu,
to przez objętość względną tego składnika
rozumiemy wielkość określoną w sposób
następujący:
k

V

i

Vv 




i 1

VR

gdzie:
Vi - objętość i-tego ziarna składnika ,
VB - objętość obszaru R.
18

Objętość względna Vv


Objętość względna przedstawia zatem objętość
fazy  w jednostce objętości stopu. Wyrażając VV
w procentach, otrzymujemy skład objętościowy
stopu. W badaniach kinetyki przemian
strukturalnych zmiana objętości względnej w
czasie jest zasadniczym i nieodzownym
wskaźnikiem ilościowego opisu przebiegu
procesu.

19

Metoda Cavalieriego


Bonawentura Cavalieri opracował metodę
pomiaru i porównywania ze sobą powierzchni
płaskich figur geometrycznych oraz objętości
brył. Płaskie figury geometryczne uważał on za
składające się z nieskończenie wielkiej liczby
równoległych odcinków, a bryły za składające się
z nieskończenie wielkiej liczby równoległych
płaszczyzn.

VV  AA  LL
20

Metoda Cavalieriego




% zawartość danej fazy w objętości stopu, na
płaszczyźnie szlifu i długości prostej jest ta sama.
W stopach rzeczywistych skład fazowy lub
strukturalny nie jest idealnie jednakowy w całej
badanej objętości, a próbki obserwowane pod
mikroskopem mają skończone wymiary. Przy
pomiarach powierzchni lub odcinków, mamy
zawsze do czynienia z fluktuacją mierzonych
wielkości, należy je uważać za statystycznie stałe.

21

Metoda Cavalieriego


Wniosek z zasady Cavalieri - Hacquerta leży u
podstaw metod służących do określenia objętości
względnej. Obecnie są w użyciu trzy metody:
– metoda planimetryczna,
– metoda liniowa,
– metoda punktowa.

22

Metoda Cavalieriego


Do określania średniej liczby płaskich ziarn NA na
powierzchni szlifu najczęściej są stosowane
następujące metody
– porównawcza,
– planimetryczna,
– punktów węzłowych,
– Jeffriesa.

23

Metoda porównawcza




Używa się do tego celu różnego rodzaju skal
standardowych opartych głównie na skali ASTM.
Metoda polega na porównywaniu obserwowanej
pod mikroskopem struktury ze skalą wzorców.
Związek między numerem G wzorca struktury, a
średnią powierzchnią ziarna a wyrażoną w m2
jest następujący:
a = 488,2  2(8-G)
Gdy struktura jest jednofazowa:
NA = 2048,2  2(8-G) tzn. NA = 8  2G
24

Wielkość ziarna dla G = 1 i G = 2

Wielkość ziarna dla G = 5 i G = 6

Wielkość ziarna dla G = 3 i G = 4

Wielkość ziarna dla G = 7 i G = 8

25

Metoda planimetryczna


Metodę planimetryczna opracował i po raz
pierwszy zastosował mineralog francuski Achilles
Ernest Delesse. Zgodnie z zasadą CavalieriegoHacquerta określanie objętościowego udziału
danej fazy w stopie (objętości względnej)
sprowadza się do zmierzenia powierzchni fazy na
zgładzie i następnie odniesienia do powierzchni
całego zgładu.

26

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby
pomiaru powierzchni analizowanej fazy:
– pomiar powierzchni poszczególnych
mikrocząstek za pomocą planimetru;
– określenie powierzchni zajętej przez badaną
fazę za pomocą drobnej, kwadratowej siatki
naciętej w okularze lub przeźroczystej płytce,
przy czym pomiar polega na policzeniu
kwadracików przypadających na powierzchnię
analizowanej fazy, a następnie odniesieniu tej
liczby kwadracików do liczby kwadracików całej
siatki;
27

Metoda planimetryczna


Stosowane są obecnie następujące sposoby pomiaru
powierzchni analizowanej fazy:
– indywidualny pomiar wymiarów przekrojów
mikrocząstek za pomocą okularu z podziałką
mikrometryczną z następnym obliczeniem
powierzchni każdego z przekrojów i ich
zsumowaniem; przyjmuje się przybliżone proste
geometrycznie kształty poszczególnych przekrojów
(koła, kwadraty, prostokąty itp.);
– pomiar powierzchni mikrocząstek różnymi
sposobami przeprowadzony na fotografiach;
metodą, która tutaj specjalnie się nadaje jest tzw.
metoda wagowa: polega ona na wycięciu
powierzchni analizowanego składnika z fotografii i
zważeniu; stosunek ciężarów wyciętych
powierzchni do ciężaru całkowitej powierzchni
fotografii określa udział badanego składnika w
stopie.
28

Schemat metody planimetrycznej oceny średniej powierzchni ziarna płaskiego.

29

Metoda Jeffriesa (metoda
zliczania ziarn)


Bardzo prostą metodę określania średniej liczby
płaskich ziam na powierzchni szlifu opracował
Jeffries. Niezbędne poprawki wprowadzone do tej
metody przez Sałtykowa, pozbawiają ją błędu
systematycznego. Metoda Jeffriesa poprawiona
przez Sałtykowa jest podstawową metodą służącą
do określania średniej liczby NA płaskich ziarn na
1 mm2 powierzchni. Metoda ta posiada dwa
warianty.

30

Metoda Jeffriesa (wariant I)


W pierwszym z nich na matówce mikroskopu lub
na fotografii mikrostruktury przy powiększeniu
100x wykreśla się okrąg o średnicy 79,8 mm,
wtedy powierzchnia okręgu A = 0,5 mm2.
Następnie oblicza się liczbę NW ziarn leżących
całkowicie wewnątrz okręgu, oraz liczbę Ni ziarn
przeciętych przez okrąg , po czym wyznacza się
całkowitą liczbę NT ziarn na powierzchni A
okręgu:
NT
NT = NW + 0,5 Ni,
a stąd N A 
A

31

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Po skorygowaniu metody przez Sałtykowa
poprawna zależność, wg której należy określać
NA, ma postać
NT = NW + kNi,



przy czym wartość współczynnika k dla ziarn
równoosiowych wynosi
d

k =0,5 4D
gdzie:
d - średnia średnica ziarna, D - średnica okręgu
pomiarowego.

32

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Rzeczywista powierzchnia szlifu ograniczona
okręgiem o średnicy 79,8 mm przy powiększeniu
100x jest równa 0,5 mm2, wobec czego liczba
ziarn przypadająca na 1 mm2 szlifu jest dwa razy
większa (NA = 2NT). Przy stosowaniu
powiększenia różnego od 100x, liczbę ziarn NA
określa się przez zależność
NA = 2(V/100) NT
gdzie: v - powiększenie liniowe mikroskopu.

33

Metoda Jeffriesa (wariant I)


Gdy nie tylko powiększenie różni się od 100x ale i
średnica okręgu wewnątrz którego przeprowadza
się obliczenia jest różna od 79,8 mm, to wtedy
liczbę NA ziarn na 1 mm2 szlifu określa się z
zależności

NA =

4  NT
πD

2

gdzie:
D - rzeczywista średnica okręgu, wewnątrz
którego przeprowadzana jest analiza w mm (po
uwzględnieniu powiększenia).

34

Schemat metody Jeffriesa wariant I.

35

Metoda Jeffriesa (wariant II)


W drugim wariancie metody Jeffriesa obliczenia
przeprowadza się na powierzchni kwadratu lub
prostokąta o znanej rzeczywistej powierzchni w
mm2 (po uwzględnieniu powiększenia
mikroskopu). Pozostałe czynności wykonuje się
podobnie jak w pierwszym wariancie.

36

Metoda Jeffriesa (wariant II)


Poprawna liczba ziarn znajdujących się wewnątrz
czworokąta pomiarowego wynosi: ziarna leżące
całkowicie wewnątrz czworokąta bierzemy ze
współczynnikiem 1, ziarna przecięte przez boki bez
ziarn narożnych ze wsp. 0,5, a ziarna narożne ze wsp.
0,25. Ponieważ ziarn narożnych jest zawsze 4, wobec
tego liczba ziarn na powierzchni czworokąta
pomiarowego równa jest
NT = NW + 0,5Ni + 1
gdzie:
NW - liczba ziarn leżąca całkowicie wewnątrz kwadratu
lub prostokąta, Ni - liczba ziarn przeciętych bokami
bez czterech ziarn narożnych.

37

Schemat metody Jeffriesa II wariant i metody punktów węzłowych.

38

Metoda punktów węzłowych




Metoda ta oparta jest na zależności między liczbą
punktów węzłowych (punktów styków ziarn) a
liczbą ziarn. Zależność ta wynika z dwóch
twierdzeń:
– liczba stykających się płaskich ziarn w
punktach węzłowych wynosi trzy,
– zastępując linie granic ziarn prostymi,
otrzymuje się układ wielokątów wypukłych.
Punkt węzłowy P jest śladem na płaszczyźnie
zgładu krawędzi trzech stykających się ziarn.

39

Metoda punktów węzłowych


Liczba punktów węzłowych na powierzchni A
wynosi P, a wokół każdego punktu węzłowego
mamy 3 kąty. Wobec tego liczba kątów na
powierzchni A szlifu równa jest 3P. Jednocześnie
ta liczba kątów jest równa
3P = 3n1 + 4n2 + 5n3 + ...

40

Metoda punktów węzłowych


ponieważ w trójkącie są trzy kąty, w czworokącie
cztery, w pięciokącie pięć, itp. Uwzględniając tę
zależność otrzymujemy

P = 2NT  NT = ½ P


Z powyższej równości widać, że liczba NT ziarn na
powierzchni A równa się połowie punktów
węzłowych P, znajdujących się na tej powierzchni.

41

Metoda punktów węzłowych


Stąd liczba NA ziarn na powierzchni 1 mm2:
NA 



NT
A

Gdy na powierzchni szlifu występują takie punkty
węzłowe, w których stykają się nie trzy, a cztery
ziarna, to należy takie punkty liczyć podwójnie,
ponieważ najprawdopodobniej w tych wypadkach
dwa punkty węzłowe są położone bardzo blisko
siebie (poniżej zdolności rozdzielczej
mikroskopu).

42

Program Sigma Scan Pro
w stereologii materiałów umożliwia
zastąpienie dużych urządzeń
do pomiarów stereologicznych typu
„Quantimet” komputerem
 umożliwia łatwo i z dużą dokładnością na
określenie parametrów opisujących
własności struktur


43

Opis programu Sigma Scan Pro








program służy do analizy obiektu na podstawie analizy jego
obrazu
umożliwia np. analizę zdigitalizowanego mikroskopowego
zdjęcia komórki czy zdjęcia satelitarnego pewnej
powierzchni, ustalenie struktury komórki, czy dokładnej
rzeźby terenu
dokonuje automatycznego zidentyfikowania, zliczenia i
pomiaru obiektów znajdujących się
na fotografii wprowadzonej jako mapa bitowa
do komputera
narzędzia przekształcające obraz poddany analizie,
ułatwiają jego analizę
język matematycznych transformacji, z ponad 50
funkcjami, instrukcjami warunkowymi, pozwala na
zautomatyzowanie procesu analizy

44

Chemia




pomiar wielkości,
kształtu
automatyczny
pomiar w kolumnie
statystycznej

45

Zdjęcie satelitarne




dokładne określenie
obszarów, odległości
podkreślanie
określonych
obszarów, tj. drogi,
zieleń

46

Nauki biologiczne




szybkie zliczanie
i mierzenie komórek,
organizmów
lub cech
zastosowanie
automatyzacji

47

Mikroskop elektronowy


dokładny pomiar
wielkości
i obszaru

48

Inżynieria




drukowanie projektu
płyty montażowej,
w analizie adnotacje
są upraszczane
ścisłe pozycje i związki
łatwiej mierzyć

49

Badania kontrolne


zastosowanie
kolorów
do obrazu
w kolorach szarości
znacznie ułatwia
diagnozę

50

Fizyka/ Astronomia



polepszanie jakości
obrazów
astrofizycznych
by łatwiej było
analizować dane
i by nadawały się do
prezentacji

51

Wymagania programu SSP 4 i 5








procesor 386, 33 Mhz
system operacyjny
Windows 3.1, 95, 98
4 MB RAM
karta graficzna VGA 256
kolorów pracująca w
rozdzielczości 640 x 480
8 MB wolnego miejsca na
dysku twardym










procesor Pentium
system Windows 95, 98, 2000
lub NT 4
16 MB RAM (64MB polecane)
monitor SVGA, minimalna
rozdzielczość 800x600 z 256
kolorami (True Color polecane)
15 MB wolnego miejsca na
twardym dysku

52

Instalacja

54

55

56

57

Okno programu

58

Okno programu
pasek tytułowy
pasek menu
pasek standardowy
pasek pomiarowy
pasek rysuj
pasek statusu

59

Okno programu
arkusz danych

okno wykresu

okno obrazu

okno statystyczne

60

Plik







Otwieranie
zapisywanie
pobieranie obrazów
informacja o obrazie
ustawienie właściwości

61

Właściwości


Opcje mierzenia:
– po linii krzywej
– po prostej

62

Edycja





cofanie
wycinanie,
kopiowanie, wklejanie,
czyszczenie
wycinanie, łączenie,
duplikowanie,
obracanie,
przerzucanie,
przywracanie

63

Widok




Przełączanie
pomiędzy:
– obrazem
– wykresem
– arkuszem danych
– kolumną
statystyczną
wyświetlanie pasków
narzędzi

64

Transformacje




poprawa kontrastu
filtry
konwersja do skali
szarości

65

Wyszukiwanie różnic

66

67

68

Kontrast


aby poprawić kontrast
należy najpierw
przeprowadzić
konwersję do skali
szarości

69

Pomiar




Wykonywanie
pomiarów :
– automatycznie
– ręcznie
kalibracja:
– intensywności
– odległości i
powierzchni

70

Narzędzia


definicja
intensywności –
zakładanie warstw

71

Wybór parametrów do obliczeń

72

Arkusz z wynikami obliczeń

73

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







otwarcie zdjęcia do analizy
wyskalowanie stopnia intensywności barw (menu
Measure / Calibrate Intensity)
wybór opcji 2 – punktowej kalibracji (polecenie
Image)
wybór 2 odmiennych punktów, w których
intensywność barw jest odmienna
wpisanie w pola Calibrated w kolumny Intensity 1
i Intensity 2 wartości takie jakie chcemy aby
odpowiadały tym punktom

74

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro


program przyjmie wartości domyślne dotyczące
kalibracji intesywności po zaznaczeniu pole 2 –
punktowej kalibracji i potwierdzeniu OK

75

Kalibracja intensywności

76

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro








kalibracja odległości (Measure / Calibrate Distance and
Area...)
wybór 2 – punktowej kalibracji
zaznaczenie znanej nam odległość na zdjęciu
wpisanie w polu New Distance jej wartości
wpisanie w polu X,Y and Distance Units odpowiedniej
jednostki odległości
wpisanie w polu Area Units odpowiedniej jednostki pola
powierzchni
przyjęcie domyślnych wartości odległości spowoduje
wykonanie obliczeń wg ilości pikseli na zdjęciu!

77

Kalibracja odległości i powierzchni

78

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro





wyszczególnienie
zakresu
intensywności
w badanej warstwie
menu Tools / Define by Intensity (Intensity
Treshhold)...
wybór kolor warstwy (4 warstwy: czerwona,
zielona, niebieska i żółta)
zaznaczanie pod histogramem intensywności
badany zakres

79

Nałożenie warstwy

80

Rozpoczęcie pracy z
SigmaScanPro







wykonywanie obliczeń (menu Measure / Measure
defined (Automatic Measurement)...)
wybór odpowiedniej warstwy
wybór parametrów do obliczeń
zliczenie ilości obiektów w warstwie (polecenie
Count)
pokazanie który obiekt znajduje się pod jakim
numerem polecenie Object Numbers
pokazanie najkrótszych i najdłuższych osi
obiektów polecenie Major/Minor Axes

81

Wybór parametrów do obliczeń

82

83

Przykład analizy

Sortowanie danych w arkuszu


zaznacz dane do sortowania:
– kolumnę
lub
– komórki (przynajmniej 2 wiersze)



menu Transform/Sort selection...
85

1. Otwórz obraz lub zeskanuj

86

2. Polepszanie obrazu

87

3. Obliczenia

88

4. Analiza

89

Przykład obliczeń
analiza wielkości byłego
ziarna austenitu

Analiza byłego ziarna austenitu






polega na pomiarze długości cięciw ziarn poprzez
generowanie losowe siecznych przecinających ok.
1000 ziarn na każdej próbce
na obrazie rysowano linie proste i ręcznie
(kursorem myszy) zaznaczano punkty przecięcia
linii z granicami ziarn
program mierzy automatycznie długości cięciw,
przypadających na poszczególne ziarna

91

92

Analiza byłego ziarna austenitu






średnią cięciwę ziarna lśr, wyrażoną w m
przelicza się na numer skali ASTM, GS, według
wzoru:
GS = 16,54 - 2,88 ln(lśr)
między innymi wielkość ziarna austenitu
ma wpływ na hartowność stali
im większe ziarno tym lepsza hartowność

Thart
870
n
[oC]
pr9 1014


lśr=średnia
[m]
10,705

s(lśr)=odch.stand. wariancja
5,763

33,214

GS
9,71

n - ilość cięciw
93

Analiza byłego ziarna austenitu







rozkład wielkości ziarn byłego austenitu jest
zgodny z rozkładem logarytmo-normalnym jeżeli
ziarno jest jednakowej wielkości
ziarno austenitu oprócz hartowności wpływa
na własności stali po hartowaniu
ze względu na odporność na pękanie ziarno
powinno być drobne i jednakowej wielkości
dlatego dalsza analiza ziarna polega na użyciu
programów takich jak Statistica czy Statgraphics
pozwalających określić rozkłady empiryczne
cięciw (histogramy)

94

Analiza byłego ziarna austenitu
rozkład empiryczny cięciw (histogram) zgodny
z rozkładem logarytmo-normalnym wyznaczony
za pomocą programu Statisatica:
p r ó b ka 9 - 8 7 0
y = 1 0 1 4 * 2 ,6 3 4 * lo g n o r m ( x; 2 ,2 3 2 8 3 4 ; 0 ,5 3 1 8 3 )
25%

232

223

20%
164

15%
f [% ]



10%

101
86

82
53

5%

33
17

11

5

6

0%
1 ,8 4

7 ,1 1
4 ,4 7

1 2 ,3 8
9 ,7 4

1 7 ,6 4
1 5 ,0 0

2 2 ,9 1
2 0 ,2 8

2 8 ,1 8
2 5 ,5 5

0

0

3 3 ,4 5
3 0 ,8 1

1

3 8 ,7 2
3 6 ,0 8

4 1 ,3 5

l [u m ]

95

Literatura:
Wacław Różański „Ćwiczenia z
metaloznawstwa cz. I”,
 Jerzy Ryś „Stereologia materiałów”,
 Jerzy Ryś „Metalografia ilościowa”.


96

97