一種自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法，該方法包括以下步驟：(1)圖像讀?。?2)灰度圖像二值化處理；(3)用濾波方法自動(dòng)去除制樣缺陷；(4)計(jì)算未水化水泥熟料的面積。當(dāng)圖像數(shù)量較多時(shí)，采用批量處理的方法。首先，將全部圖像文件進(jìn)行規(guī)范化命名，然后，按照步驟(1)和(2)將原始灰度圖像逐一轉(zhuǎn)化為二值圖像，最后，循環(huán)執(zhí)行步驟(3)和(4)，自動(dòng)去除全部圖像的制樣缺陷，同時(shí)輸出每張圖中未水化熟料顆粒面積的計(jì)算結(jié)果。本發(fā)明所述的圖像處理方法可以為背散射電子圖像的后期處理節(jié)約時(shí)間，避免人工操作標(biāo)準(zhǔn)不一致所產(chǎn)生的誤差。
【專利說明】一種自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料分析領(lǐng)域，尤其涉及一種自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)研究中，背散射電子圖像是一種非常有效的微觀測(cè)試手段。大量研究表明，用它進(jìn)行反應(yīng)進(jìn)程、界面特征、水化產(chǎn)物的物相組成及其形態(tài)與分布、孔結(jié)構(gòu)特征等多項(xiàng)指標(biāo)的觀測(cè)都是卓有成效的。目前，這項(xiàng)技術(shù)最主要的應(yīng)用在于測(cè)定水泥漿體中熟料的水化程度。
[0003]然而，背散射電子圖像以樣品剖面為觀測(cè)對(duì)象，因此，所用的樣品需要經(jīng)過環(huán)氧樹脂鑲嵌、不同粒級(jí)的砂紙和拋光液的研磨、拋光等多道工序加以處理，制樣過程十分繁瑣。由于水泥漿體是多相、非均質(zhì)材料，內(nèi)部還含有為數(shù)不少的孔隙，加之水膠比、齡期、輔助膠凝材料的種類及其摻量等多種因素都會(huì)影響漿體的硬度以及微觀結(jié)構(gòu)的致密程度，因此，其制樣工藝需要根據(jù)樣品特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，不能一成不變。但是，磨拋機(jī)的壓力、轉(zhuǎn)速、研磨時(shí)間、研磨介質(zhì)的用法、用量等諸多因素都會(huì)對(duì)磨拋效果產(chǎn)生影響，因此，操作人員往往在樣品制備環(huán)節(jié)耗費(fèi)了大量時(shí)間之后，得到的圖像仍然是帶有一些瑕疵的。其中，比較常見的是在熟料顆粒上存在一些細(xì)小的凹坑或者劃痕。
[0004]如果用這種帶有制樣缺陷的圖像計(jì)算水化程度，會(huì)造成計(jì)算結(jié)果偏高。解決這一問題的傳統(tǒng)做法是，將背散射電子圖像二值化之后，由操作人員借助專業(yè)的圖像處理軟件，根據(jù)材料學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，人工去除熟料顆粒上殘留的瑕疵。但是，這種做法不僅處理速度慢，而且還會(huì)因?yàn)椴僮魅藛T的判斷標(biāo)準(zhǔn)不一致而帶來誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法，它能夠?qū)λ酀{體背散射電子圖像的二值化結(jié)果進(jìn)行圖像分析，自動(dòng)識(shí)別并去除其中存在的劃痕、點(diǎn)蝕、凹坑等制樣缺陷。采用圖像法計(jì)算水泥水化程度時(shí)，將該方法納入其中，可以為背散射電子圖像的后期處理節(jié)約時(shí)間，避免人工操作標(biāo)準(zhǔn)不一致所產(chǎn)生的誤差，而且還可以擺脫圖像修復(fù)階段對(duì)專業(yè)圖像處理軟件的依賴。
[0006]本發(fā)明提出的自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法，具體步驟如下:
(1)圖像讀取:采用Photoshop、Matlab或VisualC++等軟件,讀取水泥衆(zhòng)體原始背散射電子圖像的有效觀測(cè)區(qū)域；
(2)灰度圖像二值化處理:計(jì)算出步驟(I)所得有效觀測(cè)區(qū)域的灰度直方圖，
根據(jù)其灰度分布特點(diǎn)，結(jié)合原始背散射電子圖像特征，人工設(shè)定灰度閾值，對(duì)有效觀測(cè)
區(qū)域進(jìn)行二值化處理，形成黑白圖像，其中白色區(qū)域?yàn)槲此乃嗍炝项w粒，黑色區(qū)域?yàn)榄h(huán)氧樹脂、水化產(chǎn)物、孔隙和制樣缺陷等； (3)用濾波方法自動(dòng)去除制樣缺陷:根據(jù)黑白圖像的放大倍數(shù)，選擇濾波模板的像素區(qū)域，在待處理的黑白圖像中逐點(diǎn)地移動(dòng)濾波模板，將每一點(diǎn)(x，y)處的取值轉(zhuǎn)變?yōu)闉V波模板覆蓋像素區(qū)域內(nèi)所占比例最高的物相，由此去除大面積白色區(qū)域中殘留的黑色孤立像素，即熟料中殘留的制樣缺陷，以及大片黑色區(qū)域中殘留的白色孤立像素，即通常是灰度圖像二值化時(shí)由于灰度閾值設(shè)定偏低而產(chǎn)生的熟料噪聲信號(hào)；
(4)計(jì)算未水化水泥熟料的面積:對(duì)步驟(3)所得的經(jīng)過濾波后的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其中白色區(qū)域的像素總數(shù)，即為未水化水泥熟料顆粒的總面積。
[0007]本發(fā)明中，步驟(3)中所述濾波模板的像素區(qū)域通常是3X3、5X5或7X7等尺寸的像素區(qū)域。
[0008]在本發(fā)明中，當(dāng)需要處理的原始背散射電子圖像數(shù)量較多時(shí)，采用批量處理的方法對(duì)多張圖像進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)一步提高圖像處理效率。在這種情況下，本發(fā)明還可以通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn):首先，將全部圖像文件進(jìn)行規(guī)范化命名，然后，按照步驟(I)和(2)將原始灰度圖像逐一轉(zhuǎn)化為二值化的黑白圖像，最后，循環(huán)調(diào)用步驟(3)和(4)，自動(dòng)去除全部圖像的制樣缺陷，同時(shí)輸出每張圖像中未水化水泥熟料顆粒面積的計(jì)算結(jié)果。
[0009]與傳統(tǒng)的背散射電子圖像缺陷去除方法相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
(1)去除圖像缺陷的途徑:通過濾波程序，對(duì)二值圖像中熟料顆粒上殘存的制樣缺陷進(jìn)行自動(dòng)濾波，這可以提高圖像處理速度，并且避免人工操作中因缺陷判斷標(biāo)準(zhǔn)不一致而產(chǎn)生的誤差，此外還可以擺脫對(duì)專業(yè)圖像處理軟件的依賴；
(2)批量處理多張圖像:當(dāng)需要處理的原始背散射電子圖像數(shù)量較多時(shí)，采用批量處理的方法對(duì)多張二值化的黑白圖像進(jìn)行統(tǒng)一處理，并將未水化熟料顆粒殘核的面積匯總、輸出，這可以顯著提高圖像處理效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是實(shí)施例1中硅酸鹽水泥水化Id的背散射電子圖像(w/c=0.3，圖像放大倍數(shù)為500倍)。
[0011]圖2是實(shí)施例1中圖1所示背散射電子圖像的灰度直方圖。
[0012]圖3是實(shí)施例1中圖1所示背散射電子圖像的二值化處理結(jié)果。
[0013]圖4是實(shí)施例1中圖3所示二值化圖像的濾波結(jié)果。
[0014]圖5是實(shí)施例2中硅酸鹽水泥水化90d的背散射電子圖像(w/c=0.3，圖像放大倍數(shù)為4000倍)。
[0015]圖6是實(shí)施例2中圖5所不背散射電子圖像的灰度直方圖。
[0016]圖7是實(shí)施例2中圖5所示背散射電子圖像的二值化處理結(jié)果。
[0017]圖8是實(shí)施例2中圖7所示二值化圖像的濾波結(jié)果。
[0018]圖9是實(shí)施例3中粉煤灰水泥水化Id的背散射電子圖像(w/c=0.3，圖像放大倍數(shù)為500倍)。
[0019]圖10是實(shí)施例3中圖9所不背散射電子圖像的灰度直方圖。
[0020]圖11是實(shí)施例3中圖9所示背散射電子圖像的二值化處理結(jié)果。
[0021]圖12是實(shí)施例3中圖11所示二值化圖像的濾波結(jié)果。
[0022]圖13是濾波方法的流程圖。[0023]其中:f(x，y):黑白圖像中每個(gè)像素的原始灰度值，取值為O或I ; fmax:模板覆蓋區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)幾率最高的物相，取值為O或I ;
g(x，y):濾波后圖像中每一像素(x，y)的數(shù)值，取值為O或I。
[0024]在上述圖像中，O代表黑色，可能是環(huán)氧樹脂、水化產(chǎn)物、孔隙、制樣缺陷等；1代表白色，是未水化的水泥熟料顆粒。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0026]實(shí)施例1
用背散射電子圖像研究一種硅酸鹽水泥在0.3水灰比下水化Id的水化程度，圖像放大倍數(shù)為500倍。在個(gè)別圖像中，熟料顆粒上存在一些微小的凹坑以及褶皺狀的缺陷。對(duì)于帶有此類缺陷的圖像，可以按照以下步驟進(jìn)行處理:
(1)圖像讀取:用Matlab軟件讀取水泥漿體原始背散射電子圖像的有效觀測(cè)區(qū)域(1024X884 像素)；
(2)灰度圖像二值化處理:計(jì)算出步驟(I)所得有效觀測(cè)區(qū)域的灰度直方圖，根據(jù)其灰度分布特點(diǎn)，結(jié)合原始背散射電子圖像特征，將灰度閾值設(shè)為130，然后用這一閾值對(duì)有效觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行二值化處理，形成黑白圖像，其中白色區(qū)域?yàn)槲此乃嗍炝项w粒；
(3)用濾波方法自動(dòng)去除制樣缺陷:讀取步驟(2)所得的黑白圖像，以5X5的像素區(qū)域?yàn)闉V波模板，在待處理的黑白圖像中逐點(diǎn)地移動(dòng)模板，將每一點(diǎn)(x，y)處的取值轉(zhuǎn)變?yōu)槟０甯采w的25個(gè)像素中所占比例最高的物相，由此去除熟料顆粒上殘留的制樣缺陷；
(4)計(jì)算未水化水泥熟料的面積:對(duì)步驟(3)所得的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其中白色區(qū)域的像素總數(shù)，即為未水化水泥熟料顆粒的總面積。
[0027]實(shí)施例2
用背散射電子圖像研究一種硅酸鹽水泥在0.3水灰比下水化90d后漿體的水化程度以及孔結(jié)構(gòu)特征，圖像放大倍數(shù)為4000倍。拍攝過程中發(fā)現(xiàn)，在少數(shù)圖像中熟料顆粒上存在明顯的劃痕，因此，按照以下步驟處理這些缺陷:
(1)圖像讀取:用Matlab軟件讀取水泥漿體原始背散射電子圖像的有效觀測(cè)區(qū)域(1024X884 像素)；
(2)灰度圖像二值化處理:計(jì)算出步驟(I)所得有效觀測(cè)區(qū)域的灰度直方圖，根據(jù)其灰度分布特點(diǎn)，結(jié)合原始背散射電子圖像特征，將灰度閾值設(shè)為115，然后用這一閾值對(duì)有效觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行二值化處理，形成黑白圖像，其中白色區(qū)域?yàn)槲此乃嗍炝项w粒；
(3)用濾波方法自動(dòng)去除制樣缺陷:讀取步驟(2)所得的黑白圖像，以7X7的像素區(qū)域?yàn)闉V波模板，在待處理的黑白圖像中逐點(diǎn)地移動(dòng)模板，將每一點(diǎn)(x，y)處的取值轉(zhuǎn)變?yōu)槟０甯采w的49個(gè)像素中所占比例最高的物相，由此去除熟料顆粒上殘留的制樣缺陷；
(4)計(jì)算未水化水泥熟料的面積:對(duì)步驟(3)所得的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其中白色區(qū)域的像素總數(shù)，即為未水化水泥熟料顆粒的總面積。
[0028]實(shí)施例3
用背散射電子圖像研究一種粉煤灰水泥在0.3水膠比下水化Id后熟料的水化程度，圖像放大倍數(shù)為500倍。拍攝過程中發(fā)現(xiàn)，部分圖像中熟料顆粒上存在微小凹坑以及褶皺狀的缺陷，對(duì)于這些圖像，可以按照以下步驟進(jìn)行處理:
(1)圖像讀取:用Matlab軟件讀取水泥漿體原始背散射電子圖像的有效觀測(cè)區(qū)域(1024X884 像素)；
(2)灰度圖像二值化處理:計(jì)算出步驟(I)所得有效觀測(cè)區(qū)域的灰度直方圖，根據(jù)其灰度分布特點(diǎn)，結(jié)合原始背散射電子圖像特征，將灰度閾值設(shè)為136，然后用這一閾值對(duì)有效觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行二值化處理，形成黑白圖像，其中白色區(qū)域?yàn)槲此乃嗍炝项w粒；
(3)用濾波方法自動(dòng)去除制樣缺陷:讀取步驟(2)所得的黑白圖像，以5X5的像素區(qū)域?yàn)闉V波模板，在待處理的黑白圖像中逐點(diǎn)地移動(dòng)模板，將每一點(diǎn)(x，y)處的取值轉(zhuǎn)變?yōu)槟０甯采w的25個(gè)像素中所占比例最高的物相，由此去除熟料顆粒上殘留的制樣缺陷；
(4)計(jì)算未水化水泥熟料的面積:對(duì)步驟(3)所得的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其中白色區(qū)域的像素總數(shù)，即為未水化水泥熟料顆粒的總面積。
[0029]圖1和圖9分別是硅酸鹽水泥和粉煤灰水泥水化Id的背散射電子圖像有效觀測(cè)區(qū)域。這兩張圖像的問題主要是熟料顆粒上存在微小的凹坑。產(chǎn)生這種缺陷的原因是，水化早期硅酸鹽水泥和粉煤灰水泥的漿體結(jié)構(gòu)都比較疏松，在制備電鏡樣品時(shí)，多采用相對(duì)緩和的研磨拋光工藝，這樣可以防止粘結(jié)不牢固的未水化熟料以及粉煤灰顆粒發(fā)生脫落，但是，往往也會(huì)因?yàn)槟伈粔驈氐锥谑炝项w粒表面留下一些微小的凹坑，或是高低不平、類似“褶皺”的缺陷。因此，這類試樣在制備電鏡樣品時(shí)，按照相應(yīng)的灰度直方圖(圖2和圖10)對(duì)灰度圖像(圖1和圖9)進(jìn)行二值化處理之后，上述缺陷多以黑色小點(diǎn)的形式散布于白色的熟料顆粒中(圖3和圖11)。采用5X5像素的濾波模板，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)濾波。從圖4和圖12所示的濾波結(jié)果來看，主要缺陷均已去除，兩張圖像中未水化的熟料顆粒分別為193299像素和110125像素。
[0030]圖5所示的水泥漿體水化齡期長，而且沒有摻加輔助膠凝材料，因此漿體結(jié)構(gòu)致密。在研磨拋光過程中，這類樣品可以承受較高的轉(zhuǎn)速和壓力，因此，將其打磨平整相對(duì)容易。但是，正因?yàn)槟仚C(jī)的轉(zhuǎn)速高、壓力大，磨拋過程中未被及時(shí)沖走的磨料和碎屑也更容易劃傷樣品，在熟料顆粒上留下難以消除的劃痕。通過分析灰度直方圖(圖6)，設(shè)定閾值將灰度圖像二值化處理之后，劃痕就以黑線的形式存在于白色熟料顆粒上(圖7)。采用7X7像素的濾波模板，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)濾波。從圖8所示的濾波結(jié)果來看，主要缺陷均已去除，圖中未水化的熟料顆粒面積為95198像素。
[0031]從以上三個(gè)實(shí)例可以看出，本發(fā)明所述的圖像處理方法能夠有效消除水泥漿體背散射電子圖像二值化結(jié)果中的制樣缺陷，提高圖像處理效率，減少操作人員的主觀因素對(duì)處理結(jié)果的干擾，而且，濾波過程無需借助專業(yè)的圖像處理軟件就能完成。此外，本發(fā)明所述的圖像處理方法對(duì)于硅酸鹽水泥和復(fù)合水泥，早齡期樣品和長齡期樣品均適用。
【權(quán)利要求】
1.一種自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)圖像讀取:采用Photoshop、Matlab或VisualC++軟件,讀取水泥衆(zhòng)體原始背散射電子圖像的有效觀測(cè)區(qū)域； (2)灰度圖像二值化處理:計(jì)算出步驟(I)所得有效觀測(cè)區(qū)域的灰度直方圖，根據(jù)其灰度分布特點(diǎn)，結(jié)合原始背散射電子圖像特征，人工設(shè)定灰度閾值，對(duì)有效觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行二值化處理，形成黑白圖像，其中白色區(qū)域?yàn)槲此乃嗍炝项w粒，黑色區(qū)域?yàn)榄h(huán)氧樹脂、水化產(chǎn)物、孔隙和制樣缺陷； (3)用濾波方法自動(dòng)去除制樣缺陷:根據(jù)黑白圖像的放大倍數(shù)，選擇濾波模板的像素區(qū)域，在待處理的黑白圖像中逐點(diǎn)地移動(dòng)濾波模板，將每一點(diǎn)(x，y)處的取值轉(zhuǎn)變?yōu)闉V波模板覆蓋像素區(qū)域內(nèi)所占比例最高的物相，由此去除大面積白色區(qū)域中殘留的黑色孤立像素，即熟料中殘留的制樣缺陷，以及大片黑色區(qū)域中殘留的白色孤立像素，即通常是灰度圖像二值化時(shí)由于灰度閾值設(shè)定偏低而產(chǎn)生的熟料噪聲信號(hào)； (4)計(jì)算未水化水泥熟料的面積:對(duì)步驟(3)所得的經(jīng)過濾波后的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其中白色區(qū)域的像素總數(shù)，即為未水化水泥熟料顆粒的總面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)去除水泥漿體背散射電子圖像制樣缺陷的方法，其特征在于當(dāng)需要處理的原始背散射電子圖像數(shù)量較多時(shí)，采用批量處理的方法對(duì)多張圖像進(jìn)行統(tǒng)一處理，進(jìn)一步提高圖像處理效率，具體步驟如下:首先，將全部待處理的原始背散射電子圖像文件進(jìn)行規(guī)范化命名，然后，按照步驟(I)和(2)將原始灰度圖像逐一轉(zhuǎn)化為二值圖像，最后，循環(huán)執(zhí)行步驟(3)和(4)，自動(dòng)去除全部圖像的制樣缺陷，同時(shí)輸出每張圖像中未水化熟料顆粒面積的計(jì)算結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103593831SQ201310513980
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】吳丹琳, 袁勇 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)