OLYMPUS BX60M I VISILOG4 W ZASTOSOWANIU DO BADAŃ

54/44
Solidification of Metals and Alloys,
Year 2000, Volume 2, Book No. 44
Krzepnięcie Metali i Stopów,
Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44
PAN – Katowice PL ISSN 0208-9386
OLYMPUS BX60M I VISILOG4 W ZASTOSOWANIU DO
BADAŃ STEREOLOGICZNYCH
J. CYBO1, J. CHMIELA2, J. MASZYBROCKA3, S. STACH4
Katedra Materiałoznawstwa - Zakład Badań Warstwy Wierzchniej
Uniwersytetu Śląskiego
STRESZCZENIE
W pracy podano charakterystykę najistotniejszych składowych software’owej
wersji komputerowego analizatora obrazu, bazującej na najnowszej wersji mikroskopu
Olympus i systemie analizy VISILOG4, który poddano kompleksowemu
oprogramowaniu stereologicznemu. Praca zawiera również szczegółowy protokół
pomiarowy mikrostruktury oraz wskazuje na zgodność pomiarów stereologicznych z
wartościami parametrów podanymi dla skali A wzorców Nr 1 ÷10 wielkości ziarna PN.
1.
OPIS MIKROSTRUKTURY I SKŁADOWE SYSTEMU ANALIZY
Aspekt utylitarny działalności Pracowni analizy stereologicznej i fraktalnej
mikrostruktury materiałów oraz warstwy wierzchniej jest ukierunkowany na
zastosowanie ilościowych narzędzi analizy materiałoznawczej zarówno w doskonaleniu
składu chemicznego, technologii konwencjonalnych, jak i mikrostruktury materiałów
metalicznych i ceramicznych, kompozytów oraz warstw wierzchnich. Główny nacisk
jest położony na kompleksowe zastosowanie komputerowej analizy obrazu w badaniach
stereologicznych, zapewniających pełny opis ilościowy parametrów integralnych,
rozkładów wielkości obiektów - tak statystycznych, jak i geometrycznych - oraz
wskaźników kształtu i jednorodności.
Spośród 10 składowych soffware’owej wersji analizatora obrazu na szczególną
uwagę zasługują: mikroskop OLYMPUS BX60M oraz system komputerowej analizy
obrazu VISILOG4.
1
Dr hab. Profesor Uniwersytetu, e-mail: [email protected]
Dr
3
Mgr
4
Mgr
2
410
1.1. Olympus BX60M
Mikroskop BX60M należy do jednej z najbardziej zaawansowanych serii
mikroskopów. Na podkreślenie zasługuje zastosowany Universal Infinity System układ skorygowany na nieskończoną długość tubusa. Jest on przystosowany zarówno do
rozbudowy w dowolnym czasie, jak i do wykorzystania pełnego zakresu technik
obserwacji umożliwiających pracę w polu jasnym i ciemnym, w świetle
spolaryzowanym oraz kontraście interferencyjnym Nomarskiego. W połączeniu z
okularami, obiektywami i kondensorami typu UIS pozwala otrzymać bardzo ostry
obraz, jasny i o wysokim kontraście, niezbędny w przypadku komputerowej analizy
obrazu. Rozwiązanie to wspomaga dodatkowo przesłona polowa, aparaturowa i
punktowa, które zwiększają kontrast, eliminują światło rozproszone oraz centrują i
korygują wiązkę zależnie od rodzaju obiektywu i jego powiększenia.
Mikroskop wyposażony jest w
obiektywy ze szkła fluorytowego 2.5x,
5x, 10x, 20x, 50x i 100x imersyjny. Są
to
semiplanapochromaty
i
planapochromaty, które w odniesieniu
do podstawowej klasy obiektywów
achromatycznych, prawie całkowicie
eliminują aberację: chromatyczną, typu
„koma”, sferyczną oraz zapewniają
wysoki kontrast i wysoką zdolność
rozdzielczą ∆R, rys. 1. Każde z
powiększeń optycznych może być
trzykrotnie zmienione (1.25x, 1.6x, 2x)
dzięki
zintegrowanej
głowicy
Rys. 1. Charakterystyka obiektywów (NA - apertura zmieniacza powiększeń. Ostatecznie
otrzymuje się 18 różnych powiększeń,
numeryczna, Pob - pow. obiektywu)
Fig.1. Characteristic features of objectives
a
maksymalne
wynosi
2000x.
(NA - numerical aperture, Pob - area of the
objective)
W mikroskopie zapewniony jest skaning systematyczny. Zakres funkcji
multikontrolera sprawia, że sterowanie stolikiem może odbywać się ręcznie (przy
pomocy drążka kulowego) lub przy wykorzystaniu programu WINPOS, a także z
poziomu systemu analizy obrazu.
Specjalna konfiguracja mikroskopu z podwójnym portem foto/video pozwala,
nawet w trakcie obserwacji, na jednoczesne przekazanie obrazu do kamery i do
automatycznego aparatu fotograficznego bez konieczności jakiegokolwiek
przezbrajania sprzętu. Umożliwia to szybkie sporządzenie dokumentacji
mikrofotograficznej w postaci: wydruku obrazu wraz ze znacznikiem długości na
drukarce laserowej lub termosublimacyjnej, albo klasycznej mikrofotografii.
411
1.2. System komputerowej analizy obrazu VISILOG 4
VISILOG4 jest obiektowo zorientowanym środowiskiem programowym,
ukierunkowanym na akwizycję, zarządzenie, transformację, analizę i pomiar obrazów.
Rozwiązanie firmy NOESIS pozwala na wykorzystanie środowiska Windows, pracę w
sieci i automatyczną rejestrację programów źródłowych dla tworzonych aplikacji. Może
współpracować z różnymi rodzajami komputerów PC oraz stacjami roboczymi
działającymi w systemie Unix. Dysponuje dodatkowymi modułami zaawansowanych,
szybkich przekształceń morfologicznych (Advanced Morphology) oraz procedurami
analizy obrazów kolorowych (True Color Processing).
VISILOG4 bazuje na bardzo dużej bibliotece procedur przetwarzania obrazu,
zawierającej ponad 350 predefiniowanych transformacji, które mogą być
modyfikowane przez użytkownika. Środowisko Windows stwarza dostęp do wszystkich
funkcji interaktywnych, natomiast interpreter języka C umożliwia korzystanie z
dowolnych funkcji w tym języku lub funkcji systemu VISILOG. Pozwala to na
automatyczne odtwarzanie kolejnych operacji, modyfikację ich sekwencji i
uzupełnianie nowymi funkcjami lub zewnętrznymi procedurami.
VISILOG analizuje obrazy o dowolnych rozmiarach, posiadających od 1 do 32
bitów na każdy punkt (od binarnych do pełnokolorowych). Akceptowane są formaty
Visilog, Tiff, Gif. 350 procedur przetwarzania obrazu zgrupowane jest w ośmiu
zespołach: akwizycja; anamorficzne operacje modyfikowania sposobu wyświetlania;
operacje geometryczne, np. translacje, obroty, wycinanie; przekształcenia punktowe niezależne od stopnia szarości otoczenia; filtrowanie obrazu uwzględniające stopień
szarości punktów sąsiednich; detekcja krawędzi - bazująca m.in. na operatorach
Robertsa, Canny-Deriche, laplasjanach; operacje częstotliwościowe - głównie
transformaty Fouriera; przekształcenia morfologiczne - uwzględniające otoczenie
badanego punktu, a wynikające z zasad morfologii matematycznej i prowadzące m.in.
do erozji, dylatacji, otwarcia, zamknięcia, pocieniania lub pogrubiania krawędzi
obiektów obrazu itd.; zaawansowane, szybkie algorytmy morfologiczne - tworzące
mapy warstwicowe, szkielety morfologiczne, rekonstrukcję obrazów itp.
Pamiętając, iż przeznaczenie systemu analizy związane jest przede wszystkim
z określeniem parametrów stereologicznych badanej mikrostruktury, niezbędnych do
oceny procesu wytwarzania danego materiału oraz jego właściwości, podstawowym
celem stosowania wymienionych przekształceń jest taka transformacja obrazu, która
pozwala na właściwą jego segmentację i wydetekowanie obiektów przeznaczonych do
analizy. Warunkiem jest uzyskanie przez badane obiekty tego samego stopnia szarości
oraz jednoznacznie określonych granic. Dopiero tak przygotowany obraz może być
poddany binaryzacji i pomiarom geometrycznym obiektów.
VISILOG mierzy około 20 parametrów. Pomiary mogą dotyczyć całości
obrazu (analiza globalna) lub każdego obiektu oddzielnie (analiza lokalna). Wyniki są
transportowane do pliku w formacie arkusza kalkulacyjnego Excel i mogą podlegać
dowolnej analizie statystycznej oraz transformacji do postaci parametrów
stereologicznych z wykorzystaniem odpowiednich praw i zasad stereologii.
412
d śr st [µm]
N A st [1/mm 2 ]
Oprogramowanie stereologiczne systemu komputerowej analizy obrazu jest
wyłączną domeną działania użytkownika i pozostaje funkcją jego potrzeb.
Oprogramowanie powstałe w Zakładzie zapewnia kompleksową ocenę stereologiczną
mikrostruktury. Charakterystykę tę stanowią parametry integralne oraz rozkłady
dowolnych parametrów w funkcji np. wielkości lub kształtu obiektów. Rozkłady są
wynikiem analizy płaskich przekrojów ziarn lub cząstek oraz ich transformacji zgodnie z postulatem Bockstiegel’a - do równoważnego układu kul. Wyznaczane są
zarówno rozkłady statystyczne jak i geometryczne, obrazujące udział objętościowy
ziarn w różnych klasach wielkości. Te ostatnie są uznawane za najpełniejszą
charakterystykę wielkości ziarna. Są one preferowane przede wszystkim, gdyż wielkość
ziarna stanowi naturalne i najstarsze kryterium strukturalne oceny jakości materiałów
polikrystalicznych.
Dodatkowo charakterystyki te są uzupełniane - zgodnie z wymogami
współczesnej stereologii - o pełną gamę wskaźników kształtu oraz miary
niejednorodności kształtu, wielkości i rozmieszczenia obiektów. Dane na temat
badanego materiału rzeczywistego mogą ponadto podlegać konfrontacji z parametrami
określonymi dla struktur modelowych - o idealnej jednorodności przestrzennej lub dla
modeli materiałów rzeczywistych.
Tak kompleksowa charakterystyka budowy badanego materiału stanowi
podstawowy warunek aplikacji ustaleń stereologii we wszelkich zagadnieniach
inżynierii materiałowej oraz zastosowań przemysłowych. Przykładowy wydruk
protokołu pomiarowego przedstawiono w tabeli 1.
Spis oznaczeń stosowanych parametrów stereologicznych zestawiono w
tabeli 2. Jednocześnie wykazano zgodność obliczanych parametrów z wartościami
rzeczywistymi, rys. 2.
250
8000
B1 = 1,159; α1 = 49,20°
S(B1) = 0,021; S(α1) = 1,176°
6000
B1 = 1,031; α1 = 45,88°
200
S(B1) = 0,022; S(α1) = 1,252°
F = 3188,2
R = 0,9987
F = 2226,8
R = 0,9982
150
4000
100
2000
50
0
0
0
Rys.2.
Fig.2.
2000
4000
6000
2
8000
N
A PN [1/mm ]
0
40
80
120
160
200 dśr PN
240
[µm]
Korelacja między NA, dśr wg PN-84 i wartościami parametrów z badań
Correlation between NA, dav according to standard PN-84 and values of experimental
data
413
Tabela1. Przykładowy protokół pomiarowy mikrostruktury materiałów
Table1. Typical measuring protocal used for material microstructure investigation
University of Silesia – Faculty of Engineering
Uniwersytet Śląski – Wydział Techniki
KATEDRA MATERIAŁOZNAWSTWA
ZAKŁAD BADAŃ WARSTWY WIERZCHNIEJ
ul. Śnieżna 2, 41-200 Sosnowiec
tel. (0-32) 291-83-81 (do 9) wew.572, fax. (0-32) 291-82-43
e-mail: [email protected]
PRACOWNIA ANALIZY STEREOLOGICZNEJ I FRAKTALNEJ
MIKROSTRUKTURY MATERIAŁÓW ORAZ WARSTWY WIERZCHNIE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
J
Protokół pomiarowy mikrostruktury materiałów
Data analizy:
2000-04-10
Numer próbki i rodzaj badanej struktury:
B12, żelazo Armco
Operacje wykonane na obrazie szarym: normalize
Operacje wykonane na obrazie binarnym: not, holefill, dilate, borderthin, not
Powiększenie: (10 okular × 20 obiektyw × 1.25 zm)
p=250 ×
Kalibracja (wymiar punktu obrazu):
c=0,214113 µm
Wymiar ramki pomiarowej (l×k ):
512 × 512
px
Powierzchnia jednego pola pomiarowego:
a=12017,88 µm2
Liczba pól pomiarowych:
n=32
Całkowita powierzchnia mierzona na zgładzie (a×n):
A=384572,3 µm2
Liczba badanych obiektów na wszystkich polach:
N=1873
Statystyka mierzonych parametrów X badanych obiektów:
σ (Xśr)
γ (Xśr)
ΣX
X
Xmin
Xmax
Xśr
Nj
Naj
Aj
Aaj
Pj (0)
Pj (90)
Pj (0,90)
Ai
Li
Yi
Zi
Pi (0)
Pi (90)
Pi (0,90)
d1 (Yi, Zi)
d2 (Ai)
d3 (Li)
d (d1,2,3)
1/d
αi
βi
δi
ξi
ζi
[mm-2]
[µm2]
[%obj]
[µm2]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm]
[µm-1]
47,000
3910,838
10077,884
83,857
3933,000
4220,000
4137,000
14,215
16,504
2,784
2,998
16,000
13,000
24,500
5,139
4,254
5,253
5,101
0,021
1,325
0,993
0,203
0,347
0,197
69,000
5741,443
12343,388
102,708
5321,000
5454,000
5387,500
1075,684
174,526
59,530
56,103
271,000
279,000
259,000
50,965
37,008
55,553
47,506
0,196
2,426
1,273
4,501
0,958
0,988
58,531
4870,346
11025,697
91,744
4513,188
4751,500
4632,344
188,373
53,398
16,864
15,916
77,107
81,179
79,143
16,390
14,195
16,997
15,861
0,078
1,658
1,065
1,003
0,719
0,625
0,9703
80,7388
97,4678
0,8110
51,6062
52,4000
47,7910
3,7216
0,5744
0,1859
0,1737
0,8588
0,9127
0,8471
0,1682
0,1431
0,1828
0,1639
0,0009
0,0032
0,0009
0,0084
0,0024
0,0030
0,01658
0,01658
0,00884
0,00884
0,01143
0,01103
0,01032
0,01976
0,01076
0,01103
0,01091
0,01114
0,01124
0,01070
0,01026
0,01008
0,01076
0,01033
0,01143
0,00193
0,00081
0,00836
0,00339
0,00479
1873,0
155851,1
352822,3
2935,8
144422,0
152048,0
148235,0
352822,3
100014,2
31586,0
29811,0
144422,0
152048,0
148235,0
30698,5
26587,2
31835,5
29707,1
146,3
3105,2
1995,6
1878,5
1347,5
1171,4
ξ
0,1
0
0,925 ÷ 1,000
3,8
20
0,850 ÷ 0,925
25,3
29,4
30
0,775 ÷ 0,850
25
20,2
35
0,700 ÷ 0,775
15
11,3
200
1 00
50
2 35,9
17 6,1
131 ,4
98,0 6
7 3,18
54, 61
D [µ m ]
316 ,2
0,1
1,2
6, 2
15
10
0,635 ÷ 0,700
5,4
18, 1
25
20
0,550 ÷ 0,625
5
29,5
100
50
20
100,10
74,15
54,93
40,69
30,14
22,32
16,54
12, 25
9,07
0, 30
5,12
3,81
1,41
9,94
23,69
22,69
32,72
35
0,475 ÷ 0, 550
10
40,7 5
30
30
2 6,8
10
0,31
25
30
3,3
13 ,6
6,72
4,98
3,69
2,73
V V (d ) [% obj .]
1206,54
988, 11
943,91
30
35
0,400 ÷ 0,475
3,8
5
2
59, 81
2,60
20
10
3 0,41
0 ,6
20
15
22 ,70
16, 94
1 2,64
9, 43
5
10
20
0
1,3
0
5
7,0 4
V v(D ) [% o bj.]
100
100, 10
74 ,15
54,9 3
40 ,69
644,87
426,45
15
0,325 ÷ 0,400
235, 94
50
5
0,250 ÷ 0,325
D [µ m ]
1 76,0 7
11, 3
0
10
5
98, 06
13 1,40
0 ,4
2, 9
10
0
0,172 ÷ 0,250
15
V v( ξ ) [% ob j.]
100
7 3,18
54 ,61
40, 75
30,1 4
2 2,32
16, 54
15
5
0,100 ÷ 0, 175
6,2
27,8
50
20
d [µ m ]
0,000 ÷ 0,100
0,1
0
0,925 ÷ 1,000
20
0,850 ÷ 0,925
30
29,5
2 4,7
30 ,1
1 2,25
0
0,775 ÷ 0,850
25
19,2
35
0,700 ÷ 0,775
30,4 1
15
20
0,635 ÷ 0,700
10
9,6
2 2,70
35
30
0,550 ÷ 0, 625
20
35
4,5
10
449,85
14 00
1400
0,475 ÷ 0,550
20
25
20, 4
30
25
16, 94
9,0 7
148,22
1200
10 00
2,1
7,7
10
15
12,6 4
6 ,72
4,9 8
12 00
0,400 ÷ 0,475
5
1,0
1 ,6
5
9 ,43
3 ,69
-2
[m m ]
1000
8 00
0,325 ÷ 0,400
10
5
2,7 3
6
00
800
0,250 ÷ 0,325
10
0
0,2
2
2 00
400
7, 04
5,2 5
3,92
N A (d)
4 00
600
0,172 ÷ 0, 250
5
2
5
0,100 ÷ 0,175
N v(D )/N v [ % ]
200
0,000 ÷ 0,100
N (ξ )/N [% ]
414
cd. Tab.1.
13. Rozkład wielkości średnic przekrojów badanych obiektów:
20
25
0
d [µ m ]
14. Przestrzenny rozkład wielkości równoważnego układu kul:
[ Param. rozkł. log-normal.: σD=0,0101737, σlnD=0,382752, l , ln D =-3,7379062 ]
35
25
0
15. Częstość i udział objętościowy obiektów o wskaźniku kształtu ξ:
ξ
415
cd. Tab.1.
15. Parametry stereologiczne (α=1, PL=82,53 [1/mm2], σPL=2,02 ):
NA=
LA =
KL=
d=
4,87E+03
129,64
236,05
15,86
[1/mm3]
[mm/mm2]
[1/mm]
[µm]
Nv = 1,90E+05
SV = 165,06
Kv = 3,06E+04
D = 25,61
[1/mm3]
[mm2/mm3]
[1/mm3]
[µm]
16. Wskaźniki kształtu badanych obiektów:
αśr=1,658
δśr=1,003
βśr=1,065
ζ śr=0,719
ξ śr=0,625
17. Miary niejednorodności kształtu obiektów:
ν (ζ) =0,2071
ν (ξ) =0,1466
ν (δ) =0,3618
ν (β) =0,0350
18. Miary niejednorodności wielkości obiektów:
ν (PL) =0,1384
ν (d) =0,4472
ν (Α) =0,8550
∆d =2,9952
19. Niejednorodność rozmieszczenia cząstek:
νm =0,0938
20. Obraz binarny badanej struktury:
21. Wskaźniki kształtu i miary niejednorodności dla modelu struktury o idealnej jednorodności
przestrzennej (14K) oraz modelu Williamsa (MW) struktury rzeczywistej:
14K
MW
14K
MW
α śr
1,539
1,522
ν (α)
0,0436
0,1092
ν (β)
0,0174
0,0294
β śr
1,027
1,034
ν (δ)
0,1220
0,1459
δ śr
1,014
0,961
ν (ξ)
0,0796
0,1335
ν (ζ)
0,1135
0,2142
ξ śr
0,853
0,853
ν (PL)
0,0256
0,0566
ν (δ)
0,2663
0,4462
ζ śr
0,786
0,808
ν (Α)
0,4414
0,9096
∆d
1,3498
1,8890
416
Tabela2. Spis oznaczeń
Table2. Specification of denotations
Parametry stereologiczne
- średnia średnica cząstek w objętości
Dśr
- średnice przekrojów (= Σ(d*N(d))/N)
stopu (= NA/NV)
- objętość względna badanej fazy
N, A
- liczba wszystkich badanych obiektów
(= ΣAi /A *100%)
N na badanej powierzchni A zgładu
- liczba obiektów na powierzchni jedNA
i,j
- indeks: kolejnych obiektów, kolejnych
nostkowej (= N/A)
pól pomiarowych o powierzchni „a”
- względna długość granic badanych
LA
Nj, Aj - liczba obiektów oraz suma ich poobiektów (= 0,5πPL)
wierzchni na „j” polu
- średnia krzywizna granic obiektów
KL
Naj, Aaj - liczba obiektów oraz ich udział na
(= 2πNA/LA)
„j” polu o powierzchni „a”
λ
- średnia odległość cząstek izolowanych
- licza punktów przecięć badanych
PL
w osnowie (= π(1-VV)/LA)
obiektów na jednostkowej długości
- powierzchnia względna granic
SV
siecznej (=αΣPi/lkcn10-3)
ziarn (= 4LA/π)
,P
liczba interceptów (punktów wejP
i j
- liczba obiektów w jednostce objętości
NV
ścia siecznych w jeden obiekt oraz we
2
3
stopu (= 6π VV (NA/SV) )
wszystkie obiekty na polu pomiarowym)
- całk. średnia krzywizna względna
KV
powierzchni granic badanych obiektów (= 2πNA)
Wskaźniki kształtu badanych obiektów
Miary niejednorodności kształtu obiektów
ν(ξ) - wsp. zmienności kształtu (= σ(ξ)/ξśr)
αśr
- równoosiowości ziarn (= Dm/d2)
- rozwinięcia linii granic (= Li/πdi)
βśr
ν(ζ) - wsp. zmienności kształtu (zmodyfikowa- wydłużenia ziarn (= Zi/Yi)
δśr
ny) (=σ(ζ)/ζśr)
- kształtu (= 4πAi/Li2)
ξśr
ν(δ) - wsp. zmienności wydłużenia ziarn
- kształtu zmodyfikowany(= 16Ai2/πLidi3)
ζśr
(= σ(δ)/δśr)
ν(β) - wsp. zmienn. rozwinięcia linii granic
(=σ(β)/βśr)
Miary niejednorodności wielkości obiektów
ν(PL ) - współczynnik zmienności liczby przecięć siecznych z granicami (= σ(PL)/PL)
ν(d)
- współczynnik zmienności średnic przekrojów (= σ(d)/dśr)
ν(Ai) - współczynnik zmienności powierzchni przekroju ziarn (= σ(Ai)/Aśr)
∆d
- współczynnik niejednorodności średnic przekrojów (= dmax/dśr)
Miary niejednorodności rozmieszczenia obiektów
νm
- współczynnik zmienności parametru NA (= σ(Naj)/NA)
d, d1, 2, 3
VV=AA
OLYMPUS BX60M AND VISILOG4 IN APPLICATION
TO STEREOLOGICAL INVESTIGATION
SUMMARY
The characteristic of the most important parts of the software version of the
computer-aided image analyzer based on the newest version of the Olympus microscope
and the VISILOG4-type analysis system is given. The paper contains also the detailed
protocol of investigations of the microstructure as well as points out an agreement
between stereological measurements and values of parameters given for scale A of
standards No 1-10 of PN grain dimensions.
Reviewed by prof. Stanisław Jura