Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является существенное повышение качества надежности и долговечности деталей узлов и механизмов. Эта задача может решаться только на основе комплексного подхода, включающего как создание новых материалов, так и разработку, и освоение эффективных технологий, упрочняющих металлические материалы.
Создание новых материалов и разработка эффективных технологий базируется на результатах научных исследований в области металлографии, для проведения которых используется определенная измерительная техника и методика анализа результатов наблюдений. Первой и основной отличительной особенностью анализа микрошлифов металлов является малый размер измеряемых величин, что значительно затрудняет проведение научных исследований.
Стремительное развитие в последние годы вычислительной техники дает возможность значительно расширить автоматизацию научно-исследовательских работ во всех областях науки и техники, и в частности в металлографии. Исследование микрошлифов металлов целиком сводится к анализу и интерпретации их изображений, в связи с чем представляется актуальным создание автоматизированной системы обработки изображений микрошлифов. От совершенствования средств и методов автоматизированного анализа изображений зависит достоверность и объективность решения задач контроля и управления технологическими процессами обработки металлов.
Изучение строения металлов и сплавов производится с помощью самого распространенного в научных лабораториях метода – световой микроскопии. Методом световой микроскопии изучают размеры, форму взаимное расположение кристаллов (зерен), достаточно крупные включения в них, некоторые дефекты кристаллического строения.
Для изготовления микрошлифа делают разрез металла в плоскости, интересующей исследователя. Затем полученную плоскость шлифуют и полируют до зеркального состояния. Чтобы выявить структуру, следует создать рельеф или окрасить в различные цвета структурные составляющие, что достигается обычно химическим травлением. При травлении кислота в первую очередь воздействует на границы зерна, как места, имеющие наиболее дефектное строение и которые в травленом шлифе станут углублениями; свет, падая на них, будет рассеиваться, и в поле зрения микроскопа они будут казаться темными, а тело зерна – светлым [1].
Автоматизированная система исследования микрошлифов металлов (рисунок 1) состоит из микроскопа, видеокамеры, видеобластера и персональной ЭВМ.
Изображение образца металла, снятое видеокамерой через микроскоп, при помощи специального устройства – видеобластера, передается в ЭВМ, которая под управлением специального программного обеспечения проводит автоматизированную обработку полученного изображения.
Рисунок 1 – Структурная схема автоматизированной системы анализа микрошлифов металлов.
Микроскоп необходим для увеличения изображения поверхности металла. В системе применяется световой металлографический вертикальный микроскоп МИМ-7, который может использоваться для наблюдения и фотографирования микроструктуры металлов в обыкновенном свете в светлом и темном поле и в поляризованном свете в светлом поле [2]. Набор объективов и окуляров микроскопа обеспечивает увеличение от 60 до 1440 раз. Возможность фотографирования микрошлифов в рассматриваемой системе не применяется. Для согласования окуляра микроскопа и объектива видеокамеры используются специальные насадочные кольца для работы с мелкими объектами, которые входят в состав поставки видеокамеры.
Качество изображения, передаваемого видеокамерой, во многом определяется характеристиками фотоэлектрических преобразователей, используемых в ней: чувствительностью, разрешающей способностью, световой и спектральной характеристикой, инертностью. Широко распространены видиконные, плюмбиконные видеокамеры и видеокамеры, в которых в качестве фотоэлектрических преобразователей используются приборы с зарядовой связью (ПЗС).
В рассматриваемой автоматизированной системе обработки изображений микрошлифов металлов используется ПЗС-камера, которая по сравнению с видиконными (высокая чувствительность,малое разрешение, инертность) и плюмбиконными (среднее качество и разрешение, малая инертность) видеокамерами обладает [3]:
- предельной чувствительностью (достигается малой входной емкостью ПЗС);
- отсутствием геометрических искажений изображения (вследствие того, что все ПЗС-элементы обладают одинаковыми характеристиками);
- отсутствием яркостных искажений изображения (вследствие линейности световой характеристики);
- высокой разрешающей способностью, определяющейся числом элементов накопления в ПЗС-матрице;
- отсутствием инертности.
Необходимая разрешающая способность видеокамеры определяется размерами объектов изображения и используемым увеличением микроскопа. При минимальном размере элемента анализируемого изображения l (мм) и увеличивающей способности микроскопа e (раз), разрешение видеокамеры должно быть (пикселей на мм)
при условии, что для однозначного распознавания объекта изображения на него должно приходиться не менее пяти пикселей разрешения видеокамеры.
Таким образом, в рассматриваемой системе учитывая, что минимальный анализируемый объект изображения имеет размер порядка 1 мкм и минимальная используемая увеличивающая способность микроскопа – порядка 300 раз, разрешение видеокамеры должно быть не менее 16 пикселей на мм (или приблизительно 420 dpi). В результате, при указанном увеличении микроскопа, видеокамера с ПЗС-матрицей размером 512*512 элементов позволит работать с изображением, реальный размер которого составляет приблизительно 32*32 мм. Использование видеокамеры с большей разрешающей способностью или увеличение приближающей способности микроскопа дает возможность работать с изображениями, реальный размер которых несколько больше.
Применение карты видеобластера позволяет:
- просматривать изображение (в частности, изображение микрошлифов металлов) с видеокамеры или видеомагнитофона;
- захватывать, оцифровывать и записывать на диск отдельные кадры видеоизображения;
- записывать фрагменты видео (при наличии специального программного обеспечения).
При использовании, например, видеобластера Tekram M200 или ему подобных, необходим IBM совместимый персональный компьютер, на котором можно запустить Microsoft Windows 3.11, Windows 95 или Windows 98 (т.е. не менее iP100 и 16MB RAM). Для работы устройства может использоваться любая видеокарта (VGA, SVGA или даже ISA), однако для общей производительности системы рекомендуется SVGA. Для оцифровки отдельных кадров изображения можно использовать программное обеспечение, распространяющееся вместе с видеобластером, либо любое twain- совместимое приложение (twain-интерфейс обычно используется при работе со сканерами), входящее в состав Windows (например, приложение "Imaging" или Adobe Photoshop). При оцифровке целого видеоряда необходимо специальное программное обеспечение, например, Adobe Premiere.
Необходимая разрешающая способность видеобластера определяется разрешением используемой видеокамеры, то есть для сохранения качества изображения, переданного видеокамерой, видеобластер должен обладать разрешающей способностью не меньшей, чем видеокамера.
Программное обеспечение для автоматизированной системы обработки изображений микрошлифов металлов может быть разработано на любом языке программирования и должно обеспечивать максимально близкие к визуальным результатам. В качестве математической основы такого программного обеспечения рекомендуется использовать методы текстурного анализа (оптико- структурного машинного анализа), предназначенного для автоматизированной обработки изображений, различающихся по их статистическим характеристикам, то есть распределению элементов изображения, по плотности, геометрическим и топологическим признакам [4].
1. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия. 1986. 544 с.
2. Суворов А.Л. Микроскопия в науке и технике. – М.: Наука, 1981. –136 с., илл.
3. Телевидение: Учебник для ВУЗов.; Под. ред. В.Е. Джаконни. – М.: Радио и связь, 1997. – 640 с.; илл.
4. Оптико-структурный машинный анализ изображений. Под ред. Яновского К.А. – М.: Машиностроение, 1984 – 280 с.