金相检测图像数字化处理系统的建立及其应用
李建华
(武钢技术中心检测所湖北武汉430080)
摘要显微镜光学图像利用数码技术实现“图像信息采集→计算机处理与转存→打印输出”的连续过程,从而代替了传统的胶片照相和暗室作业。实际应用表明,即便是在放大1000倍下拍摄的数码显微图片,其组织形貌、细节、层次仍很清楚,可以满足一般金相检验对图片的要求,而且提高了金相图片制作的工作效率,节约了图片制作的成本,便于图片的交流、保存与查阅。
关键词金相检测图像数字化系统
1 前言
在钢铁产品的检测分析中,金相检验常常需要大量的显微图片,以描述钢材组织的结构、非金属夹杂物及各类缺陷形貌。目前,低倍及实物照片一般用135相机拍摄,高倍显微照片使用暗盒、单张金相底片拍摄。这些照片是胶片曝光和暗室冲洗的技术,一张照片的获得需要一系列的流程,速度慢、费工费时,严重制约了金相检验的速度。而金相检验工作的频度大、总量多、流程长,特别是胶片照相及暗室作业,一人占用多人等待的现象时常发生,成为制约检验速度的瓶颈,使得检测工作快捷、及时、准确地为生产和科研服务的要求难以兼顾。
在当今信息技术时代,图像的数字化技术日趋成熟,显微光学图像利用数码技术已经可以实现“信息采集→计算机处理与转存→打印输出”的连续过程,不仅可以节省图片制作的时间,降低图片制作的成本,稳定图像质量,还可以借助于应用软件实现组织结构各种参数的定性或定量分析。这在材料组织结构检验与研究、产品缺陷分析以及检验标准的制定等方面具有明显的优势。鉴于此,在现有光学显微镜的基础上,建立了一套图像数字化处理系统,成功地应用于检验工作,效果极好。
2 系统的建立
2.1 市场调研
目前金相实验室配置图像数字化系统有以下三种可能的方式:
(1)用CCD摄像头与显微镜相匹配,其分辨率相对较低,一般只有几十万像素;
(2)专用显微数码相机与其相应的显微镜匹配,分辨率较高,有专用接口,但价格较贵,如日本OLYMPUSDP10数码显微照相机,专门适用于OLYMPUS显微镜,其最高分辨率为131万像素(1280×1024)。还有美国Pixera120es数码显微照相机,最高分辨率为120万像素(1260×960),美国PolaroidDMC数码显微照机相,最高分辨率为192万像素(1600×1200);
(3)用普通数码相机代替专用显微数码相机与显微镜匹配,分辨率最高,如日本NIKONCOOLPIX990,最高分辨率为315万像素(2048×1536)。而且这类相机由于商业因素,更新换代及分辨率提高的速度和频率均高于专业数码相机,使用普通数码相机可以享用最新的科技成果,同时可以用较低的成本对关键设备进行更新。但是,普通数码相机不可能有现成的接口与显微镜匹配,这必须另外制作。因该接口不仅涉及精密加工,而且必须满足同步聚集成像、放大倍率等光学问题,技术含量较高,必须委托专业公司制作。
此外,目前国内使用数字化图像处理系统的显微镜,一般以高倍率为主,而从“宏观—低倍—高倍”完整系列的金相实验室图像数字化处理系统则少见。
2.2 系统设计思路
通过市场调研,结合本实验室情况及工作性质,形成了如下设计思路。
(1)鉴于技术中心金相实验室兼有科研和检验任务,对照片质量要求较高的特点,拟尽可能采用分辨率最高的设备,以使图片达到最佳的效果。
(2)为使金相图片放大倍率系统化,图像数字化处理系统应包含宏观、低倍和高倍拍照三个组成部分。
(3)实现图像数字化的设备原则上选用分辨率较高的设备(包括彩色激光打印机),高倍显微镜选用日本OLYMPUSPME3—323UN显微镜,低倍显微镜选用德国LEITZWILDM650体视显微镜,宏观拍照直接用数码相机获得。
该套系统及相关软件委托精密仪器有限公司统一配置、安装调试。专用接口经多次返工后非常成功,而且给数码相机加装了快门线,系统达到全部技术要求,并正式投入使用。
2.3 系统的构成
金相检测图像数字化处理系统由三部分组成。
(1)宏观部分由数码相机直接拍照输入计算机,从缩小几倍到放大几倍。
(2)低倍部分由体视显微镜配接数码相机拍照并输入计算机,放大倍数由3～50倍。
(3)高倍部分由OLYMPUS显微镜配接数码相机拍照输入计算机,放大倍数由50～1000倍。
3 系统的使用实例
3.1 宏观照相
在宏观照相台上使用数码相机(H)拍摄试样的宏观形貌,再将存储的照片输入计算机进行处理,然后打印成图片。图2、3为生产厂送检的中厚板表面裂纹试件,图2反映其缺陷的取样位置及钢号,图3显示稍微放大后的裂纹形状、数量、分布及板面的氧化特征。这种方便、快捷的成像和能根据需要对缺陷局部作逐次放大处理是原来座机照相无法做到的。
3.2 低倍照相
低倍照相系统可以和宏观照相系统一样使用数码相机,其图片质量、效果也完全一样。用体视显微镜与数码相机(或CCD摄像头)联接,将图片信息直接传输到计算机的相关浏览程序。该系统充分利用体视显微镜景深好,能在低倍率(几倍至几十倍)方便转换放大档次的优点,弥补了原显微镜用135相机拍照再经扩印的工序繁琐之不足。
此外,低倍系统的建立使原来研究低倍组织和缺陷由宏观直接到高倍显微观察的方式(缺少低倍率分析)得以补充和完善,使金相分析的放大倍率系列化,这对于研究钢铁产品表面缺陷、零部件失效分析是十分有用的。图4～5为钢板表面裂纹的低倍图片,逐次放大的图像清晰地反映了裂纹形貌、细节及组织的层次,裂纹的分布及轮廓反映出晶界三重点的破坏及其沿晶界扩展的特征。由于目前尚缺一台数码相机,低倍照相系统是通过摄像头(CCD)将图片信息直接传输到计算机相关浏览程序,通过屏幕抓拍记录图像信息,其图片效果稍差。
3.3 高倍显微照相
与光学显微镜配接数码相机的高倍显微照相在金相分析中使用频率最高,其操作要点是:将显微镜的光学信号转换到“135相机”档,显微镜的曝光器置于“常开(WORK and TIME)”状态。打开数码相机并置于“手动(M)”档,将照相视场调至“满视场”,选用“手动调焦”,关闭闪光灯,设置照相质量为“优良(FINE)”。连接信号线,将数码相机获取的信息传输到计算机,打开相关浏览软件,即可在显示器上观察到实时图像。根据选取所需视场及放大倍数,调节焦距,按下快门线,即通过数码相机记录下图片信息,再将图片信息输入计算机进行处理,然后打印。
图6为82B线材中心偏析区的“反常”组织。由于连铸时碳和锰等元素在原铸坯中部的偏析,提高了中心部位的淬透性,使之在连续冷却条件下偏析区得到高碳马氏体组织。图中显示的马氏体、残余奥氏体、索氏体以至于二次渗碳体均清晰可辨。
图7为发生脆断的高碳钢盘条组织。经检查,在盘条周边的局部区域由于冷却较快而得到马氏体组织,致使盘条发生脆断。图中的片状马氏体、残余奥氏体和屈氏体组织层次清楚,颜色反差适中。
图8为低碳、高锰焊条钢组织。该盘条在拉拔过程中发生断裂,金相检查其显微组织,在形变铁素体基体上分布着颇多马氏体—残余奥氏体小岛,较硬的第二相“小岛”强化了组织,使拉拔时应变不均匀而产生断裂。
以上显微图片的效果表明,与光镜配接拍摄的数码图像,通过计算机处理打印输出,即便是1000倍下拍摄的照片,其组织形貌、层次仍很清楚,足以满足一般金相检验对图片的要求。
4 效果比较
4.1 提高了工作效率,降低了劳动强度
胶片照相到形成照片需经过负片曝光、显影、定影、水洗、晾干及相纸的曝光、显影、定影、水洗、上光等过程。要得到一张较为满意的金相照片,其周期约需一天的时间,而且照片形成的中间环节多,无论哪个环节处理得不好,都会对照片的最后质量产生不良影响,甚至得从头再来一遍。相比之下数码照片的形成就简单多了,将数码相机记录下的图片信息输入计算机进行简单的处理,即可将照片打印出来,几分钟就完成,大大地提高了工作效率,降低了检测人员的工作强度,而且确保图片质量,使检测人员有更多的时间和精力用于对样品的观察分析和研究。这对于需要对科研和生产现场作出“快速反应”的检测岗位来说,其意义是显而易见的。
4.2 节约了生产成本
一张印相纸约需人民币2元,可印照片6～8张,一张A4复印纸约需人民币0.08元,打印照片6幅,节约了成本。
胶片照相所需的显影液、定影液、水等费用与数码照相所需的激光打印机硒鼓消耗费用大体相抵。每年的金相报告按1000份计算,则每年可节约生产成本近万元。
4.3 方便保存与查阅
在图片的保存与查阅方面,计算机的优势十分明显。计算机的硬盘、软盘、可读写光盘存储容量都非常大,可存储大量图片,而且查阅、复制十分方便。随着网络时代的来临,检测结果通过互联网与国内外同行实时交流与讨论将成为可能,这使得该系统的运用前景一片光明,意义深远。
5 结语
显微镜光学图像利用数码技术实现图像采集—计算机处理与转存—打印输出的连续过程,体现了检测技术的进步。应用效果表明,该图像处理系统可以满足一般金相检验对图片的要求,提高了金相图片制作效率,节约了制作成本,便于图片的保存、查阅与交流,使金相检测在满足科研、生产快捷、及时、准确的要求上大大前进了一步。