楊 亮，劉鐘馨，周 瓊，林仕偉，曹 陽

（海南大學(xué)a．海南優(yōu)勢(shì)資源化工材料應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b．硅鋯鈦資源綜合開發(fā)與利用海南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c．材料與化工學(xué)院，海南 ?？?70228）

1 引 言

掃描電子顯微鏡是聯(lián)系宏觀世界與微觀世界的橋梁．目前，場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)納米級(jí)，已是材料表面形貌分析方面一種不可缺失的研究手段［1－2］．對(duì)材料科學(xué)與工程的學(xué)生來說，材料性能表征既是本科階段重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，利用SEM（Scanning Electron Microscope）表征材料表面形貌及SEM圖像分析更是學(xué)習(xí)內(nèi)容的重中之重．但目前SEM屬大型貴重設(shè)備，學(xué)生一般沒有機(jī)會(huì)上機(jī)操作，對(duì)電鏡照片后處理工作更是無所適之．

Visual Basic 2010學(xué)習(xí)版開發(fā)環(huán)境具有的強(qiáng)大圖像處理功能，可以對(duì)電鏡圖片的每個(gè)像素進(jìn)行操作．該軟件采取由上至下、由左至右、由左上至右下等多方向?qū)﹄婄R圖片進(jìn)行二值化處理，以確定指定范圍的電鏡照片每個(gè)孔的位置及像素面積并將二值化后的圖像進(jìn)行輸出，以方便比對(duì)孔洞位置及孔面積計(jì)算的誤差情況．結(jié)合電鏡照片標(biāo)尺的實(shí)際尺寸和像素尺寸將每個(gè)孔洞的像素面積轉(zhuǎn)換成真實(shí)面積并計(jì)算出相應(yīng)的孔徑大?。畬⑷〉玫目讖桨创笮∵M(jìn)行排序，計(jì)算出給定孔徑區(qū)間內(nèi)孔洞的數(shù)量，利用Data View控件將不同區(qū)間孔徑數(shù)量分布結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示．本軟件還提供了保存二值化圖像功能，可將孔面積、孔數(shù)量、孔徑大小及不同區(qū)間的孔徑分布等信息進(jìn)行保存，以方便對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)的深入分析．

2 微孔孔徑分布軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

本軟件以微軟公司最近發(fā)布的Visual Basic 2010學(xué)習(xí)版為開發(fā)工具，以恒壓200，230，260，290，320，350 V處理的微弧氧化樣品的場(chǎng)發(fā)射電鏡照片為研究對(duì)象，通過圖像的讀取，二值化及修正、孔徑計(jì)算與轉(zhuǎn)化、孔徑區(qū)間內(nèi)孔洞數(shù)量分布計(jì)算等過程來實(shí)現(xiàn)，界面友好，穩(wěn)定性高，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電鏡照片的認(rèn)識(shí)有一定的幫助．

2．1 讀取SEM圖像

電鏡照片由電鏡采集系統(tǒng)自動(dòng)生成并可保存為＊．BMP或＊．JPG等通用格式，但通常會(huì)采用顏色索引格式保存，給后續(xù)圖片二值化帶來一定的困難［3］．故本軟件先獲取SEM圖片高和寬信息，再以該尺寸新建立1張24位新位圖圖片，并拷貝原圖到新建位圖，然后在圖形控件內(nèi)對(duì)該轉(zhuǎn)化后的圖像進(jìn)行顯示，如圖1所示．代碼如下：

圖1 加載圖片后的軟件操作界面

2．2 二值化及數(shù)據(jù)修正

采用全局閾值法對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行二值化，根據(jù)圖像的直方圖［4］分布來確定1個(gè)閾值也可根據(jù)圖像質(zhì)量手工調(diào)整該閾值．但由于電鏡照片的噪聲及樣品表面存在污染等原因，使SEM照片二值化后會(huì)出現(xiàn)少量遠(yuǎn)小于樣品微孔孔徑的噪聲顆粒，為去除該噪聲點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響需要對(duì)圖片進(jìn)一步修正，以每個(gè)二值化后的純黑像素周圍的8個(gè)像素?cái)?shù)量來判斷該像素是否為噪聲［5］，代碼如下：

由于電鏡照片底端均有標(biāo)尺等標(biāo)志信息，一般不用二值化該區(qū)域，故應(yīng)在二值化前除去該區(qū)域，可減小實(shí)驗(yàn)誤差．同時(shí)由于二值化及修正過程所耗機(jī)時(shí)較多，將該過程利用Visual Basic自帶的線程控件（Backgroud Worker）進(jìn)行后臺(tái)操作，利用Backgroud Worker控件的 Worker ReportsProgess事件報(bào)告處理進(jìn)程，并用Progess－Bar動(dòng)態(tài)顯示處理進(jìn)度，以避免操作界面的假死現(xiàn)象．

2．3 孔數(shù)量統(tǒng)計(jì)

二值化處理后電鏡照片圖像分散大量不連通的微孔，要得到微孔的數(shù)量必須對(duì)每個(gè)微孔進(jìn)行標(biāo)識(shí)，采用像素標(biāo)記法［6］（或稱標(biāo)號(hào)像素法）．以標(biāo)號(hào)像素法對(duì)二值化后圖像黑色像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，處理過程如下：

1）對(duì)已經(jīng)加載圖像從左到右、從上到下進(jìn)行掃描，在同一行中不同的位置標(biāo)上標(biāo)識(shí)，不同列也標(biāo)上不同的標(biāo)識(shí)；

2）從圖像左上到右下進(jìn)行掃描，若2個(gè)相鄰行中有相連通的區(qū)域則下行的號(hào)改為上行的號(hào)；

3）從圖像右下到左上進(jìn)行掃描，若2個(gè)相鄰行中有相連通的區(qū)域則上行的號(hào)改為下行的號(hào)；

4）對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行排列、累加、計(jì)算．

2．4 標(biāo)尺測(cè)量

如圖2所示，對(duì)于電鏡照片一般都會(huì)在圖像右下角給出圖像標(biāo)尺值，以示材料表面形貌的相對(duì)實(shí)際大?。?jì)算機(jī)只能獲取材料表面圖像的每個(gè)微孔孔徑的像素尺寸，需要將微孔像素尺寸轉(zhuǎn)換為微孔的實(shí)際尺寸．

圖2 標(biāo)尺大小的測(cè)量界面

2．5 計(jì)算孔洞面積及真實(shí)半徑

對(duì)于采用像素標(biāo)記法標(biāo)記的電鏡照片上非連通的二值化區(qū)域進(jìn)行數(shù)點(diǎn)記數(shù)，得每一區(qū)域像素?cái)?shù)量值，利用電鏡標(biāo)尺值可將該區(qū)域以像素為單位的面積值轉(zhuǎn)為以微米為單位的實(shí)際面積值．通常將微弧氧化法制備的樣品表面的微孔近似看作圓形區(qū)域，利用公式A＝πr2即可算得相應(yīng)微孔的半徑值［7］，將面積值及孔徑值存入到DataGrid－View控件顯示．

2．6 計(jì)算孔徑分布

對(duì)于只統(tǒng)計(jì)單張的電鏡照片，由于其分辨率已經(jīng)固定，只需將已經(jīng)計(jì)算好的微孔孔徑值存入數(shù)組，然后進(jìn)行排序處理，利用用戶輸入的孔徑區(qū)間值進(jìn)行區(qū)間數(shù)目統(tǒng)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微孔孔徑分布統(tǒng)計(jì)．

對(duì)每個(gè)小孔面積經(jīng)修正后加到低分辨率圖上，以修正低分辨率對(duì)細(xì)節(jié)的淡化．然后修正該低分辨率圖片的孔徑范圍、微孔數(shù)量及表面孔隙率等相關(guān)信息．

2．7 數(shù)據(jù)顯示

圖3 數(shù)據(jù)顯示界面

對(duì)于微孔孔徑區(qū)間分布統(tǒng)計(jì)完成后，將數(shù)據(jù)顯示給用戶采用Chart控件［8］，界面見圖3，該控件為微軟在Visual Basic 2010最新引入的控件，能較靈活地以二維或三維方式顯示數(shù)據(jù)，用戶可通過菜單進(jìn)行不同顯示方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀預(yù)覽．

2．8 數(shù)據(jù)保存

本軟件提供了將二值化后圖像保存成BMP格式的功能，將孔面積、孔數(shù)量、孔徑大小及不同區(qū)間的孔徑分布等信息保存成Excel（兼容Excel 2003和Excel 2007格式）文件格式的功能，以方便對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)的深入分析和形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告．

3 結(jié)束語

該軟件已經(jīng)在海南大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院2007級(jí)及2008級(jí)材料科學(xué)與工程專業(yè)和2008級(jí)實(shí)驗(yàn)班進(jìn)行了試用，反饋良好，其友好的操作界面，詳細(xì)的操作步驟，讓學(xué)生更好地了解材料表面技術(shù)，深入地學(xué)習(xí)材料表面表征手段及增強(qiáng)了對(duì)材料表面數(shù)據(jù)分析處理能力，而且由于軟件開發(fā)源代碼的開源性，更好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到很好的教學(xué)效果．總之，通過實(shí)際教學(xué)過程表現(xiàn)及結(jié)果反饋分析，該實(shí)驗(yàn)拓寬了學(xué)生的思維空間，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究熱情，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)學(xué)生深入了解材料科學(xué)的內(nèi)涵起到一定的促進(jìn)作用．

［1］ 朱琳．掃描電子顯微鏡及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用［J］．吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24（2）：81－84，92．

［2］ 李麗娟，劉偉波，郭慶葉．強(qiáng)流輻射鈦合金表面特征的原子力顯微研究［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（1）：9－13．

［3］ 韓琦，王志芳，牛夏牧，等．針對(duì)索引圖像的人臉區(qū)域分級(jí)加密算法［J］．電子學(xué)報(bào)，2008，36（12A）：25－29．

［4］ 王樹梅，范勇．一種基于直方圖統(tǒng)計(jì)特征的灰度圖像水印算法［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20（1）：177－180，184．

［5］ 李徐周，于飛．有效的指紋紋線細(xì)化方法［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（4）：626－628，647．

［6］ 陸敬輝，王宏力，鄭佳華，等．一種改進(jìn)的星圖中星提取方法［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（6）：31－33．

［7］ 黃平，憨勇，徐可為．用微弧氧化技術(shù)處理醫(yī)用鈦合金表面的研究［J］．稀有金屬材料與工程，2002，31（4）：308－311．

［8］ 鄂越．淺談MSChart控件在VC＋＋中的應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)與農(nóng)業(yè)（綜合版），2003（12）：41－42．