彩色金相显微图像分析系统的建立与彩色图像分割方法的研究
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摘要
自20世纪60年代末第一台图像分析仪诞生以来，人们渐渐地走出传统的辛苦而又低效的人工金相分析，开始利用计算机来进行计算机辅助定量金相分析，因其与传统的人工金相分析相比具有处理速度快、数据精确可靠、实验结果的重现性好等一系列的优点，已经逐渐地取代传统的金相分析方法。
不过，纵观这三、四十年计算机辅助定量金相分析的发展，国内大多是停留在黑白金相图像的处理上，即利用灰度来进行图像的处理和分析。随着对金相定量要求和精度的提高，这种基于灰度的黑白图像分析在许多定量金相的分析任务中已经显出有些无力。随着彩色图像处理技术的快速发展和计算机储存与处理能力的飞速提高，目前许多国家研究人员已经着手研究利用彩色金相图像来进行分析，因为其衬度鲜明、可分辨能力强等特点。
本课题是南京东图数码科技公司(即原江南光学仪器厂的技术开发部门)的一个委托研究项目，在该公司提供的实验设备的基础上，建立一套彩色金相计算机辅助分析系统(CMAS-Color Metallography Image Compute-aided Analysis System)。该系统集XJL—02立式显微镜、CCD摄像头、视频图像采集卡、计算机显示系统于一体，实现了从彩色金相图像记录、采集、预处理到特征参数测量、结果分析和打印等一系列功能。
该系统针对彩色金相显微图像的特点，重点建立一系列适合金相应用的彩色图像处理方法作为CMAS系统的重要组成部分。这些方法包括彩色增强(色调／饱和度调整、亮度／对比度调整、多通道颜色调整)，颜色变换(彩色图像灰度化、真彩色图像256色化)，矢量滤波，和作重点研究的彩色图像分割(聚类法、阈值法、区域生长法、边缘提取)。
Compared with traditional quantitative analysis of metallography (QAM), computer-aided QAM has more advantages such as faster speed, high efficiency, more credible, reproducibility easily. With the development of computer technology, it is inevitably that the computer-aided QAM will take the place of the traditional QAM.
But, in recently two or three decades in China, the research on computer-aided QAM stays on the grey; this is insufficiency in some quantitative metallography assignment because of the improvement of the QAM requirement and precision. With the rapidly development of color image processing and the computer storage, in many academe color metallography is being used in QAM to get more information because of its intensive contrast and strong discrimination.
We developed the Color Metallography Image Compute-aided Analysis System (CMAS). The System is composed of an XJL-02 standing microscopy, a CCD camera system, a video image sampling card, a computer system and the software what we developed specially for this system. Furthermore, it provides many powerful functions including image recording, image sampling, image processing, parameter measurement, result analysis and so on.
According to the characters of color metallography image, we implemented various kinds of color image processing approaches, including color enhancement (Hue/Saturation adjustment, Brightness/Contrast adjustment, multi-channel color adjustment), color transform (color to gray, true color to 256 colors), vector filtering, and most of important, color image segmentation (clustering, threshold, region growing, edge detection). All of these are the important parts of CMAS.
不过，纵观这三、四十年计算机辅助定量金相分析的发展，国内大多是停留在黑白金相图像的处理上，即利用灰度来进行图像的处理和分析。随着对金相定量要求和精度的提高，这种基于灰度的黑白图像分析在许多定量金相的分析任务中已经显出有些无力。随着彩色图像处理技术的快速发展和计算机储存与处理能力的飞速提高，目前许多国家研究人员已经着手研究利用彩色金相图像来进行分析，因为其衬度鲜明、可分辨能力强等特点。
本课题是南京东图数码科技公司(即原江南光学仪器厂的技术开发部门)的一个委托研究项目，在该公司提供的实验设备的基础上，建立一套彩色金相计算机辅助分析系统(CMAS-Color Metallography Image Compute-aided Analysis System)。该系统集XJL—02立式显微镜、CCD摄像头、视频图像采集卡、计算机显示系统于一体，实现了从彩色金相图像记录、采集、预处理到特征参数测量、结果分析和打印等一系列功能。
该系统针对彩色金相显微图像的特点，重点建立一系列适合金相应用的彩色图像处理方法作为CMAS系统的重要组成部分。这些方法包括彩色增强(色调／饱和度调整、亮度／对比度调整、多通道颜色调整)，颜色变换(彩色图像灰度化、真彩色图像256色化)，矢量滤波，和作重点研究的彩色图像分割(聚类法、阈值法、区域生长法、边缘提取)。
Compared with traditional quantitative analysis of metallography (QAM), computer-aided QAM has more advantages such as faster speed, high efficiency, more credible, reproducibility easily. With the development of computer technology, it is inevitably that the computer-aided QAM will take the place of the traditional QAM.
But, in recently two or three decades in China, the research on computer-aided QAM stays on the grey; this is insufficiency in some quantitative metallography assignment because of the improvement of the QAM requirement and precision. With the rapidly development of color image processing and the computer storage, in many academe color metallography is being used in QAM to get more information because of its intensive contrast and strong discrimination.
We developed the Color Metallography Image Compute-aided Analysis System (CMAS). The System is composed of an XJL-02 standing microscopy, a CCD camera system, a video image sampling card, a computer system and the software what we developed specially for this system. Furthermore, it provides many powerful functions including image recording, image sampling, image processing, parameter measurement, result analysis and so on.
According to the characters of color metallography image, we implemented various kinds of color image processing approaches, including color enhancement (Hue/Saturation adjustment, Brightness/Contrast adjustment, multi-channel color adjustment), color transform (color to gray, true color to 256 colors), vector filtering, and most of important, color image segmentation (clustering, threshold, region growing, edge detection). All of these are the important parts of CMAS.
引文
【1】 秦国友，定量金相[M]．成都：四川科学技术出版社，1987．
【2】 余永宁，刘国权．体视学一组织定量分析的原理和应用[M]．北京：1989．
【3】 G．E．彼里西阿，S．M．浦迪．体视学和定量金相学[M]．北京：机械工业出版社，1980．10
【4】 赵敏伦．体视学与图像分析研究进展[M]．1996．
【5】 上海市机械制造工艺研究所．金相分析技术[M]．上海：科学技术文献出版社，1987．6
【6】 E．BERAHAB．SHPIGLER著，林慧国译．彩色金相CM]．北京：冶金工业出版社，1984．4
【7】 《彩色金相技术》编写组．彩色金相技术【应用图册】 [M]．1991．11
【8】 郑运荣，张德堂．高温合金与钢的彩色金相的研究[M]．国防工业出版社，1999．7
【9】 周继扬．铸铁彩色金相学[M]．机械工业出版社，2002．9
【10】 刘瑞琦．彩色金相图谱[M]．辽宁科学出版社，1996．8
【11】 吴培英．彩色金相技术【原理及方法】 [M]．1987．
【12】 赵电波．基于图像技术的微机定量金相分析系统[D]．杭州：1998．
【13】 陈东升．基于专家系统的计算机辅助定量金相分析系统[D]．杭州：2001．
【14】 许建广．基于COM技术的定量金相分析专家系统[D]．杭州：2002．
【15】 王建萍．基于数字图像处理的金相几何参数的定量分析与研究[D]杭州：2003．
【16】 王冶波．医学显微图象分析系统的建立和彩色图象处理方法的研究[D]杭州：2000．
【17】 黄建忠．彩色图像处理及其在影视业中的若干应用研究[D]武汉：1997
【18】 刘国权．材料三维组织形态研究：进展与展望[J]．CT理论与应用研究，2000，9(增刊)
【19】 赵子文，袁占亭，张秋余．计算机彩色金相技术[C]．第七届国际计算机会议论文集，2001
【20】 [日]谷口庆治．数字图像处理—应用篇[M]．科学出版社，2002．7
【21】 Rafael C. Gonzalez, Richard Z. Woods. Digital Image Processing [M]. 2002.
【22】 Kenneth R. Castleman. Digitallmage Processing [M]．电子工业出版社，2002．
【23】 王文惠，楼生强等．一种彩色图像的非线性自适应滤波算法[J]．计算机工程与科学，2001，23【4】．
【24】 赵仕良．一种由于彩色图象处理的自适应阙值分割方法[J]．四川师范大学学报，2002，25：405-408，
【25】 杨新，藤奇志等．肺组织切片彩色图像中肺泡膈厚度的自动计算[J]．自动化理论技术与应用
2000，21：174-177
【26】 孙杰，张铁群等．彩色目标识别中的单通道目标分割方法[J]．南开大学学报，2002，35(1)．
【27】 姚远，王广雄等．基于模糊细胞神经网络的彩色图像形态学重构[J]．计算机学报，1999，22(7)
【28】 潘晨，陆宗骐等．基于颜色的微血管参数测量研究[J]．计算机研究与发展，2002，139(7)．
【29】 陆建峰，刘建雷等．一个用于肺癌早期诊断的彩色图像处理系统[J]．高技术通讯，1997．3
【30】 王月兰，曾迎生．彩色地形图要素分割算法的研究’99青岛．香港国际计算机会议论文集[C]．1999
【31】 蔡灿辉，丁润涛．超复数空间彩色边缘检测器的实现[J]．数据采集与处理，2002，17(4)．
【32】 黄樟灿，陆昊娟，李亮．彩色图象去噪方法探讨[J]．计算机工程与科学，2001，23(4)．
【33】 基于矢量的彩色图象边缘检测[J]．计算机工程与应用，2001，23：106-108
【34】 血液细胞彩色图像的微机自动计数研究[J]．徐州医学院学报，1998，18(5)
【35】 李厚强，刘政凯，詹曙．一种彩色纹理图像的分割方法[J]．计算机学报，2001，24(9)．
【36】 潘立松，蔡宣平等．一种改进的彩色图像矢量中值滤波器[J]．计算机工程，2001，27(6)．
【37】 王爱民，赵忠旭．基于矢量Prewitt算子的多尺度彩色图像边缘检测方法[J]．1999，12(4)：A
【38】 石俊生，杨卫平等．彩色图像分割与颜色特征选择[J]．云南师范大学学报，1999．19(6)
【39】 彭超，刘荣运．定量金相在高速钢扫描电镜断口分析中的应用[J]．重庆特钢，1996，(1)．-41-42，44
【40】 唐慧明．一种微机定量金相分析系统[J]．科技通报．1995，11(5)．-275-279．
【41】 陈万春等．图像分析技术应用文集[C]．南京佳南光电有限公司，1992．
【42】 蔡明东，袁浩扬．球铁金相定量检测系统的研制[J]．现代铸铁，2000，(1)．-35-39
【43】 David J．Kruglinski，Scot Wingo，George Shepherd．VC++6．0技术内幕[M]．北京希望电子出版社
【44】 K．R．Castleman，朱志刚等译．数字图像处理[M]．电子工业出版社，1998．
【45】 何斌等．Visiual C++数字图像处理[M]．人民邮电出版社，2001，4．
【46】 郎锐．数字图像处理学Visiual C++实现[M]．北京希望电子出版社，2003，1．
【47】 [美]Michael J．Young，邱仲潘等译．Visiual C++6从入门到精通[M]1999，1．
【48】 章毓晋著．图像工程——图像处理和分析[M]．清华大学出版社，1999．
【49】 张远鹏等．计算机图像处理技术基础[M]．北京大学出版社，1996．
【50】 夏德深，傅德胜．现代图像处理技术与应用[M]．东南大学出版社，1997．
【51】 容官澳．计算机图像处理[M]．清华大学出版社，2000．2
【52】 Antonini M, Borlangd M, Mathien P. Image coding using wavelete transform [J]. IEEE Trabs on lmage Processuing, 1992, 1:205-220
【53】 沈庭芝，方子文．数字图像处理及模式识别[M]．北京理工大学出版社，1997
【54】 张小喜，毕革平．金属图像处理算法的研究[J]．北京理工大学学报．2000，20(6)．-668-671
【55】 李志敏，秦国友．定量金相的图像分析技术[J]．光电工程．1995，22(4)．-46-50
【56】 Konstantinos N. Plataniotis, Dimitrios Androutsos, Anastasios N. Venetsanopoulos. Color Image filters: the Vector directional approach[J]. Optical Engineering, 1997, 36(9):2375-2383
【57】 Panos E. Trahanisa, Damianos Karakos, Anastasias N. Venetsanopoulos. Directional Processing of Color Image: Theory and Experimental Results [J]. IEEE Tansactions On Image Processing, 1996, 5(6):868-879
【58】 N.R. Pal, S. K. Pal. A Review On Image Segmentation Techniques [J]. Pattern Recognition, 1993, 26(9): 1277-1294
【59】 Young Won Lim, Sang UK LEE. On the color image segmentation algorithm based on the thresholding and the fuzzy c-means techniques [J]. Pattern Recognition, 1990, 23(9): 935-952,
【60】 Mark Nischik, Clemens Forster. Analysis of Skin Erythema Using True-Color Image [J]. IEEE Transactions On Medical Imaging, 1997, 16(6): 711-716
【61】 S.E. Umbaugh, et al: Automatic Color Segmentation Algorithms with Application to Skin Tumor Feature Identification, IEEE Engineering in Medecine and Biology, Sep. 1993, 75-82
【62】 P. Campadeli, et al: Color image segmentation using Hopfield networks, Image and Vision Computing, 1997, 15(4), 161-166
【63】 Alain Tremeau, Nathalie Borel. A Region Growing and Merging Algorithm To Color Segmentation [J]. Pattern Recognition, 1997, 30(7): 1191-1203
【64】 Mehmet Celenk. A Color Clustering Technique for image Segmentation [J]. Computer Vision, Graphics, and Image Processing, 1990, 52:145-170.
【65】 Gaurav Sharma and H. Joel Trussell, Digital Color Imaging, IEEE Transactions On Image Processing, 1997, 6(7): 901-928
【2】 余永宁，刘国权．体视学一组织定量分析的原理和应用[M]．北京：1989．
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【13】 陈东升．基于专家系统的计算机辅助定量金相分析系统[D]．杭州：2001．
【14】 许建广．基于COM技术的定量金相分析专家系统[D]．杭州：2002．
【15】 王建萍．基于数字图像处理的金相几何参数的定量分析与研究[D]杭州：2003．
【16】 王冶波．医学显微图象分析系统的建立和彩色图象处理方法的研究[D]杭州：2000．
【17】 黄建忠．彩色图像处理及其在影视业中的若干应用研究[D]武汉：1997
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【37】 王爱民，赵忠旭．基于矢量Prewitt算子的多尺度彩色图像边缘检测方法[J]．1999，12(4)：A
【38】 石俊生，杨卫平等．彩色图像分割与颜色特征选择[J]．云南师范大学学报，1999．19(6)
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【57】 Panos E. Trahanisa, Damianos Karakos, Anastasias N. Venetsanopoulos. Directional Processing of Color Image: Theory and Experimental Results [J]. IEEE Tansactions On Image Processing, 1996, 5(6):868-879
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【65】 Gaurav Sharma and H. Joel Trussell, Digital Color Imaging, IEEE Transactions On Image Processing, 1997, 6(7): 901-928