伪彩色增强技术在金相显微组织分析中的应用研究

厉树忠，刘　进，张　媛

(西北师范大学物理与电子工程学院，甘肃兰州　730070)

摘　要:将数字图像伪彩色增强技术应用于金相分析领域，建立了金属相灰度级～伪彩色映射关系的模型。设计了在计算机上运行的金相伪彩色系统，使输入的金相灰度图像中各相间微弱的灰度差转化为明显的色调差，显著提高了金相组织鉴别的衬度。

关键词:金相显微组织；伪彩色增强；灰度差；色调差；衬度

　随着计算机技术以及数字图像处理技术的发展，数字图像处理的伪彩色增强技术在声纳图像，医学图像中的应用不乏其例，但在金相分析领域，利用数字图像技术实现彩色金相的方法，特别是将金相灰度差转换为色调差的伪彩色增强金相显微组织的方法(下称伪彩色金相方法)，经笔者查新尚未发现相关的专利和报道。

笔者基于数字图像伪彩色增强技术[4]实现彩色金相。针对金相显微组织图像诸多金属相灰度及灰度差的特点，建立了金属相灰度级～伪彩色映射关系模型，并设计了金相伪彩色转换系统，将金相灰度图像中各相间微弱的灰度差转化为明显的色调差，从而显著提高了金相显微组织鉴别的衬度。

1　伪彩色金相方法

1.1　金相伪彩色系统的程序结构图

金相伪彩色系统的软件流程图如图1所示。将金相显微组织的灰度数字图像输入计算机，启动金相伪彩色系统进行转换。实现过程为:打开待处理的金相显微组织的图像，确定用户输入为灰度图像，且灰度级为256，大小范围限制在100×100～1024×1024bit；其次是原始图像的金相灰度对比度优劣判定，选择是否需要进行灰度直方图的调整，根据显示的灰度图像及其直方图判断金相灰度对比度是否满意而定；接着对金相灰度对比度合适的金相灰度图像进行伪彩色转换并显示转换结果；最后以JPEG格式保存转换的64色伪彩色图像。上述金相伪彩色系统中的伪彩色转换是伪彩色金相方法的核心模块，它依据于金属相灰度级～伪彩色映射关系的模型而建立。

1.2　伪彩色转换的建模设计

在实际应用中，由于处理的对象不同，因而存在多种不同的灰度级～伪彩色之间的映射关系。本方法中金属相的灰度级～伪彩色的映射关系模型是具有金相鉴别特色组成方式的红、绿、蓝光三基色映射函数经验公式和映射函数描绘曲线。在我们试验的多种技术方案中，唯有这种设计模型能够较好兼顾灰度显微组织中各金属相之间的灰度差，转换成明显可分的色调差。

红、绿、蓝光三基色映射函数的经验公式如下：

以上R(x，y)，G(x，y)，B(x，y)各自代表红、绿、蓝三基色对灰度输入变量f(x，y)的映射函数，所对应的映射函数描绘曲线如图2所示。

图2　红、绿、蓝光三基色映射函数描绘曲线

在图2中，对于横坐标(0，1，⋯，63)输入值中的某一灰度级f(x，y)，在纵坐标输出值中分别对应红、绿、蓝光3个刺激分量(R，G，B)不同的比例系数r，g，b，伪彩色值C的计算可由(4)式实现

C=rR+gG+bB。(4)

　　在图2中，红、绿、蓝三基色这种非对称分布状态设计(绿线居中靠近红线)是经过长期经验积累、大量配色方案分析和反复实验而成的，不仅适合灰度差较大的相邻相，而且有利于诸多微弱灰度差的相邻相(如钢铁中碳化物、铁素体、马氏体等白亮相)的彩转区分。

设一幅M行N列的金相显微组织的灰度数字图像IMN中坐标(x，y)处的灰度值为f′(x，y)，则在公式(1)，(2)，(3)和图2中，输入变量f(x，y)是对原始图像灰度f′(x，y)的切分，其切分公式为f(x，y)=[f′(x，y)/4]。(5)

[f′(x，y)/4]表示向零取整。

利用上式对8bit灰度图像灰度级(0，1，⋯，255)切分而得到的64级灰度输入值，共可合成64种伪彩色调，完全满足金属材料中数十种金属相区分的需要，总体具有“黑灰—灰—浅灰—白色”对应“蓝—绿—黄—红”伪彩色的渲染规律。

2　伪彩色金相方法的应用效果及实例

用本方法对大量不同工艺条件下各类金属材料的灰度金相显微组织实施伪彩色转换，最有实效的是原始金属。因其相灰度差小，不易分辨，但转变成伪彩色后各相衬度显著提高，很容易区分和鉴别。例如图3(a)是扫描仪取自文献[5]胶印图片的灰度图像，图4(a)是取自工业现场金相显微镜照片的灰度图像；图3(b)，图4(b)是相应的伪彩色转换结果。图3(a)所示高速钢W18Cr4V淬火组织的灰度图像，在灰色的马氏体O残余奥氏体基体上分布有白色块状、白色骨骼状碳化物(共晶莱氏体)，黑色团状的淬火屈氏体和淬火索氏体(δ相的共析产物)，其中马氏体O残余奥氏体基体与碳化物的灰度差较小，靠灰度不易区分。在图3(b)伪彩色图像中，块状、骨骼状的一次碳化物被渲染成深红色，马氏体O残余奥氏体被渲染成浅红色，色差明显；蓝色区为黑色组织，其中深蓝色的淬火屈氏体与湖蓝色的淬火索氏体区分显明，其中橘黄色点为二次碳化物；马氏体O残余奥氏体粗看为一片红，细看仍有深浅之分，深为残余奥氏体，浅为马氏体，而在灰度图像中不可能分清；黄色轮廓为相界(因文中无法印刷彩色照片，故不能显示应有的效果)。

图4(a)所示铍青铜QBe215Y工件固溶不足组织的灰度图像取自工业现场，在金相显微镜下可见白色大块状α相，少量白色颗粒状NiBe相，灰色块状β相(γ1相)及其黑色共析体(α+γ2)。在图4(b)伪彩色图像中，α相被渲染成深红色，NiBe相为红色，β相为黄绿色，(α+γ2)组织为蓝色，各金属相与组织都得到了明显的区分。

(a)灰度图像(Grayimage)                                  (b)伪彩色图像(PseudoOcolorimage)

图3　高速钢W18Cr4V淬火组织4%硝酸酒精溶液浸蚀(500×)

(a)灰度图像(Grayimage)                                    (b)伪彩色图像(PseudoOcolorimage)

图4　QBe215Y铍青铜淬火组织015%～1%CrO3水溶液电解腐蚀(200×)

3　伪彩色金相方法的特点

笔者将数字图像的伪彩色增强技术应用于金相组织分析领域，将灰度显微组织中各金属相的不同灰度级成功地映射到彩色空间，使金相灰度图像中各相间微弱的灰度差转化为明显的色调差，成为一种新的彩色金相方法。与别的彩色金相方法相比，伪彩色金相方法具有如下特点:

1)对输入计算机的灰度金相图像，不论从金相显微镜采集，还是从灰度照片扫描，均能够快速彩转，瞬间完成。

2)伪彩图像中各金属相色彩稳定，显示精确，色差较大，相衬度高，易于识别。

3)无污染，投入少，成本低。

4)操作简便，易学易用，便于普及。

5)彩图色差反映金相灰度的相对之差，隐含金相样品浮凸层的高低相对之差及各晶体相对金相蚀剂的耐蚀性能。

由于金相显微组织本身存在复杂的混沌特性，而且图像灰度易受金相试样侵蚀条件和显微摄影成像条件的影响，有时会出现同相异色或异相同色的现象。针对同相异色问题，有效的解决途径是较好地控制一个试样表面侵蚀的均匀性和显微摄影照明的均一性，即原始灰度图像本身应当是同相同灰度、异相异灰度，那就能够满足对同一个样品组织的同相同色、异相异色的彩转要求；而对于同样组织的多个样品，还要控制侵蚀条件(侵蚀剂及其浓度、温度和侵蚀时间等)和摄影参数(摄影曝光量、胶片冲洗、照片显影等)的标准化，才能使之趋于同相同灰度、异相异灰度，彩转后的图像随之达到同相同色、异相异色的效果。对于偶尔出现的异相同色问题，即同一样品组织图像中某两个相灰度近似，难以区分，本系统具有预处理的功能，利用直方图处理尽可能提高其灰度差，彩转后用色差加以区分；除此而外，则是充分利用先验知识，结合各种金属相形态和分布特征以及伪彩转化后微弱的色调差做出正确的判断。譬如图4中所示，α相和NiBe相灰度差较小，根据伪彩色转化后红色的深浅程度，再结合α相大量集中、呈现大块状，而NiBe相少量分散、呈现小颗粒的形态特征，即可做出正确的判断。

本方法试运行于几家较大企业的金相分析中心，配用于普通金相显微镜，分析生产中出现的各类金属材料不同工艺条件下的显微组织，对复杂金相显微组织的识别与分析体现出一定的优越性。克服了现今仅仅以金相形态识别金相显微组织的复杂和困难，也避开了以往彩色金相方法的繁琐和弊端。从而大大提高了检验质量和生产效率。