专利名称：焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法
技术领域：
本发明涉及一种焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法。
背景技术：
高分辨透射电镜(HRTEM)作为一种晶格成像技术，其分辨率可达0.14nm，可以直接观察晶体的微观结构，一方面能够在原子水平上为晶体结构提供最直接的证据，另一方面，如果是规则晶体，通过HRTEM晶格图像，可以直接计算得到晶体的结构参数，从而能够从理论上解释物质的宏观性质，揭示物质微观结构与宏观性质之间的联系规律。
焦炭是由煤经过炼焦而得到的，在冶金行业，尤其是炼铁领域内，焦炭有着十分重要的应用。对焦炭的微观结构的研究成为了该领域技术人员的研究重点之一。研究发现，焦炭含有大量相互平行的石墨层片单元，而这些单元又是杂乱无章的排列在一起，因而焦炭在微观上主要表现为层片状的石墨微晶结构。
从焦炭的HRTEM晶格图获取焦炭微晶结构定量信息的重要前提是，HRTEM晶格图中代表石墨层片的条纹必须是独立的、脱离于背景的和可识别的。如图1所示，为典型的焦炭原始的HRTEM图像，显然图1中所显示的信息并不能满足上述要求，这是因为焦炭中的石墨层片的直径很小，即微晶单元的尺寸很小，通常仅在几个纳米左右，限于透射电镜所能达到的分辨率水平，用HRTEM获得的焦炭微晶图像的清晰度和锐利度不足以支持直接从该图像计算各种晶体结构参数，使得高分辨透射电镜在对焦炭微晶结构的研究中仅停留在定性阶段，图像质量成为从定性到定量这一跨越的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其可以将原始的焦炭HRTEM图像转换得到清晰的石墨微晶条纹图，并可直接被用于计算石墨微晶的大小和层片间距等微晶参数。
为达到上述目的，本发明提供一种焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其包含以下步骤步骤1、图像过滤去除图像中的杂质信号，并突显图像中所需要的对象信息，该图像过滤过程还包含以下步骤步骤11、对图像进行二维快速傅立叶变换，即2D-FFT，将原始焦炭HRTEM图像，即实域图转换为频域图；步骤12、以一定的频率范围对频域图进行过滤，滤除杂质信号；步骤13、对频域图进行逆快速傅立叶变换，再转换为实域图；步骤2、图像分割在0～255中确定能使图像的分割效果最佳的阀值，对过滤后的图像进行二值化处理，分割成黑白二值图，即图像背景为白色，条纹为黑色；步骤3、条纹骨架化把经过图像分割的焦炭晶格黑白二值图中的条纹转换为单像素条纹，即可由计算机直接计算相关参数；该条纹骨架化过程还包含以下步骤步骤31、对经过图像分割的黑白二值图进行先侵蚀再扩张的操作，除去二值化处理过程中引入的仅单个像素的杂质信号，并可在不损坏条纹原有形状的前提下，使得那些连接并不紧密的，但本不属于一个层片的条纹较好的分离；步骤32、进行中轴变换(Medialaxis transform)，也就是不断的对图像其进行侵蚀操作，直至其中的条纹仅有一个像素的宽度；所述的步骤1所包含的步骤12中的频率范围为1/0.3～1/0.5nm-1，尤以1/0.33～1/0.45nm-1的频率范围为优选；所述的步骤2中的阀值的选取范围在50～150内，尤以80～120的范围为优选。
使用本发明提供的焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，在最终得到的清晰的石墨微晶条纹图中，焦炭微晶中的石墨微晶层片显示为各自分离的且脱离于背景的条纹，使得计算机能够直接对这些石墨微晶条纹进行自动识别；同时，由于这些石墨微晶条纹均为单像素，计算机很容易便能计算这些条纹的长度和条纹的间距，也就是石墨微晶的大小和石墨层片的间距等结构参数。
图1为背景技术中原始的焦炭HRTEM图像；图2为本发明中焦炭微晶HRTEM图像的处理流程图。
具体实施例方式
以下以钱家营焦样的原始HRTEM图像为例，结合图2，说明本发明的一较佳实施例。
该钱家营焦样的原始HRTEM图像，是256级的灰阶图，构成图像的每个像素分别被赋予从0～255的值，表示其所在的灰度级。
如图2所示，钱家营焦样的原始HRTEM图像的处理方法包含以下步骤步骤1、图像过滤去除图像中的杂质信号同时突显图像中所需要的对象信息；该图像过滤过程还包含以下三个步骤步骤11、对钱家营焦样的原始HRTEM图像a进行二维快速傅立叶变换，即2D-FFT，将原始实域图a转换为频域图b；频域图b表示出原始实域图a的空间频率分布状况，频域图b的中心区域表示低频区域，越远离中心点的频率越高；从频域图b中可以看到，图中表达有序化的地方是存在两道较亮的同心弧，说明了微晶具有一定的择优取向，即微晶条纹基本上有相同的走向；步骤12、以一定的频率范围对频域图b进行过滤，保留频域图b中表达有序结构的频率段，而剔除无序部分的频率段，得到过滤后的频域图c；由于完美的石墨晶体的层片的层间距为固定的0.335nm，层片以这个间距无限制的重复下去，因而其频率为1/0.335nm-1；但是焦炭中的石墨微晶并不完美，其层片间距往往大于这一值，而且还不唯一；因此，需要保留的是表达有序结构的某一频率段，也就是保留频域图b中那两道较亮的且具有一定宽度的同心弧；故选择1/0.3～1/0.5nm-1的频率范围，进一步优选1/0.33～1/0.45nm-1的频率范围对频域图b进行过滤，保留1/0.33～1/0.45nm-1的频率段内的信息，得到过滤后的频域图c；在过滤后的频域图c中，微晶排列的各向异性被更明显的显现为一个同心亮环，该同心亮环的宽度即表示所选取的频率段；步骤13、对过滤后的频域图c进行逆快速傅立叶变换，再转换为过滤后的实域图d；在过滤后的频域图c中，微晶排列的各向异性被更明显的显现为一个同心亮环，在空间上无指向性，故将其通过逆快速傅立叶变换得到过滤后的实域图d，在图d上已较明显的显示出微晶条纹的分布排列；步骤2、图像分割从0～255中确定能使图像的分割效果最佳的阀值，将经过过滤后的图像分割为黑白二值图e，即图像背景为白色，条纹为黑色；过滤后的实域图d依然是256灰阶图，条纹与条纹间的界线虽然明显，但还不足以让计算机自动识别和区分；故需对过滤后的实域图d进行二值化处理，把图像变为只有黑和白两种灰度级，即微晶条纹为黑色，背景为白色；二值化处理就是用0或1这两个数值对构成图像的像素进行重新赋值，使得计算机能够根据图像的像素值自动识别条纹，与背景区分开来；由于过滤后的实域图d中的条纹与背景各自具有相近的灰度值，因此阀值(Threshold，或称门限)应取自条纹灰度值和背景灰度值之间的某一值，同时，阀值的选取还受到钱家营焦样的原始HRTEM图像a的曝光效果的影响，若曝光过度，图像的整体灰度级偏高，即图像偏白，阀值将会随之升高；反之亦然；故阀值优选在50～150，进一步优选在80～120的范围内；将图像中每一点的像素灰度值与该阀值进行比较，若像素灰度值大于阀值，则对该像素重新赋灰度值1，将该点显示白色，表示图像背景；若像素灰度值小于阀值，则对该像素重新赋灰度值0，将该点显示黑色，表示微晶条纹；二值化处理后得到黑白二值图e，可见，微晶条纹已经完全从背景中脱离出来；步骤3、条纹骨架化把经过图像分割的黑白二值图e中的条纹转换为单像素条纹，即可由计算机直接计算相关参数；经过图像分割的黑白二值图e中的条纹是具有一定“厚度”的，而事实上石墨层片的厚度相对于其二维尺寸来说是微乎其微的，因此这不是真正意义上的条纹，故采用骨架化处理使条纹零厚度化，将条纹转换为单个像素厚，以便于计算机直接计算条纹的相关参数；该条纹骨架化过程包含以下两个步骤
步骤31、对黑白二值图e进行先侵蚀再扩张的操作，侵蚀操作可以除去二值化处理过程中引入的仅单个像素的杂质信号，因为小于等于4个像素组成的物体会直接被侵蚀掉；而扩张操作可在不损坏条纹原有形状的前提下，使得那些连接并不紧密的，但本不属于一个层片的条纹能有较好的分离；步骤32、对黑白二值图e进行中轴变换(Medialaxis transform)，也就是不断的对其进行侵蚀操作，直至其中的条纹仅有一个像素的宽度，得到最终的条纹图f。
利用本发明最终得到的条纹图是由0和1组成的数字化图像，其优点在于，焦炭微晶中的石墨微晶层片显示为各自分离的且脱离于背景的条纹，使得计算机能够直接对这些石墨微晶条纹进行自动识别；同时，由于这些石墨微晶条纹均为单像素，很容易便能计算这些条纹的长度和条纹的间距，也就是石墨微晶的大小和石墨层片的间距等结构参数。
以上的实施例只是为了更好的说明本发明所提供的方法，并非用来限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书限定的保护范围为准。
权利要求
1.一种焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其包含以下步骤步骤1、图像过滤去除原始焦炭HRTEM图像中的杂质信号，并突显图像中所需要的对象信息；其包含以下步骤步骤11、对原始焦炭HRTEM进行二维快速傅立叶变换，转换成频域图；步骤12、选取一频率范围对频域图进行过滤，滤除杂质信号；步骤13、对频域图进行逆快速傅立叶变换，再转换成实域图；步骤2、图像分割在0～255中确定能使图像的分割效果最佳的阀值，对过滤后的图像进行二值化处理，分割成黑白二值图；步骤3、条纹骨架化把经过图像分割的焦炭晶格黑白二值图中的条纹转换为单像素条纹。
2.如权利要求1所述的焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其特征在于，所述的步骤1所包含的步骤12中的频率范围为1/0.3～1/0.5nm-1，尤以1/0.33～1/0.45nm-1的频率范围为优选。
3.如权利要求1所述的焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其特征在于，所述的步骤2中的阀值的选取范围在50～150内，尤以80～120的范围为优选。
4.如权利要求1所述的焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其特征在于，所述的步骤3还包含以下步骤步骤31、对经过图像分割的黑白二值图进行侵蚀、扩张操作，除去二值化处理过程中引入的仅单个像素的杂质信号，并可在不损坏条纹原有形状的前提下，使得那些连接并不紧密的，但本不属于一个层片的条纹较好的分离；步骤32、进行中轴变换，即不断的对图像进行侵蚀操作，至条纹仅有一个像素的宽度。
全文摘要
一种焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其包含以下步骤1.图像过滤，对原始的焦炭HRTEM图像进行二维快速傅立叶变换，以一定的频率范围对频域图过滤，再进行逆快速傅立叶变换为实域图；2.图像分割在0～255中确定阀值，将过滤后的实域图分割为黑白二值图；3.条纹骨架化把黑白二值图中的条纹转换为单像素条纹。本发明提供的焦炭微晶高分辨透射电镜图像的处理方法，其可以将原始的焦炭HRTEM图像转换得到清晰的石墨微晶条纹图，并可直接被用于计算石墨微晶的大小和层片间距等微晶参数。
文档编号G06K9/54GK1873659SQ20051002632
公开日2006年12月6日 申请日期2005年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者吴信慈, 杨俊和, 胡德生, 汤国华, 张群, 姜伟忠, 沈风雷 申请人:宝山钢铁股份有限公司, 上海应用技术学院