Теоретичні та методологічні основи просторового моделювання мікроповерхонь об’єктів за даними цифрової РЕМ-фотограмметрії

Abstract

Робота містить теоретичні та експериментальні дослідження розробленої технології просторового моделювання мікроповерхонь дослідних об’єктів за їх цифровими РЕМ-зображеннями. В ній приведені формули зв’язку просторових координат точок мікроповерхні об’єктів з відповідними їх координатами точок на РЕМ-стереопарах, які отримані на основі загальної теорії перспективно-афінного відображення для основних випадків РЕМ-стереознімання. В роботі представлені результати метричних досліджень цифрових РЕМ-зображень, отриманих на 4 типах РЕМ провідних фірм світу в діапазоні збільшень (від 1000х до 30000х крат), визначені характер і величини геометричних спотворень та подано методику ефективного їх врахування, а також приведено розроблену технологію автоматизації калібрування геометричних спотворень цифрових РЕМ-зображень. що дозволяє суттєво прискорити ці процеси, і уникнути помилок суб’єктивного характеру. В дисертації встановлено, що РЕМ-зображенням при різних збільшеннях притаманні властивості скейлінга, що дозволило застосувати до них принципи фрактальної геометрії і визначити ряд додаткових кількісних показників, які притаманні конкретному типу РЕМ та використати їх для більш ефективного калібрування геометричних спотворень цифрових РЕМ-зображень. В роботі приведені результати експериментальних досліджень різноманітних математичних методів побудови цифрових моделей мікрорельєфу дослідних об’єктів, а також дано рекомендації по їх найбільш ефективному використанні в залежності від типу мікроповерхні та характеру рельєфу. Розроблена методика автоматизованої побудови цифрової моделі мікроповерхні об’єкта за стереопарами цифрових РЕМ-зображень, а також наведені приклади використання розроблених методів при дослідженнях кінетики розвитку втомних руйнувань металу, його деформацій під впливом механічних і термічних чинників, а також в дослідженнях просторової мікроструктури лесових ґрунтів. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования разработанной технологии пространственного моделирования микроповерхностей исследовательских объектов по их цифровым РЭМ-изображениям. В ней приведены формулы связи пространственных координат точек микроповерхности объектов с соответствующими их координатами точек на РЭМ-стереопаре, полученные на основе общей теории перспективно-аффинного отображения для основных случаев РЭМ-стереосъемки. В работе представлены результаты метрических исследований цифровых РЭМ изображений, полученных на 4 типах РЭМ ведущих фирм мира в диапазоне увеличений (от 1000х до 30000х крат), определены характер и величины геометрических искажений и представлена методика эффективного их учета, а также приведена разработанная технология автоматизации калибровки геометрических искажений цифровых РЭМ-изображений, что позволяет существенно ускорить эти процессы и избежать ошибок субъективного характера. В диссертации установлено, что РЭМ-изображениям при различных увеличениях присущи свойства скейлинга, что позволило применить к ним принципы фрактальной геометрии и определить ряд дополнительных количественных показателей, которые присущи конкретному типу РЭМ и использовать их для более эффективной калибровки геометрических искажений цифровых РЭМ-изображений. В работе приведены результаты экспериментальных исследований различных математических методов построения цифровых моделей микрорельефа исследовательских объектов, а также даны рекомендации по их наиболее эффективному использованию в зависимости от типа микроповерхности и характера рельефа. Разработана методика автоматизированного построения цифровой модели микроповерхности объекта по стереопаре цифровых РЭМ-изображений, а также приведены примеры использования разработанных методов при исследованиях кинетики развития усталостных разрушений металла, его деформаций под воздействием механических и термических факторов, а также в исследованиях пространственной микроструктуры лессовых грунтов. The theoretical and experimental studies of the developed technology of spatial modeling of micro surfaces of research objects by their digital SEM images is presented in the thesis. On the basis of the general theory of the perspective-affine transformation, for three practical cases of SEM stereo imaging, formulas for the relationship of the spatial coordinates of the points of the micro surface of the object with the corresponding coordinates of the points of the SEM stereo pair were obtained. Experimental calculations confirmed the correctness of the obtained formulas and the theoretical accuracy of determining the spatial coordinates of the points of the micro surfaces of research objects. The method for determining the real magnifications (scales) of SEM digital images was developed. This method makes it possible to calculate the scale distortions of SEM digital images with an accuracy of ± 0.5%. New approaches, methods and technology for automating the calibration of digital SEM images for determining the values of geometric distortions and their effective registration have been developed and investigated. There were established that SEM images for various magnifications have inherent scaling properties, that is, scale invariance or self-similarity. For the first time, a comparative analysis of their statistical and scaling characteristics for different types of SEM is carried out. These studies made it possible to reasonably apply the principles of fractal geometry for the processing of SEM digital images and to determine a number of additional quantitative parameters inherent only in this type of SEM. There was demonstrated the efficiency and expediency of their use in the process of calibration of geometric distortions of SEM digital images, which allowed to speed up these processes, and, most importantly, to avoid errors of a subjective nature. On the basis of the theoretical and methodological research, the optimal parameters of SEM imaging (the magnification-scale value, the tilt angles of the goniometric stage) were established, which allowed obtaining spatial parameters of the micro surfaces of research objects with the required accuracy. Based on a large number of experimental studies, comparisons of the metric parameters of digital images obtained on the SEM of the world's leading companies in a wide range of increases (from 1000x to 40000x) were established and performed. Taking these parameters into account allowed us to essentially increase (in 2-10 times) the accuracy of obtaining the spatial coordinates of the points of the micro surfaces of research objects. The most effective types of mathematical methods for constructing digital models of micro relief of research objects, depending on the type of micro surface and the nature of the relief, were established by the results of experimental studies. There was proposed, developed and studied the technique of automated construction of a digital model of a micro surface of an object by a stereo pair of SEM digital images. This significantly reduced the processing time of images while maintaining the requirements for the accuracy of determining the spatial coordinates of the micro surface of the object. The technique of 3D-reconstruction and visualization of micro surface of research objects using the software package Surfer was applied. Studies tested the kinetics of fatigue fracture development of metal, its deformations under the influence of mechanical and thermal factors, and also the spatial microstructure of loess soils. On the basis of theoretical developments, the SEM digital image processing algorithm was developed and for the first time in Ukraine the "Dimicros" software was created and it is possible to perform SEM image measurements, obtain metric image parameters, effectively consider their geometric distortions and calculate the spatial coordinate points of the micro surface objects with accuracy, necessary for researchers.