Інформаційна технологія автоматизованого аналізу металографічних та фрактографічних зображень

Abstract

Дисертацію присвячено розробленню інформаційної технології, яка забезпечує підвищення рівня автоматизації, точності та швидкодії аналізу металографічних та фрактографічних зображень для оцінки технічного стану матеріалів відповідальних промислових об’єктів шляхом побудови нових методів кількісного оцінювання геометрії та розподілу елементів їх мікроструктури. Розроблена інформаційна технологія охоплює всі основні етапи досліджень зображень у металографії – від їх формування, виділення об’єктів інтересу, геометричного аналізу, до візуалізації результатів. Серед розроблених методів слід виділити: метод бінаризації напівтонових зображень з використанням оптимального, з точки зору деталізації, значення порогу, який обчислюється із застосуванням кореляційної функції; метод обчислення фрактальної розмірності, який, на відміну від відомих підходів, дає можливість коректно опрацьовувати напівтонові зображення без необхідності їх бінарного представлення; метод визначення усередненого розміру зерен металу за металографічним зображенням, який дозволяє автоматизувати процес обчислення та дає можливість аналізувати металографічні зображення з незамкнутими межами зерен. Диссертация посвящена разработке информационной технологии, которая обеспечивает повышение уровня автоматизации, точности и быстродействия анализа металлографических и фрактографических изображений для оценки технического состояния материалов ответственных промышленных объектов путем построения новых методов количественной оценки геометрии и распределения элементов их микроструктуры. Разработанная информационная технология охватывает все основные этапы исследований изображений в металлографии - от их формирования, выделения объектов интереса, геометрического анализа, к визуализации результатов. Среди разработанных методов следует выделить следующие. Разработан метод калибровки цифровых видеокамер, который построен на основе преобразований Хафа и используется в оптической микроскопии при формировании металлографических и фрактографических изображений. Он дает возможность автоматизировать процесс устранения геометрических искажений, вызванных дисторсией несовершенных оптических систем и повышает точность метрических измерений. Получил дальнейшее развитие метод бинаризации полутоновых изображений с использованием оптимального по детализации значения порога, который высчисляется с применением корреляционной функции. Преимущество предложенного метода заключается в том, что устраняется субъективный фактор в выборе порога бинаризации и появляется возможность анализа металлографических изображений, полученных, в частности, при различных условиях освещения. Усовершенствован метод вычисления фрактальной размерности с использованием поверхностного интеграла, который дает возможность обрабатывать полутоновые изображения без необходимости их бинарного представления и уменьшает среднюю погрешность при локализации объектов интереса по сравнению с известными аналогами. Усовершенствован метод определения усредненного размера зерен металла по металлографическими изображениями. Он построен на основе вычисления фрактальных размерностей и дает возможность автоматизировать процесс определения усредненного диаметра зерен и анализировать металлографические изображение с незамкнутыми границами зерен без необходимости их интерактивного редактирования. Получил дальнейшее развитие метод вычисления фрактальной размерности на основе трехмерного представления поверхности, сформированной интенсивностями пикселей некоторого участка металлографического изображения. Он обеспечил повышенную чувствительность к незначительным изменениям площади поверхностей участков с повреждениями, что сделало возможным его использование для мониторинга признаков усталостных повреждений на поверхности плакированного алюминиевого сплава, который является основой многих авиационных конструкций. Усовершенствован метод автоматизированного определения геометрии зерен, который учитывает требования нормативных документов. На примере анализа металлографических изображений микроструктуры теплостойкой стали, эксплуатируемой на паропроводе ТЭС, установлено, что в отличие от известных подходов, он дает возможность анализировать изображения с нечетко очерченными и разрывными границами зерен. Разработан метод количественной оценки ориентирования и удлиненности зерен на металлографических изображениях с помощью преобразований Хафа. Это создает новые возможности анализа признаков пластического деформирования материалов и определения направления приложенных напряжений, которые непосредственно коррелируют с вытянутостью и ориентированием зерен. Разработан метод вычисления усредненного размера зерен в структуре металла согласно нормативных документов, который из-за применения корректирующего коэффициента, дает возможность повысить точность вычислений. Разработан метод моделирования границ зерен металла с помощью диаграмм Вороного, который расширяет возможности теоретических модельных исследований, направленных на прогнозирование влияния различных факторов на микроструктуру металлов. Одним из его применений является исследование геометрических и статистических соотношений многоугольников на диаграммах Вороного, которые тесно связаны с характеристиками зеренной микроструктуры и материала. На основе разработанных в работе методов и программных средств их реализации синтезированы информационные технологии для решения отдельных задач обработки и анализа металлографических и фрактографических изображений. Синтез информационных технологий сочетает задачи, решаемые при обработке и анализе металлографических и фрактографических изображений. Разработанная информационная технология характеризуются повышенным уровнем автоматизации, быстродействия и точности анализа металлографических и фрактографических изображений, что достигнуто путем разработки новых способов количественной оценки геометрии и распределения элементов их микроструктуры. The dissertation is devoted to the development of information technology, which provides an increase in the level of automation, accuracy and speed of analysis of metallographic and fractographic images to assess the technical state of materials of responsible industrial objects through the construction of new methods of quantitative evaluation of geometry and the distribution of elements of their microstructure. The developed information technology covers all the main stages of research of images in metallography - from their formation, allocation of interest objects, geometric analysis, to visualization of the results. Among the developed methods, one should distinguish: the method of binarization of the halftone images using the optimal, in terms of detail, threshold value, which is calculated using the correlation function; the method of calculating the fractal dimension, which, unlike the known approaches, makes it possible to correctly process halftone images without the need for their binary representation; a method for determining the average grain size of a metal by a metallographic image, which allows automating the calculation process and makes it possible to analyze metallographic images with unclosed grain boundaries.