автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и анализ изображений в электронной и оптической микроскопии неоднородных аморфных сред

5/бб1^

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРОННОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ НЕОДНОРОДНЫХ АМОРФНЫХ СРЕД

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

Грудин Борис Николаевич

Владивосток - 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................6

ГЛАВА 1. Методы и средства исследования микроструктуры неоднородных аморфных сред по электронно-оптическим изображениям (обзор литературы)....................................................................................16

1.1. Математическое и имитационное моделирование процессов формирования изображений в когерентной оптике, оптической и электронной микроскопии..........................................................16

1.2. Электронно-оптические исследования неоднородных аморфных сред.....................................................................................................26

1.3. Обработка электронно-оптических изображений.......................41

Постановка задач исследований........................................................................57

ГЛАВА 2. Программно-аппаратные средства для спектрального анализа электронно-оптических изображений.................................................59

2.1. Оптико-цифровые средства вычисления периодограмм............60

2.2. Структура программных средств для спектрального анализа .........................................................................................................67

2.3. Анализ спектров изображений.......................................................71

2.4. Аппроксимация спектральных плотностей электронно-оптических изображений....................................................................................87

2.5. Идентификация корреляционно-спектральных

характеристик электронно-оптических изображений.....................................104

Основные результаты главы...............................................................................110

ГЛАВА 3. Программно-аппаратные средства для фильтрации электронно-оптических изображений...............................................................111

3.1. Структура программно-аппаратных средств для фильтрации электронно-оптических изображений.........................................112

3.2. Линейная фильтрация изображений.............................................115

3.3. Устранение смаза и размытия изображений методами пространственно-частотной фильтрации..........................................................128

3.4. Согласованная фильтрация электронно-оптических изображений.........................................................................................................136

3.5. Когерентный оптический процессор для фильтрации изображений.........................................................................................................141

3.6. Обработка неоднородных изображений.......................................144

3.7. Нелинейная фильтрация изображений.........................................156

Основные результаты главы...............................................................................199

ГЛАВА 4. Структурно-морфологический анализ электронно-оптических изображений....................................................................................158

4.1. Система для структурно-морфологического анализа электронно-оптических изображений...............................................................159

5.2. Программная реализация морфологических операторов

в системе обработки электронно-оптических изображений...........................162

4.3. Применением морфологических операторов для обработки бинарных изображений....................................................................167

4.4. Морфологическая обработка полутоновых изображений..........173

4.5. Вычисление морфометрических характеристик объектов на электронно-оптических изображениях........................................185

4.6. Анализ сеточных структур.............................................................200

Основные результаты главы...............................................................................205

ГЛАВА 5. Моделирование электронно-оптических изображений неоднородных аморфных сред...........................................................................207

5.1. Структура программных средств для моделирования электронно-оптических изображений...............................................................207

5.2. Моделирование функций пропускания объектов........................210

5.3. Моделирование процессов формирования изображений

в электронном микроскопе.................................................................................218

5.4 Моделирование электронно-микроскопических изображений АММ.............................................................................................223

5.5. Моделирование на ЭВМ методов визуализации фазовых объектов в оптических системах........................................................................231

5.6. Моделирование на ЭВМ многокомпонентных когерентных оптических систем........................................................................236

5.7. Обучающие программы..................................................................246

Основные результаты главы...............................................................................250

ГЛАВА 6. Исследования микроструктуры АММ по электронно-оптическим изображениям.................................................................................252

6.1. Исследование микроструктуры АММ по ВРЭМ-изображениям.......................................................................................................253

6.2. Идентификация спектральных плотностей и корреляционных функций длинноволновых неоднородностей в

АММ ...........................................................................................................263

6.3. Анализ "сеточных" структур аморфных материалов состава Со-Р.........................................................................................................276

6.4. Исследование технологического микрорельефа быстрозакаленных аморфных металлических материалов.............................282

6.5. Спектр структурных неоднородностей и магнитная

анизотропия..........................................................................................................293

Основные результаты главы...............................................................................297

ГЛАВА 7. Исследование пространственно-временных характеристик термохалинных неоднородностей морской воды по фазово-контрастным изображениям............................................................................... 299

5

7.1. Гидрооптический стенд для моделирования и исследования термохалинных неоднородностей морской воды....................299

7.2. Визуализация и обработка изображений оптической микроструктуры...................................................................................................304

7.3. Исследования пространственно-временных характеристик оптической микроструктуры морской воды.....................................................312

7.4. Оптико-электронные устройства для исследования

термохалинных неоднородностей в морской воде..........................................322

Основные результаты главы...............................................................................333

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................335

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................339

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................371

Введение

Актуальность проблемы. Аморфные фазы конденсированных сред, такие как рассматриваемые в диссертации аморфные металлические материалы (АММ) и морская вода в океане, давно привлекают пристальное внимание широкого круга ученых, как в нашей стране, так и за рубежом. Интерес к АММ обусловлен их уникальными магнитными, электрофизическими, механическими и коррозионными свойствами. АММ находят все более широкое применение в авиакосмической технике, электронной и электротехнической промышленности, где они используются как магнитомягкие материалы с малыми потерями на перемагничивание, припои, катализаторы, коррозионностойкие конструкционные материалы. Исследования процессов перемешивания морских вод с различными термохалинными (температурными и соленостными) характеристиками важны для современной океанологии. Здесь значительный интерес представляют исследования пространственно-временных характеристик неод-нородностей, размеры которых лежат в диапазоне от десятых долей миллиметра до одного-двух сантиметров, поскольку именно в диапазоне этих масштабов в океане осуществляется диссипация пульсаций скорости, температуры и солености.

Важное место в изучении аморфных сред занимают методы, основанные на прямом наблюдении их структуры оптическими приборами. Эти методы предполагают просвечивание сред световыми либо электронными пучками и последующую обработку получаемых распределений волновых полей с помощью оптико-электронных устройств и ЭВМ. Электронно-оптические исследования последних лет показали, что реальная аморфная среда существенно отличается от идеальной картины, согласно которой в такой среде в пределах нескольких атомных расстояний сохраняется квазидетерминированный порядок, а на больших расстояниях какие-либо структурные корреляции отсутствуют. Так

на микроснимках АММ можно видеть неоднородности самых различных масштабов - от нескольких ангстрем до нескольких миллиметров, то есть реальная структура аморфного вещества значительно сложнее структуры идеальных моделей. Основными причинами возникновения длинных корреляций в структуре АММ являются экстремальные условия получения аморфного состояния и внешние воздействия - термообработка, радиационное облучение и другие. В настоящее время актуальной для электронно-оптических исследований АММ является задача количественной параметризации различных типов структурных неоднородностей с целью поиска и детализации взаимосвязи между разнообразными свойствами АММ и особенностями их структуры, накопления и систематизации эмпирических данных по структуре различных групп материалов, полученных с использованием различных технологий приготовления, подвергшихся воздействию разнообразных условий эксплуатации.

Применение оптических приборов при изучении особенностей океанической микроструктуры позволяет установить особенности термохалинных полей исходя из анализа конфигураций оптических неоднородностей. Так с помощью погружаемых оптических визуализаторов неоднородностей в океане А. Вильяме обнаружил предсказанные теоретически "солевые пальцы", а в слое сезонного термоклина Э.И. Красовским, Б.В. Наумовым и др. получены изображения оптических микроструктур в виде "нитей" и "хлопьев". Однако данные трудоемких оптических измерений в океане не всегда допускают однозначную интерпретацию и анализ. Поэтому наряду с прямыми наблюдениями оптических микроструктур, необходимо использовать аналитическое, численное и физическое моделирование. Важнейшей при этом является задача установления взаимосвязи между геометрическими характеристиками оптических микроструктур, временем их существования с одной стороны и гидродинамическими условиями - с другой.

Решение всего круга задач, связанных с электронно-оптическими исследованиями неоднородных аморфных сред в условиях значительного и все на-

растающего объема экспериментальных данных невозможно без применения современных информационных технологий, а также средств анализа и моделирования изображений, учитывающих специфику как самих неоднородностей в данных средах, так и задач их исследования.

Начиная с середины 60-х годов, в оптической и электронной микроскопии применяются различные средства обработки изображений и сигналов. В 1964 г. Клуг и Бергер использовали для спектрального анализа микроскопических изображений явление оптической дифракции. В 1966 г. Де Розия и Клуг предложили метод фильтрации изображений, основанный на двойном преобразовании Фурье в оптической системе. С конца 60-х годов в оптической и электронной микроскопии начинают широко использоваться методы цифровой обработки изображений (А. Розенфельд, У. Прэтт и др.). К середине 80-х годов в СССР разработан метод оптико-структурного машинного анализа микроскопических изображений (K.M. Богданов, К.А. Яновский, Б.П. Пантелеев, Ю.Г. Козлов, В.И. Шихер, B.C. Эм ), а также комплекс аппаратуры "Протва", в состав которого входили оптические и электронные микроскопы, микро и мини ЭВМ, автоматизированная система дифракционного анализа изображений, система морфометрического анализа микрообъектов, система обработки телевизионных изображений. В последнее десятилетие многократно увеличилась вычислительная эффективность доступных широкому кругу исследователей персональных компьютеров. Повсеместное распространение получили высококачественные системы ввода и отображения двумерной информации. Возросли и возможности электронно-оптических методов исследования неоднородных аморфных сред, особенно в части, касающейся цифровой обработки изображений. При этом, однако, распространенной практикой стало использование в научных исследованиях не специализированных для конкретных классов научных задач средств анализа изображений, а предлагаемых на рынке универсальных систем обработки изображений, таких как PhotoShop, CorelDraw и других. Эти популярные программные продукты имеют удобный для пользователя интер-

фейс, эффективно реализуют многие современные алгоритмы обработки изображений, и поэтому, безусловно, полезны в исследованиях. Однако возможности таких универсальных программных систем при решении конкретных научных задач следует признать весьма ограниченными, прежде всего потому, что в них не учитываются специфика исследуемого класса изображений и специфика научной задачи.

Между тем, такая специфика, объединяющая в один класс электронно-оптические изображения АММ и рефрактометрические изображения термоха-линных микроструктур в морской воде, объективно существует. Обе среды являются аморфными, оптические системы наблюдения неоднородностей в обеих средах практически не отличаются, поскольку основаны на законах физической оптики, справедливых как для световых, так и для электронных волн. Несмотря на огромную разность масштабов неоднородностей в АММ и морской воде, их изображения, регистрируемые с помощью оптико-электронных приборов, во многом схожи. Как правило, изображения имеют слабый контраст и на них сложно выделить какие-либо объекты, так как между неоднородностями отсутствуют резкие границы. Во многих случаях микроструктуры в АММ и морской воде имеют вытянутый (свилеобразный) характер. Некоторые технологии получения АММ и действие сил плавучести в стратифицированной морской воде приводят к анизотропии в распределении неоднородностей, которая проявляется на соответствующих электронно-оптических и рефрактометрических изображениях. Для анализа таких изображений актуальной является разработка методов, позволяющих количественно описывать упорядочения и анизотропию в структуре, оценивать и идентифицировать спектральные плотности исследуемых по изображениям микроструктур, оценивать морфометриче-ские характеристики объектов микроструктуры и их взаимное расположение, исследовать динамические изменения корреляционно-спектральных и морфо-метрических характеристик неоднородностей при фазовых переходах и внешних воздействиях, моделировать электронно-оптические системы наблюдения и

получаемые с их помощью изображения типичных микроструктур неоднородных аморфных сред.

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа и моделирования электронно-оптических изображений неоднородных аморфных сред и применение их при изучении реальной структуры аморфных металлических материалов и особенностей строения и пространственно-временной изменчивости термохалинных неоднородностей в морской воде.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.

1. Разработать методы количественной параметризации и идентификации корреляционно-спектральных характеристик полей неоднородностей в аморфных средах на основе спектрального анализа электронно-оптических изображений.

2. Разработать методы оценивания морфометрических характеристик неоднородностей в аморфных средах на основе структурно-морфологического анализа электронно-оптических изображений.

3. Разработать методы моделирования электронно-оптических изображений типичных микроструктур в аморфных металлических материалах и морской воде.

4. Разработать комплекс программ реализующий алгоритмы количественной параметризации, идентификации корреляционно-спектральных характеристик, оценивания морфометрических характеристик, моделирования неоднородностей в аморфных средах, а также алгоритмы для улучшения и корректировки электронно-оптических изображений методами пространственной, пространственно-частотной и морфологической фильтрации.

5. Применить разработанные методы и комплекс программ для исследования микроструктуры аморфных металлических материалов и особенностей строения и пространственно-временной изменчивости термохалинных неоднородностей морской воды.

Новые научные результаты диссертационной работы.

1. Разработан метод идентификации корреляционно-спектральных характеристик полей микроструктуры по электронно-оптическим изображениям, позволяющий оценивать спектральную плотность распределения микроструктур в пространстве, ее двумерный и одномерный аналоги с большей достоверностью, чем при использовании спектрального анализа одномерных сечений данных полей.

2. Разработан метод оценивания морфометрических характеристик неод-нородностей на полутоновых изображениях, позволяющий получ