Ứng dụng xử lý ảnh trong đo kích thước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---- ---- o0o ---- ---NGUYỄN ĐỨC THI

N
ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH TRONG ĐO
KÍCH THƯỚC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học :
PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

HÀ NỘI - 2010


Mở đầu

MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................................1
Danh mục hình vẽ ..................................................................................................................3
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ THỐNG THU THẬP ẢNH SỐ CỦA ĐỐI
TƯỢNG TỪ KÍNH HIỂN VI................................................................................................8
1.1 Lịch sử phát triển: ........................................................................................................8
1.2. Cấu tạo và hoạt động: .................................................................................................9
1.3. Các thông số đặc trưng: ............................................................................................11
1.3.1. Giới hạn độ phân giải:........................................................................................11
1.3.2. Độ phóng đại:.....................................................................................................12
1.4. Thu thập và quan sát ảnh từ kính hiển vi kim tương: ...............................................12
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HẠT
TRONG KIM TƯƠNG........................................................................................................15

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ VÀ XỬ LÝ ẢNH SỐ .....................................20
3.1. Giới thiệu về xử lý ảnh: ............................................................................................20
3.1.1. Ảnh số:...............................................................................................................20
3.1.2. Xử lý ảnh số là gì? .............................................................................................21
3.1.3. Lịch sử của xử lý ảnh:........................................................................................21
3.2. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh:.............................................................................24
3.3. Một số khái niệm cơ bản về xử lý ảnh:.....................................................................25
3.3.1. Điểm ảnh (Pixel) ................................................................................................25
3.3.2. Mức xám (Gray level)........................................................................................26
3.3.3. Ảnh (Image) .......................................................................................................26
3.3.4. Biểu diễn ảnh (Image Representation)...............................................................26
3.3.5. Tăng cường ảnh (Image Enhancement) .............................................................26
3.3.6. Khôi phục ảnh (Image Restoration)...................................................................27
3.3.7. Biến đổi ảnh (Image Transform)........................................................................27
3.3.8. Phân tích ảnh (Image Analyze)..........................................................................27
3.3.9. Nhận dạng ảnh (Image Recognition) .................................................................27

1
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Mở đầu

3.3.10. Tra cứu ảnh (Image Retrieval).........................................................................27
3.4. Một số quan hệ cơ bản giữa các điểm ảnh:...............................................................28
3.4.1. Lân cận của điểm ảnh ........................................................................................28
3.4.2. Tính liền kề, tính liên thông, vùng và biên ........................................................28
3.4.3. Thuật toán tìm các thành phần liên thông:.........................................................30
3.4.4. Độ đo khoảng cách: ...........................................................................................32
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHI TIẾT CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CHÍNH.........................35

4.1. Bộ số liệu đầu vào:....................................................................................................35
4.2. Chuẩn kích thước:.....................................................................................................36
4.3. Chuyển ảnh thành ảnh xám:......................................................................................37
4.4. Lấy một phần có kích thước chuẩn của ảnh để xử lý: ..............................................37
4.5. Nhị phân ảnh:............................................................................................................38
4.6. Lọc nhiễu: .................................................................................................................40
4.7. Thuật toán tách hạt:...................................................................................................42
4.8. Tính toán diện tích hạt: .............................................................................................43
CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.......................................................................46
5.1. Lựa chọn thiết bị và công cụ lập trình: .....................................................................46
5.1.1. PC.......................................................................................................................46
5.1.2. Công cụ lập trình................................................................................................46
5.2. Các hàm sử dụng: .....................................................................................................46
5.3. Giao diện:..................................................................................................................47
5.4. Kết quả chạy chương trình trên toàn bộ tập số liệu: .................................................48
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................54
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH.............................................................................................55

2
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Mở đầu

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Ví dụ một kính hiển vi quang học..........................................................................9
Hình 1.2. Sơ đồ tia sáng của kính hiển vi ............................................................................11
Hình 1.3. Kính hiển vi kim loại học OLIMPUS tại Trung tâm Đo lường (Viện Công
nghệ/Tổng cục CNQP).........................................................................................................13

Hình 1.4. Quan sát ảnh trên kính hiển vi .............................................................................13
Hình 2.1. Ảnh kim tương của tổ chức kim loại chụp từ kính hiển vi kim loại học .............15
Hình 2.2. Thước đo vật kính ................................................................................................16
Hình 2.3. Thước đo thị kính.................................................................................................16
Hình 2.4. Ví dụ về xác định giá trị vạch thước đo thị kính .................................................17
Hình 2.5. Ảnh gốc (a) và cách đếm thủ công các hạt trên ảnh (b).......................................19
Hình 3.1. Một số hệ tọa độ màu cơ bản ...............................................................................21
Hình 3.2. Ảnh số được tạo ra vào năm 1921 từ băng mã hóa của một máy in điện tín. .....22
Hình 3.3. Ảnh số được tạo năm 1922 từ card đục lỗ sau 2 lần truyền qua Đại Tây Dương.
.............................................................................................................................................22
Hình 3.4. Ảnh 15 cấp độ xám được truyền từ Luân Đôn đến New York năm 1929. ....23
Hình 3.5. Ảnh đầu tiên của mặt trăng được chụp bởi tàu vũ trụ Ranger 7 của Mỹ vào 9 giờ
09 phút sáng ngày 31/7/1964 (Nguồn: NASA) ...................................................................24
Hình 3.6. Tổng quan các giai đoạn cơ bản trong xử lý ảnh .................................................25
Hình 3.7. Ví dụ về m-liền-kề (Nguồn: R.C. Gonzalez, R.E. Woods).................................29
Hình 4.1. Một ví dụ ảnh đầu vào cho vật liệu thép Cacbon với cấp hạt là 7 .......................36
Hình 4.2. Ảnh xám đã cắt theo kích thước lựa chọn ...........................................................38
Hình 4.3. Ảnh nhị phân........................................................................................................40
Hình 4.4. Ảnh nhị phân trước khi lọc ..................................................................................41
Hình 4.5. Ảnh nhị phân sau khi lọc .....................................................................................42
Hình 4.6. Ảnh sau khi lọc (a) và kết quả đếm tự động (b)...................................................43
Hình 4.7.1. Ảnh đầu vào của thước chuẩn (độ phóng đại 100 lần) .....................................44
Hình 4.7.2. Ảnh xám cắt từ ảnh 4.7.1 theo kích thước 200 x 200 pixel ..............................44
Hình 4.7.3. Ảnh nhị phân của ảnh 4.7.2 ..............................................................................44
Hình 4.7.4. Ảnh nhị phân 4.7.3 đã lọc .................................................................................45

3
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh

Mở đầu

Hình 5.1. Giao diện chương trình ........................................................................................47
Hình 5.2. Ví dụ chạy chương trình với kết quả nhận dạng đúng.........................................51
Hình 5.3. Ví dụ chạy chương trình với kết quả nhận dạng sai ............................................51

4
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Mở đầu

MỞ ĐẦU
Đo lường là một ngành khoa học được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực,
nhất là trong nghiên cứu khoa học và công nghệ, nó là một công cụ để kiểm tra
đánh giá chất lượng sản phẩm, nó làm tai mắt cho các hệ thống tự động hoá quá
trình sản xuất. Đặc biệt trong nghiên cứu vật liệu thì đo lường đứng ở vị trí hàng
đầu để giúp các nhà khoa học có một chìa khoá mở ra cánh cửa để khám phá các
tham số mới tiếp theo.
Trong Công nghiệp Quốc phòng, đo lường chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng
để quyết định, đánh giá độ đảm bảo và tin cậy về sản phẩm vũ khí.
Trình độ kỹ thuật sẽ không phát triển được như ngày nay nếu không thực hiện
được các phép đo chính xác, vạn năng tiến tới các quá trình đo tự động để điều
khiển quy trình công nghệ. Đo lường các thông số hình học, xác định các chỉ tiêu cơ
tính của vật liệu qua đó đánh giá được chất lượng sử dụng của nó luôn chiếm một
vai trò quan trọng trong sản xuất, đặc biệt là các sản phẩm vũ khí trong Công
nghiệp Quốc phòng. Trước đây, người ta thường sử dụng các thiết bị đo mà việc
tính toán và xử lý kết quả hoàn toàn là thủ công. Do những yêu cầu cấp thiết trong
sản xuất chế tạo mà đo lường ngày càng phát triển. Nhiều phương pháp đo mới ra
đời, nhiều phương tiện đo mới hiện đại được chế tạo với độ chính xác của phép đo

ngày càng cao. Từ thập kỷ 70 trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các
ngành cơ - điện tử - tin học và việc ứng dụng những thành tựu của kỹ thuật điện tử tin học vào ngành cơ khí khiến cho đo lường tiến bộ vượt bậc. Sự ghép nối thành
công giữa máy tính và máy công tác làm xuất hiện các thiết bị đo, hệ thống đo
lường mới sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý có tính năng hiện đại và độ chính
xác cao. Các thiết bị đo thông minh được cài đặt các bộ vi xử lý mà chúng có những
khả năng vượt trội các thiết bị đo thông thường như:
- Cho phép chuyển thẳng số liệu đo vào máy tính để xử lý và đưa ra kết quả đo
nhanh chóng - chính xác.

5
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Mở đầu

- Có khả năng tự xử lý và lưu giữ kết quả đo.
- Thực hiện công việc đo theo chương trình.
- Tự động thu thập số liệu đo và có khả năng truyền số liệu đi xa.
Hiện nay, xử lý ảnh là một lĩnh vực đang được quan tâm rất nhiều. Tại hầu hết
các nước có nền khoa học tiên tiến trên thế giới, các loại trang thiết bị, máy móc,
sản phẩm thông minh được ứng dụng vào hầu hết mọi lĩnh vực. Cùng với sự phát
triển của công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo... thì xử lý ảnh đã được ứng dụng vào
nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng rộng rãi đó là thu thập và xử lý thông tin
qua ảnh để xác định kích thước của đối tượng.
Đo kích thước là một trong những bài toán cơ bản của đo lường. Tuy nhiên hiện
nay có khá nhiều các trường hợp khó tiếp cận để đo trực tiếp được kích thước của
đối tượng. Chẳng hạn như cần xác định kích thước và bước răng của các bánh răng
rất nhỏ trong các chi tiết vũ khí, hay xác định kích thước của bệ cách đạn SPG9, tên
lửa Igla, đặc biệt là xác định kích thước hạt trong nghiên cứu tổ chức kim tương để
đánh giá các chỉ tiêu cơ tính của vật liệu....Một trong những giải pháp cho các

trường hợp như vậy là đo kích thước từ ảnh chụp của đối tượng.

Chi tiết trong bộ điều khiển tên lửa
phòng không tầm thấp

Cụm đuôi đạn chống tăng thế hệ mới
Trong đồ án này tác giả lựa chọn bài toán xác định kích thước hạt từ chụp ảnh
kim tương của vật liệu kim loại. Đầu vào của bài toán là các ảnh kim tương chụp từ
kính hiển vi kim loại học (ảnh kim tương được trình bầy chi tiết trong chương 2)
Đầu ra là kích thước hạt trên ảnh kim tương.
6
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Mở đầu

Việc xác định kích thước hạt từ ảnh kim tương hiện nay thường làm bằng
phương pháp thủ công được trình bầy chi tiết trong chương 2.
Dự kiến kết quả của luận văn là xác định tự động kích thước hạt từ ảnh kim
tương một cách nhanh chóng và chính xác.
Nội dung đồ án sẽ được trình bày trên 6 chương:
-

Chương 1: Trình bầy tổng quan về hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng
chụp từ kính hiển vi.

-

Chương 2: Trình bầy tổng quan về ảnh kim tương và phương pháp xác
định kích thước hạt trong kim tương.

-

Chương 3: Trình bầy tổng quan về ảnh số và xử lý ảnh số.

-

Chương 4: Trình bầy thiết kế chi tiết các khối chức năng chính thực hiện
việc xác định kích thước hạt từ ảnh kim tương.

-

Chương 5: Trình bầy các kết quả đạt được.

-

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

7
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ THỐNG THU THẬP ẢNH SỐ
CỦA ĐỐI TƯỢNG TỪ KÍNH HIỂN VI
Kính hiển vi quang học là một loại kính hiển vi sử dụng ánh sáng khả kiến để
quan sát hình ảnh các vật thể nhỏ được phóng đại nhờ một hệ thống các thấu kính
thủy tinh. Kính hiển vi quang học là dạng kính hiển vi đơn giản, lâu đời nhất và
cũng là phổ biến nhất. Các kính hiển vi quang học cũ thường phải quan sát hình ảnh

trực tiếp bằng mắt nhìn qua thị kính. Hiện nay các kính hiển vi hiện đại còn được
gắn thêm các CCD camera hoặc các phim ảnh quang học để chụp ảnh.
1.1 Lịch sử phát triển:
Bằng chứng lịch sử ban đầu liên quan đến sự ra đời của kính hiển vi quang học là
công bố về khả năng phóng đại các vật thể bằng các kính phóng đại trong cuốn
Books of Optics vào năm 1021 bởi Ibn al-Haytham (Alhazen). Sau khi cuốn sách
này được xuất bản, Roger Bacon ở Anh quốc đã lý giải và mô tả cơ chế của việc
phóng đại này vào thế kỷ 13, và dẫn đến sự phát triển của kính lúp phóng đại ở
Italia.
Những kính hiển vi ban đầu được phát minh vào năm 1590 ở Middelburg, Hà
Lan. Ba người thợ tạo kính là Hans Lippershey (người đã phát triển các kính viễn
vọng trước đó), Zacharias Janssen, cùng với cha của họ là Hans Janssen là những
người đầu tiên xây dựng nên những kính hiển vi sơ khai. Năm 1625, Giovanni
Faber là người xây dựng một kính hiển vi hoàn chỉnh đặt tên là Galileo Galilei.
Các cấu trúc của kính hiển vi quang học tiếp tục được phát triển tiếp theo đó, và
kính hiển vi chỉ được sử dụng một cách phổ biến hơn ở Italia, Anh quốc, Hà Lan
vào những năm 1660, 1670. Marcelo Malpighi ở Italia bắt đầu sử dụng kính hiển vi
để nghiên cứu cấu trúc sinh học ở phổi.
Đóng góp lớn nhất thuộc về nhà phát minh người Hà Lan Antoni van
Leeuwenhoek, người đã phát triển kính hiển vi để tìm ra tế bào hồng cầu và tinh
trùng và đã công bố các phát hiện này.
8
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

1.2. Cấu tạo và hoạt động:
Một kính hiển vi quang học có thể gồm các phần như sau:
-

Nguồn sáng;

-

Hệ hội tụ và tạo chùm sáng song song;

-

Giá mẫu vật;

-

Vật kính (có thể là một thấu kính hoặc một hệ thấu kính) là bộ phận chính
tạo nên sự phóng đại;

-

Hệ lật ảnh (lăng kính, thấu kính);

-

Thị kính là thấu kính tạo ảnh quan sát cuối cùng;

-

Hệ ghi ảnh.
1

2

3
9

6

4

8

5

7

Hình 1.1. Ví dụ một kính hiển vi quang học.

1. Thị kính: Có thể từ một đến 2 thấu kính thủy tinh cho phép tạo ra ảnh cuối cùng
của vật qua hệ quang học. Độ phóng đại của thị kính khá nhỏ, thường chỉ dưới 10x,
và được lắp đặt trong một ống trụ, cho phép thay đổi dễ dàng.
2. Giá điều chỉnh vật kính.
3. Vật kính: là thấu kính quan trọng nhất của các hệ tạo ảnh nhờ thấu kính, là một
(hoặc có thể là hệ nhiều thấu kính) có tiêu cự ngắn, cho phép phóng đại vật với độ
9
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

phóng đại lớn. Nhờ có giá điều chỉnh, các vật kính khác nhau có thể xoay để thay
đổi trị số phóng đại. Trên vật kính có thể ghi các trị số phóng đại 4x, 5x, 10x, 20x,
40x, 50x hay 100x. Trong một số vật kính đặc biệt, người ta có thể sử dụng dầu

nhằm tăng độ phân giải của hệ thống.
4, 5. Giá vi chỉnh: cho phép điều chỉnh độ cao của mẫu vật để lấy nét trong quá
trình tạo ảnh.
6. Giá đặt mẫu vật.
7. Hệ thống đèn, gương... tạo ánh sáng để chiếu sáng mẫu vật.
8. Hệ thống khẩu độ, và các thấu kính hội tụ: để hội tụ và tạo ra chùm sáng song
song chiếu qua mẫu vật.
9. Vi chỉnh cho phép dịch chuyển mẫu vật theo chiều ngang để quan sát các phần
khác nhau theo ý muốn.
Kính hiển vi quang học hoạt động hoàn toàn trên nguyên tắc khúc xạ ánh sáng
qua hệ các thấu kính thủy tinh. Vật kính, là loại thấu kính có tiêu cự ngắn, là bộ
phận chính tạo nên sự phóng đại ảnh của mẫu vật. Ảnh tạo ra qua thấu kính này là
ảnh thật, và ngược chiều so với vật mẫu ban đầu. Ảnh được quan sát ở thị kính chỉ
được lật đúng chiều nhờ hệ thấu kính (hoặc lăng kính) trung gian đóng vai trò hệ lật
ảnh. Tùy theo cách thức quan sát, ghi nhận ảnh mà ảnh được tạo ra ở thị kính có thể
là ảnh thật hoặc ảnh ảo. Ảnh này sẽ là ảnh ảo khi hệ thị kính được thiết kế để quan
sát trực tiếp bằng mắt thường, hoặc sẽ là ảnh thật khi hệ thị kính được ghép vào các
thiết bị ghi nhận như phim quang học hoặc CCD camera.
Sơ đồ tia ánh sáng để tạo ảnh của kính hiển vi kim loại được giới thiệu trên Hình
1.2. Tia sáng 1 từ nguồn qua thấu kính 2, bị khúc xạ bởi tấm kính 6 đi một góc 45°
và đi qua hệ thống thấu kính 5 đến mẫu quan sát 4, tia phản xạ 8 đến mắt người
quan sát 7. Khác với kính hiển vi kim loại, kính hiển vi sinh vật không dùng ánh
sáng phản xạ, tia sáng xuyên qua mẫu rồi đến mắt người quan sát.

10
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

1- Tia từ nguồn sáng
2- Thấu kính
3- Góc khúc xạ
4- Tia phản xạ tới mẫu
5- Thấu kính
6- Mẫu
7- Tia phản xạ tới mắt
8- Mắt quan sát mẫu

Hình 1.2. Sơ đồ tia sáng của kính hiển vi

1.3. Các thông số đặc trưng:
1.3.1. Giới hạn độ phân giải:
Độ phân giải của một hệ quang học là khả năng phân biệt các điểm không gian,
được định nghĩa bằng khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất có thể phân biệt
được nhờ hệ quang học này. Độ phân giải của kính hiển vi quang học bị quy định
bởi khả năng phân giải của các thấu kính, mà ở đây bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu
xạ ánh sáng. Độ phân giải của kính hiển vi quang học sẽ bị giới hạn bởi bước sóng
ánh sáng khả kiến và chỉ số khẩu độ:

d=

λ
2⋅ N ⋅ A

(1.1)

với λ là bước sóng ánh sáng, N ⋅ A là thông số khẩu độ. Vì thế, độ phân giải của các
kính hiển vi quang học tốt nhất chỉ vào khoảng vài trăm nm. Ví dụ với hệ kính sử
dụng ánh sáng xanh (λ = 550 nm), chỉ số khẩu độ đối với không khí là 0,95 hoặc có

11
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

thể đạt cao nhất là 1,5 nếu sử dụng dầu. Như vậy, độ phân giải tốt nhất của hệ có thể
đạt được khoảng dưới 200nm. Có nghĩa là những điểm trong khoảng cách này sẽ
không thể phân biệt được.
1.3.2. Độ phóng đại:

- Độ phóng đại:

M=

D ⋅ M1 ⋅ M 2
250mm

(1.2)

trong đó:
D: chiều dài ống kính, thông thường = 250 mm = khoảng nhìn tối thiểu.
M1: độ phóng đại của vật kính
M2: độ phóng đại của thị kính.
Do vậy độ phóng đại M = M 1 ⋅ M 2 .
Ví dụ độ phóng đại của thị kính là 10, độ phóng đại của vật kính là 20 thì độ
phóng đại của ảnh qua sát được là 200 lần.
1.4. Thu thập và quan sát ảnh từ kính hiển vi kim tương:

Với ảnh thu thập được từ kinh hiển vi kim tương ta có thể quan sát được sự kết

tinh từ pha lỏng của các kim loại và hợp kim diễn ra theo các bước sau:
-

Tạo mầm từ pha lỏng - phát triển mầm: mỗi mầm lớn lên theo định hướng
tinh thể riêng cho đến khi tiếp xúc với các mầm đang phát triển khác ở bên
cạnh và tạo thành các hạt.

-

Các hạt ở bên cạnh nhau có định hướng tinh thể khác nhau. Kích thứớc các
hạt phụ thuộc vào các điều kiện kết tinh và các quá trình gia công sau đó.

-

Biên giới các hạt là chỗ tập chung các sai hỏng tinh thể, các tạp chất...

-

Trong hợp kim các quá trình gia công sau kết tinh, ví dụ như ủ ở nhiệt độ
cao, có thể xẩy ra sự tách pha... Các pha tách ra này cũng thường tập trung ở
các biên giới hạt. Hoặc trong các vật kết tinh còn có các hạt lẫn, các lỗ xốp
hay các dang sai hỏng khác.

12
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

Tóm lại là các mẫu kim loại và hợp kim có một cấu trúc không đồng nhất hoặc

về thành phần, liên kết hoá học, về cấu trúc tinh thể....Tất cả các dạng không đồng
nhất đó có tốc độ ăn mòn hoá học khác nhau cùng trong một môi trường tẩm thực
(như nồng độ dung dịch, thời gian tẩm thực...). Vì vậy về nguyên tắc nếu bề mặt
kim loại hay hợp kim được cho ăn mòn trong một dung dịch nào đó thì tốc độ ăn
mòn ở những chỗ không đồng nhất khác nhau sẽ tạo ra những lồi lõm khác nhau.

Hình 1.3. Kính hiển vi kim loại học OLIMPUS tại Trung tâm Đo lường (Viện Công
nghệ/Tổng cục CNQP)

Lỗ
Vết nứt

Vết nứt

Gianh
giới hạt

Hình 1.4. Quan sát ảnh trên kính hiển vi

13
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 1: Tìm hiểu về các hệ thống thu thập ảnh số của đối tượng từ kính hiển vi

Dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại từ vài chục đến vài trăm lần có thể
quan sát thấy sự tương phản ánh sáng từ những chỗ lồi lõm đó. Thường liên kết hoá
học yếu nhất ở biên giới hạt, nên tốc độ ăn mòn ở đây cũng mạnh nhất, do đó các
biên giới hạt thường lõm xuống rất nhiều, trong kính hiển vi sẽ thấy các đường viền
tối bao quanh hạt. Trong khi phía trong mỗi hạt do cấu trúc hoàn hoả hơn nên tốc độ

ăn mòn hoá học chậm hơn rất nhiều so với vùng biên giới, vì vậy dưới kính hiển vi
quang học các hạt nhìn thấy sáng hơn.
Tuy nhiên trong trường hợp có nhiều cấu trúc pha khác nhau thì sự tương phản
sáng tối sẽ là của các pha khác nhau do tốc độ ăn mòn hoá học giữa các pha đó khác
nhau. Thường mỗi loại hợp kim với những thành phần xác định (như mác thép khác
nhau...) có một kiểu kết tinh nhất định, do đó ảnh kim tương cũng khá đặc trưng.
Bằng kinh nghiệm ta có thể dựa vào các ảnh kim tương để xác định nhanh mác
thép với một sai số cho phép nào đó.
Để xác định một cách chính xác hơn thì cần phải qua phân tích và xử lý ảnh để
ước lượng kích thước hạt, từ đó xác định được cấp hạt và đưa ra kết luận về cấu trúc
của vật liệu nghiên cứu.

14
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 2: Tổng quan về phương pháp xác định kích thước hạt trong kim tương

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KÍCH
THƯỚC HẠT TRONG KIM TƯƠNG
Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tóm tắt về ý nghĩa của ảnh kim tương,
phương pháp thu thập ảnh kim tương và cách xử lý các ảnh kim tương để xác định
kích thước hạt của vật liệu.
Ảnh kim tương là gì?

Ảnh kim tương là ảnh chụp tổ chức tế vi của vật liệu kim loại bằng kính hiển vi ở
độ phóng đại lớn (từ 20 lần đến hàng nghìn lần), thông thường người ta hay chụp ở
độ phóng đại 100 lần đến 500 lần. Ảnh kim tương phản ảnh tổ chức của vật liệu cần
nghiên cứu. Căn cứ vào ảnh kim tương để xác định kích thước hạt, xác định được
các pha của vật liệu…

Hình 2.1. Ảnh kim tương của tổ chức kim loại chụp từ kính hiển vi kim loại học

Kích thước hạt có ảnh hưởng rất nhiều đến cơ tính của vật liệu sau khi nhiệt
luyện. Tính chất các tổ chức sau khi nhiệt luyện cũng phụ thuộc vào kính thước hạt.
Đồng thời kích thước hạt có ảnh hưởng khá rõ rệt đối với tính dẻo của kim loại.
Kích thước hạt càng thô thì độ dẻo của kim loại càng thấp.
Khi xác định được kích thước hạt ta đánh giá được cấp hạt. Nếu xác định được tỷ
lệ giữa hạt đen (peclit) và hạt trắng (ferit) ta đánh giá được mác vật liệu trong thép
Cacbon.
Từ cấp hạt và tổ chức vật liệu ta dự đoán được chế độ gia công nhiệt.

15
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 2: Tổng quan về phương pháp xác định kích thước hạt trong kim tương

Như vậy, việc xác định kích thước hạt là vấn đề quan trọng trong nghiên cứu vật
liệu.
Ở các nước có nền khoa học phát triển, việc sử dụng các kính hiển vi đo kim loại
học hiện đại, có gắn camera thu thập ảnh, có phần mềm xử lý ảnh để xác định kích
thước hạt, lưu trữ kết quả đo được ứng dụng rộng rãi.
Ở nước ta, tại nhiều trung tâm nghiên cứu về vật liệu hiện nay đang sử dụng kính
hiển vi kim loại học để xác định kích thước hạt. Việc xác định kính thước hạt mang
tính thủ công, mất nhiều thời gian cho một phép đo, không kết nối với máy tính để
lưu trữ kết quả đo. Để đáp ứng được mục tiêu tận dụng những thiết bị đã có, thay
thế dần những bộ phận cũ bằng công nghệ mới, vừa giảm sức lao động cho người
thao tác vận hành, vừa đảm bảo độ tin cậy và chính xác của phép đo, đồng thời tiết
kiệm được nguồn kinh phí khá lớn so với việc phải mua sắm thay thế hoàn toàn

thiết bị mới, phù hợp với điều kiện kinh tế nước ta thì cần thiết phải số hoá các loại
kính hiển vi nói trên.
Để xác định kích thước hạt bằng phương pháp thủ công từ kính hiển vi kim loại
học, người ta dùng các dụng cụ như sau:
-

Thước đo vật kính: là tấm kim loại hình chữ nhật ở giữa có một lỗ tròn và
gắn một gương nhỏ. Trên gương có đoạn 1 mm và được hia thành 100 vạch
đều nhau, như vậy mỗi vạch ở thước vật kính ứng với 0,01 mm.
0,01mm

Hình 2.2. Thước đo vật kính
0,05 mm

0,1 mm

1 cm

Hình 2.3. Thước đo thị kính

16
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 2: Tổng quan về phương pháp xác định kích thước hạt trong kim tương

-

Thước đo thị kính: là miếng kính tròn có thể lắp vào thị kính. Trên miếng
kính ấy có khắc một thước đo hoặc ô vuông.

Trước khi xác định kích thước hạt hoặc kích thước của một phần tử nhỏ nào khác
ta phải xác định một vạch của thước đo thị kính.
Để xác định giá trị một vạch của thước đo thị kính ta đặt thước đo vật kính lên
bàn mẫu. Điều chỉnh kính hiển vi cho đến khi nhìn thấy thước đo vật kính. Lắp
thước đo thị kính vào thị kính. Lúc này ở trường quan sát ta nhìn thấy hai thước đo,
một thước của thị kính, một thước của vật kính. Điều chỉnh và chọn một khoảng
nào đó để có sự trùng nhau của một số vạch ở hai thước đo, sau đó tính giá trị một
vạch của thước đo thị kính theo công thức:

δ=

nv ⋅ av
nt

(2.1)

trong đó:
δ - giá trị 1 vạch của thước đo thị kính ứng với vật kính đã chọn
nv - số vạch ở thước đo vật kính nằm trong khoảng nói trên
av - giá trị 1 vạch của thước đo vật kính (av=0,01 mm)
nt - số vạch ở thước đo thị kính nằm trong khoảng nv vạch của thước đo vật
kính.
Thí dụ trên hình 2.4 ta có: Trường hợp này thì 56 vạch của thước đo thị kính
trùng với toàn bộ khoảng đo của thước vật kính, vì thế giá trị 1 vạch của thước đo
thị kính là 1:56 = 0,01786 mm.

Hình 2.4. Ví dụ về xác định giá trị vạch thước đo thị kính

17

Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 2: Tổng quan về phương pháp xác định kích thước hạt trong kim tương

Xác định kích thước hạt:
- Phương pháp 1:

Chọn vật kính, xác định giá trị một vạch ở thước đo thị kính. Điều chỉnh kính
hiển vi để thấy tổ chức, tìm chỗ định đo kích thước hạt.
Đầu tiên tính kích thước theo chiều ngang của hạt theo công thức:
Lng =

K ⋅δ
Z ng

(2.2)

trong đó:
K - số vạch ở thước đo thị kính
δ - giá trị 1 vạch của thước đo thị kính
Zng - số hạt nằm trong K vạch của thước đo thị kính, được ước lượng bởi
1
2

công thức Zng = Z1+ Z2 với Z1 là số hạt nguyên và Z2 là số hạt bị cắt.
Tương tự ta tính được kích thước theo chiều dọc của hạt Ld
Từ đó suy ra kích thước trung bình
Ltb =

Lng + Ld
2

(2.3)

Giả thiết các hạt là đều trục (hạt có dạng gần hình cầu) nên kích thước đường của
hạt có thể coi như đường kính của hạt. Diện tích của hạt S được tính theo công thức:
S=

π ⋅ L2tb
4

(µm2)

(2.4)

- Phương pháp 2:

Tính diện tích hạt theo công thức:
S=

F *106
(µm2)
Z

với: S - diện tích trung bình của hạt
F - diện tích số hạt (khi dùng lưới ô vuông thì F là diện tích của ô vuông) mm2

18
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh

(2.5)


Chương 2: Tổng quan về phương pháp xác định kích thước hạt trong kim tương

1
2

Z - số hạt trong diện tích F; Z = Z1+ Z2 (Z1 - số hạt nguyên, Z2 - số hạt bị cắt)
106 - là hệ số chuyển ra µk2
Việc xác định được kích thước hạt bằng phương pháp thủ công như đã trình bày
ở trên mất nhiều thời gian, đòi hỏi người vận hành phải có nhiều kinh nghiệm.

(a)

(b)

Hình 2.5. Ảnh gốc (a) và cách đếm thủ công các hạt trên ảnh (b)

Một ví dụ của việc đếm thủ công được trình bày trên hình 2.5, trong đó ảnh trên
kính hiển vi là ảnh 2.5a, kết quả đếm hạt thủ công được thể hiện trên hình 2.5b cho
thấy mẫu 2.5a có khoảng 29 hạt.
Do đó luận văn này sẽ đặt vấn đề tự động hóa được quá trình đó thông qua việc
xây dựng một phương pháp xác định kích thước hạt bằng việc ứng dụng xử lý ảnh.
Với quá trình xử lý ảnh tự động, ta có thể khắc phục những nhược điểm lớn kể trên.
Trong phương pháp được đề xuất, dự kiến từ ảnh kim tương chụp từ kính hiển vi,
thu thập vào máy tính, kích thước hạt sẽ được phân tích và xử lý ảnh bằng các
chương trình phần mềm trên máy tính.
Ngoài ra các phần mềm còn có thể hỗ trợ lưu trữ được kết quả trên máy tính

thuận tiện cho quá trình nghiên cứu.

19
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 3: Tổng quan về ảnh số và xử lý ảnh số

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ẢNH SỐ VÀ XỬ LÝ ẢNH SỐ
Chương 3 sẽ trình bày tóm tắt về ảnh số, phương pháp xử lý ảnh số phục vụ cho quá
trình đánh giá và phân tích đối tượng trên ảnh.
3.1. Giới thiệu về xử lý ảnh:
3.1.1. Ảnh số:

Ảnh số là kết quả của quá trình ghi lại hình ảnh của sự vật, được mã hóa thành
tín hiệu số.
Ảnh số là một dạng tín hiệu hai chiều, biểu diễn sự quan hệ về độ sáng giữa các
điểm trong một mặt phẳng. Mỗi phần tử của ma trận ảnh biểu diễn cho mức xám
hay còn gọi là cường độ sáng tại điểm đó. Mỗi phần tử ảnh trong thông thường
được kí hiệu là pixel. Mức xám của mỗi điểm ảnh được mã hóa, và dựa vào số bit
mã hóa, người ta phân loại ảnh số thành một số dạng sau:
-

Ảnh đen trắng: sử dụng một bit để mã hóa. Nếu pixel nhận giá trị 0, điểm đó
có màu đen. Nếu pixel nhận giá trị 1, điểm đó có màu trắng.

-

Ảnh xám: Sử dụng 8 bit để biểu diễn mức xám, giá trị của mỗi pixel nhận giá
trị nguyên từ 0 - 255. Với mức 0 biểu diễn cho mức cường độ tối nhất và 255

biểu diễn cho mức cường độ sáng nhất.

-

Ảnh màu: Cách biểu diễn cũng tương tự như với ảnh xám, chỉ khác là mỗi
pixel được tổ hợp bởi các màu riêng biệt. Ví dụ hệ màu Red-Green-Blue
(RGB), mỗi pixel được tổng hợp từ 3 màu Red, Green và Blue. Mỗi màu
được biểu diễn bởi 8 bit và có dải từ 0 - 255. Các kênh màu thường được sử
dụng: RGB, YCbCr, HSV,… Tùy vào việc ứng dụng để lựa chọn kênh màu
phù hợp. Giữa các kênh màu có các phép chuyển đổi.
Px = A × Px′

với:
Px: Không gian biểu diễn màu ban đầu

20
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh

(3.1)


Chương 3: Tổng quan về ảnh số và xử lý ảnh số

Px’: Không gian biểu diễn màu mới
A: Ma trận biểu diễn phép biến đổi

Hệ tọa độ RGB

Hệ tọa độ HSV

Hình 3.1. Một số hệ tọa độ màu cơ bản

Ảnh số mang thông tin về hình ảnh đối tượng, biểu diễn thông tin đó dưới dạng
mức xám của điểm ảnh và mối quan hệ giữa các mức xám đó. Do vậy, qua việc
phân tích các mối quan hệ đó ta có thể xác định hoặc ước lượng được thông tin về
vật thể cần quan tâm. Tùy vào lĩnh vực và mục đích mà xử lý ảnh số được áp dụng
theo các mức độ khác nhau.
3.1.2. Xử lý ảnh số là gì?

Xử lý ảnh số là quá trình thao tác với ảnh trên máy tính nhằm tăng cường
chất lượng thông tin hình ảnh đối với quá trình biểu diễn hình ảnh trên máy tính và
tri giác của con người. Từ đó giúp cho con người có được cách nhìn trực quan hơn
và sinh động hơn về hình ảnh.
Xử lý ảnh số còn là việc sử dụng các thuật toán máy tính để xử lý các ảnh số
dưới sự trợ giúp của máy tính.
3.1.3. Lịch sử của xử lý ảnh:

Ngành công nghiệp báo chí có thể được xem là ngành có ứng dụng đầu tiên của
xử lý ảnh khi những bức ảnh lần đầu tiên được gửi đi giữa hai thành phố London và
New York thông qua cáp Bartlane vào đầu những năm 1920. Trước đó, việc truyền
dữ liệu ảnh giữa hai thành phố này mất khoảng một tuần bằng đường biển. Từ khi

21
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 3: Tổng quan về ảnh số và xử lý ảnh số

có cáp Bartlane, thời gian truyền dữ liệu ảnh xuyên qua Đại Tây Dương được
giảm đi rất nhiều - xuống chỉ còn chưa đầy 3 tiếng. Một thiết bị chuyên dụng đã mã

hóa dữ liệu ảnh trước khi truyền qua cáp, và sau đó, khi dữ liệu đến nơi sẽ được giải
mã để tái tạo lại bức ảnh ban đầu.

Hình 3.2. Ảnh số được tạo ra vào năm 1921 từ băng mã hóa của một máy in điện tín.

Hình 3.3. Ảnh số được tạo năm 1922 từ card đục lỗ sau 2 lần truyền qua Đại Tây Dương.

Ảnh trong hình 3.2 và hình 3.3 được tạo ra từ các băng được đục lỗ bởi máy
điện tín (ở nơi nhận).
Vấn đề đầu tiên trong việc cải thiện chất lượng hiển thị ảnh trong những bức
ảnh đầu tiên này là phương thức in ảnh và số cấp độ xám hiển thị.
Các hệ thống cáp Bartlane đầu tiên chỉ có khả năng mã hóa ảnh với 5 cấp độ
xám, khả năng này tăng lên 15 cấp độ xám vào năm 1929.

22
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 3: Tổng quan về ảnh số và xử lý ảnh số

Hình 3.4. Ảnh 15 cấp độ xám được truyền từ Luân Đôn đến New York năm 1929.

Trong khoảng thời gian này, người ta chỉ nói đến ảnh số, chứ chưa đề cập đến
xử lý ảnh số, vì một lý do đơn giản là chưa có máy tính để xử lý nó. Do đó, có thể
nói rằng lịch sử của xử lý ảnh gắn liền với lịch sử phát triển của máy tính điện tử.
Khả năng lưu trữ, năng lực xử lý và hiển thị của máy tính là những nhân tố quan
trọng trong quá trình xử lý ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh bằng các phương
pháp xử lý để truyền ảnh được liên tục nghiên cứu trong suốt 35 năm sau đó. Với
sự phát triển của kỹ thuật máy tính, việc xử lý hình ảnh ngày càng hoàn thiện
hơn. Máy tính đầu tiên đủ mạnh cho việc xử lý ảnh xuất hiện vào đầu những năm

1960.
Năm 1964, tàu thăm dò vũ trụ Ranger 7 của Jet Propulsion Laboratory
(Pasadena, California, USA) đã chụp được một bức ảnh của bề mặt mặt trăng:

23
Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh


Chương 3: Tổng quan về ảnh số và xử lý ảnh số

Hình 3.5. Ảnh đầu tiên của mặt trăng được chụp bởi tàu vũ trụ Ranger 7 của Mỹ vào 9 giờ
09 phút sáng ngày 31/7/1964 (Nguồn: NASA)

Từ năm 1964 đến nay, phạm vi xử lý ảnh số lớn mạnh không ngừng. Trong y
học, các thuật toán nâng cao chất lượng hình ảnh, độ tương phản, hoặc mã hóa các
mức xám đã được áp dụng để nội suy ảnh X-quang và các hình ảnh y học giúp cho
việc chuẩn đoán và điều trị của các bác sĩ được thực hiện một cách dễ dàng và hiệu
quả hơn. Việc phát minh ra kỹ thuật CAT (Computerized Axial Tomography: chụp
cắt lớp điện toán theo trục) hay chụp CT (Computerized Tomography: chụp cắt lớp
điện toán) là một trong những sự kiện quan trọng trong ứng dụng của xử lý ảnh
trong việc chẩn đoán y học. Song song đó, các nhà địa vật lý, thiên văn học cũng sử
dụng kỹ thuật tương tự để nghiên cứu các mẫu vật chất từ ảnh vệ tinh, theo dõi tài
nguyên trái đất và thiên văn học ...
3.2. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh:
Thu nhận ảnh: Ảnh có thể được thu nhận trong thế giới thực qua máy chụp

hình, từ tranh ảnh thông qua máy quét hoặc từ vệ tinh qua các bộ cảm biến bằng tín
hiệu số hoặc tín hiệu tương tự.

24

Giáo viên hướng dẫn: PGS-TSKH Trần Hoài Linh