基于Visual Basic 2010開發孔徑分布軟件在實驗教學中的應用

楊 亮，劉鐘馨，周 瓊，林仕偉，曹 陽

（海南大學a．海南優勢資源化工材料應用技術教育部重點實驗室；b．硅鋯鈦資源綜合開發與利用海南省重點實驗室；c．材料與化工學院，海南 海口570228）

1 引 言

掃描電子顯微鏡是聯系宏觀世界與微觀世界的橋梁．目前，場發射電子掃描顯微鏡的分辨率已經達納米級，已是材料表面形貌分析方面一種不可缺失的研究手段［1－2］．對材料科學與工程的學生來說，材料性能表征既是本科階段重點學習內容也是學習的難點，利用SEM（Scanning Electron Microscope）表征材料表面形貌及SEM圖像分析更是學習內容的重中之重．但目前SEM屬大型貴重設備，學生一般沒有機會上機操作，對電鏡照片后處理工作更是無所適之．

Visual Basic 2010學習版開發環境具有的強大圖像處理功能，可以對電鏡圖片的每個像素進行操作．該軟件采取由上至下、由左至右、由左上至右下等多方向對電鏡圖片進行二值化處理，以確定指定范圍的電鏡照片每個孔的位置及像素面積并將二值化后的圖像進行輸出，以方便比對孔洞位置及孔面積計算的誤差情況．結合電鏡照片標尺的實際尺寸和像素尺寸將每個孔洞的像素面積轉換成真實面積并計算出相應的孔徑大小．將取得的孔徑按大小進行排序，計算出給定孔徑區間內孔洞的數量，利用Data View控件將不同區間孔徑數量分布結果進行圖形化顯示．本軟件還提供了保存二值化圖像功能，可將孔面積、孔數量、孔徑大小及不同區間的孔徑分布等信息進行保存，以方便對數據后續的深入分析．

2 微孔孔徑分布軟件設計關鍵技術

本軟件以微軟公司最近發布的Visual Basic 2010學習版為開發工具，以恒壓200，230，260，290，320，350 V處理的微弧氧化樣品的場發射電鏡照片為研究對象，通過圖像的讀取，二值化及修正、孔徑計算與轉化、孔徑區間內孔洞數量分布計算等過程來實現，界面友好，穩定性高，對培養學生對電鏡照片的認識有一定的幫助．

2．1 讀取SEM圖像

電鏡照片由電鏡采集系統自動生成并可保存為＊．BMP或＊．JPG等通用格式，但通常會采用顏色索引格式保存，給后續圖片二值化帶來一定的困難［3］．故本軟件先獲取SEM圖片高和寬信息，再以該尺寸新建立1張24位新位圖圖片，并拷貝原圖到新建位圖，然后在圖形控件內對該轉化后的圖像進行顯示，如圖1所示．代碼如下：

圖1 加載圖片后的軟件操作界面

2．2 二值化及數據修正

采用全局閾值法對整個圖像進行二值化，根據圖像的直方圖［4］分布來確定1個閾值也可根據圖像質量手工調整該閾值．但由于電鏡照片的噪聲及樣品表面存在污染等原因，使SEM照片二值化后會出現少量遠小于樣品微孔孔徑的噪聲顆粒，為去除該噪聲點對實驗結果的影響需要對圖片進一步修正，以每個二值化后的純黑像素周圍的8個像素數量來判斷該像素是否為噪聲［5］，代碼如下：

由于電鏡照片底端均有標尺等標志信息，一般不用二值化該區域，故應在二值化前除去該區域，可減小實驗誤差．同時由于二值化及修正過程所耗機時較多，將該過程利用Visual Basic自帶的線程控件（Backgroud Worker）進行后臺操作，利用Backgroud Worker控件的 Worker ReportsProgess事件報告處理進程，并用Progess－Bar動態顯示處理進度，以避免操作界面的假死現象．

2．3 孔數量統計

二值化處理后電鏡照片圖像分散大量不連通的微孔，要得到微孔的數量必須對每個微孔進行標識，采用像素標記法［6］（或稱標號像素法）．以標號像素法對二值化后圖像黑色像素點進行計算，處理過程如下：

1）對已經加載圖像從左到右、從上到下進行掃描，在同一行中不同的位置標上標識，不同列也標上不同的標識；

2）從圖像左上到右下進行掃描，若2個相鄰行中有相連通的區域則下行的號改為上行的號；

3）從圖像右下到左上進行掃描，若2個相鄰行中有相連通的區域則上行的號改為下行的號；

4）對標識進行排列、累加、計算．

2．4 標尺測量

如圖2所示，對于電鏡照片一般都會在圖像右下角給出圖像標尺值，以示材料表面形貌的相對實際大小．計算機只能獲取材料表面圖像的每個微孔孔徑的像素尺寸，需要將微孔像素尺寸轉換為微孔的實際尺寸．

圖2 標尺大小的測量界面

2．5 計算孔洞面積及真實半徑

對于采用像素標記法標記的電鏡照片上非連通的二值化區域進行數點記數，得每一區域像素數量值，利用電鏡標尺值可將該區域以像素為單位的面積值轉為以微米為單位的實際面積值．通常將微弧氧化法制備的樣品表面的微孔近似看作圓形區域，利用公式A＝πr2即可算得相應微孔的半徑值［7］，將面積值及孔徑值存入到DataGrid－View控件顯示．

2．6 計算孔徑分布

對于只統計單張的電鏡照片，由于其分辨率已經固定，只需將已經計算好的微孔孔徑值存入數組，然后進行排序處理，利用用戶輸入的孔徑區間值進行區間數目統計即可實現對微孔孔徑分布統計．

對每個小孔面積經修正后加到低分辨率圖上，以修正低分辨率對細節的淡化．然后修正該低分辨率圖片的孔徑范圍、微孔數量及表面孔隙率等相關信息．

2．7 數據顯示

圖3 數據顯示界面

對于微孔孔徑區間分布統計完成后，將數據顯示給用戶采用Chart控件［8］，界面見圖3，該控件為微軟在Visual Basic 2010最新引入的控件，能較靈活地以二維或三維方式顯示數據，用戶可通過菜單進行不同顯示方式對數據進行直觀預覽．

2．8 數據保存

本軟件提供了將二值化后圖像保存成BMP格式的功能，將孔面積、孔數量、孔徑大小及不同區間的孔徑分布等信息保存成Excel（兼容Excel 2003和Excel 2007格式）文件格式的功能，以方便對數據后續的深入分析和形成實驗報告．

3 結束語

該軟件已經在海南大學材料與化學學院2007級及2008級材料科學與工程專業和2008級實驗班進行了試用，反饋良好，其友好的操作界面，詳細的操作步驟，讓學生更好地了解材料表面技術，深入地學習材料表面表征手段及增強了對材料表面數據分析處理能力，而且由于軟件開發源代碼的開源性，更好地激發了學生的學習興趣，達到很好的教學效果．總之，通過實際教學過程表現及結果反饋分析，該實驗拓寬了學生的思維空間，有效地激發了學生的學習興趣和研究熱情，同時也培養了學生發現問題、解決問題的能力，提供了實驗數據深入分析的實驗方法，對學生深入了解材料科學的內涵起到一定的促進作用．

［1］ 朱琳．掃描電子顯微鏡及其在材料科學中的應用［J］．吉林化工學院學報，2007，24（2）：81－84，92．

［2］ 李麗娟，劉偉波，郭慶葉．強流輻射鈦合金表面特征的原子力顯微研究［J］．物理實驗，2010，30（1）：9－13．

［3］ 韓琦，王志芳，牛夏牧，等．針對索引圖像的人臉區域分級加密算法［J］．電子學報，2008，36（12A）：25－29．

［4］ 王樹梅，范勇．一種基于直方圖統計特征的灰度圖像水印算法［J］．計算機技術與發展，2010，20（1）：177－180，184．

［5］ 李徐周，于飛．有效的指紋紋線細化方法［J］．計算機工程與設計，2006，27（4）：626－628，647．

［6］ 陸敬輝，王宏力，鄭佳華，等．一種改進的星圖中星提取方法［J］．傳感器與微系統，2008，27（6）：31－33．

［7］ 黃平，憨勇，徐可為．用微弧氧化技術處理醫用鈦合金表面的研究［J］．稀有金屬材料與工程，2002，31（4）：308－311．

［8］ 鄂越．淺談MSChart控件在VC＋＋中的應用［J］．計算機與農業（綜合版），2003（12）：41－42．