多边形面积算法和填充法开发等轴晶比例计算专用软件

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论文摘要

  在实际生产中,液态金属凝固成铸锭后,其铸态组织不但影响到它的加工性能,而且还影响到压力加工后的金属制品的组织和性能。铸锭的宏观组织通常由三个晶区所组成,即外表区的细晶区、中间的柱状晶区和中心部分的等轴晶区。从钢的性能角度看,希望得到等轴晶的凝固结构。由于缺少自动化测量手段,目前均采用人工测量和计算,等轴晶比

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  本软件利用 VB 语言和其特有的图像控件,建立可视化界面,采用多边形面积算法(后称为勾勒法)和填充法(后称为种子法),开发等轴晶比例计算专用软件。本软件为 EXE 可执行文件,具有操作简易,体积小(小于 500 kb),运行速度快且免安装等优点,非常适合现场工人使用。通过现场试用,大幅提高等轴晶比例计算效率和精确度,为后序生产工艺提供有效参数。

  1、可视化界面的建立和控件介绍

  本软件包含 4 个窗体,其中 3 个窗体组合成为登陆界面,1 个窗体为图像处理界面。图像处理窗体由三大块构成,首先在窗体上建立图片框和CommonDialog 控件,用于图片的载入和对话框的打开,其次利用菜单编辑器建立一系列主菜单和对应的子菜单,执行图片的载入、清除、缩放、感兴趣区域的勾勒、比例计算、图像处理和程序退出等功能,最后在窗体上建立一系列标签、文本框、框架和按钮等用于程序执行过程中的提示语、参数设定和命令的执行等功能。

  图像处理窗体的图片框共有 2 个,其中 Picture2用于装载图片 ,Picture1 用 于 Picture2 的 定 位 ,Picture2、滚动条、提示标签和三原色(RGB)文本框均嵌在 Picture1 中。Picture1、Picture2 和滚动条的Visible 属性都设置为 False,完成图片的载入后,Visible 属性均自动调整为 True。当 Picture2 宽度和长度都小于屏幕宽度和长度时,Picture1 长度和宽度等于 Picture2 宽度和长度;当 Picture2 宽度或长度超过屏幕宽度或长度时,Picture1的长度和宽度等于屏幕界面,滚动条的 Visible 属性调整为 True,使用者可以拖动滚动条在屏幕界面内查看整张图片。

  主菜单包含文件、编辑、缩放、独立区域计算、多区域计算、调节、图片处理和帮助等。其中文件包含载入和退出 2 个子菜单,用于执行图片的载入和程序的退出命令。编辑包含勾勒闭合区域、采集种子和清除 3 个子菜单,分别用于执行感兴趣闭合区域的勾勒(勾勒法计算等轴晶比例),采集感兴趣闭合区域边界点三原色(种子法计算等轴晶比例)和恢复图片原始状态等命令。缩放按钮用于图片的缩小和放大。独立区域计算和多区域计算也包含若干个子菜单,用于执行两种算法等轴晶比例的计算和累加。调节菜单用于种子法采集感兴趣闭合区域边界点三原色的容差调节。图像处理主菜单主要用于实现一定色域范围内(定色域)图像比例的计算和轮廓的勾勒等功能。帮助菜单弹出的文本框用于提示操作者如何进行本软件的操作,在单击窗体后,帮助文本框会自动消失。为避免误操作,进入图片处理界面后,仅文件和帮助菜单可见,其余菜单在操作进程中只是逐条可见。

  窗体中的标签、文本框以及框架的 Visible 属性均设为 False。框架 Frame 中嵌有文本框、选择按钮和命令按钮,用于填写和选择感兴趣色域、计算比例和绘制边界轮廓。执行完毕后,单击窗体任意点,控件消失。为了获得较快的运行速度,将图像处理窗体、Picture1 和 Picture2 的坐标度量单位改为实际像素(绘图模式 ScaleMode 属性设置为 3-Pixel)。由于程序中涉及到屏幕尺寸,因此,窗体加载时将屏幕尺寸转换成像素单位,代码如下:Sw = Screen.Width / 15: Sh = Screen.Height / 15

  2、原理与流程

  2.1 面积算法原理

  冶金行业中常涉及到不规则区域面积的计算,比如矿相分析,组织比例分析,晶粒大小统计等。面积是物体总尺寸的一个方便的度量,只与该物体的边界有关,与图像内部灰度级的变化无关。目前,针对不规则区域面积的计算,常用的有以下三种算法:三角形遍历法、像素计数面积算法和区域增长法。三角形遍历法是一种建立在平面几何学基础上的算法,一个多边形的面积等于由各顶点与内部任意一点的连线所组成的全部三角形的面积之和。

  像素计数面积算法是通过像素计数计算面积,这是一种最简单的面积计算方法,即统计边界内部(也包括边界上)像素的数目总和来求面积。勾勒法和种子法的原理分别来源于这两种算法。三角形遍历法的多边形计算公式如下所示:

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  式中:A 为多边形面积;N 为边界点的数目;x,y 为边界点坐标。

  2.2 图像处理实现流程

  本软件默认图片大小为铸坯断面大小,即Picture2 的面积为铸坯断面面积 A。当采用勾勒法时,首先要将等轴晶区域用闭合曲线勾勒出来,然后采用三角历练法计算闭合区域面积 B。如果铸坯断面只存在 1 个等轴晶区域,则执行比例计算,即 B1×100/A;如果存在多个区域,则利用多区域计算的子菜单进行记录并累加,最后执行比例计算,流程详见下页图 2。当采用种子法时,要求现场工人用单色笔对铸坯等轴晶区域进行勾勒后再取相。经上述处理得到的图片载入后,首先对单色笔勾勒的边界进行三原色识别,然后设置三原色的容差。单击区域内任何一点,从该点开始向上、下、左、右四个方向执行自动填充,填充的同时进行像素累加,一旦遇到边界点即停止该方向的填充,直到填满整个闭合区域,此时总像素之和即该闭合区域的面积,然后除以铸坯面积(Picture2 的面积)便得到等轴晶比例,若含有多个等轴晶区域,记录后再填充下个区域,将累加值除以铸坯面积(Picture2 的面积)便得到多区域等轴晶比例,如下页图 3 所示。

  3、主要功能实现方法

  本软件能够实现图片载入、闭合区域勾勒、缩放、勾勒法计算比例、种子法计算比例、定域比例计算和轮廓勾勒等诸多功能。以下主要对闭合区域勾勒、勾勒法和种子法计算等轴晶比例等三个功能进行介绍。

  3.1 闭合区域勾勒

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  为了进行循环计算,将边界点的坐标 x 和 y 都存贮同一个数组中,同时对各点坐标与数组下标进
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  3.3 种子法计算等轴晶比例

  种子法计算面积命令可分解为三个动作:识别边界、填充和计数。为了避免误操作,定义一个全局变量 flag3 用于识别三原色:当 flag3=false 时,单击图片不识别该点三原色。由于用单色笔勾勒的边界取相后的像素存在容差,故给边界点的三原色设置容差,容差范围为±30,落在边界点三原色容差范围内的点判定为边界点。关键代码如下:
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  完成等轴晶面积计算后,除以整个图片的面积即可得到等轴晶比例。

  4、结语

  通过等轴晶软件可视化界面的建立、闭合区域勾勒,用勾勒法和种子法计算等轴晶比例。从理论上分析,种子法计算更加精确;但实际操作中,勾勒法操作相对简单,测量结果和种子法相比误差可控制在 1%以内,而且省去现场勾勒工序,因此,现场一般推荐使用勾勒法。

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