数据与图像处理.pptx

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1、本 章 要 点7.1 材料研究中的数据处理7.2 计算机图像分析与处理第1页/共56页7.1 材料研究中的数据处理一、Origin 软件的基本功能和使用方法 （一）Origin软件的窗口组成标题栏菜单栏窗口主体文件显示栏状态栏第2页/共56页（二）输入、编辑和保存数据1.输入数据键盘输入、复制其他数据文件、从已有的数据文件中导入数据。可以读取的文本格式：Origin的二进制数据文件、文本格式（ASCII）、Excel格式（.xls）和数据库文件（.dbf）2.编辑数据删除数据（行和列）、修改数据、改变列的数据类型和属性、改变数据属性、改变数据类型、改变数据列名称等。3.保存和输出数据两种格式：

2、1）ASCII文本方式；2）Origin的二进制方式。第3页/共56页可通过函数表达式对整列数据或几个数据单元格进行赋值。选定一个数据列或其中几个数据单元格，打开“柱形图”，选择“列值设定”，通过对话框输入函数表达式进行赋值。大致可以分为三类（数据处理软件部分）：（三）数据运算第4页/共56页举例：材料断裂韧度（KIC）计算图1.1 测定KIC的试样尺寸及加载情况 材料断裂韧度计算公式：当L/h=4时，Y的表达式为：式中：KIC材料的断裂韧度(MPa.m1/2)；P断裂载荷(N)；L为跨距(常用 20mm)；w试条宽度(mm)；h试条 高度(mm)；a槽深(mm)；Y几何 因子第5页/共56页

3、编号编号烧结温度烧结温度宽度宽度 w高度高度 h槽深槽深 a载荷载荷 Pmmmmmmkg1#14002.544.982.349.62.464.962.459.92.505.022.568.92.485.042.519.52.525.002.509.32#14502.525.002.3210.72.544.982.5410.22.464.962.3610.42.505.022.4011.12.485.042.6411.03#15002.505.022.6011.12.485.042.4412.42.525.002.5711.62.544.982.4612.22.464.962.3013.0试验原

4、始数据第6页/共56页（四）数据统计处理 1.按某列的升序或降序排列 选定列，菜单【Analysis】【Sort Column】2.按列求和、均值和标准差 选定列 菜单【Statistics】【Descriptive Statistics】【Statistics On Columns】3.按行求均值和标准差 选定列 菜单【Statistics】【Descriptive Statistics】【Statistics On Rows】第7页/共56页选定待检验的一列或一组数据，菜单【Statistics】【Hypothesis Testing】【One Sample t-test】操作：Origi

5、n 7.0 Tutorial 1popTtst.dat示例数据：4.一组（列）数据的t-检验（均值与期望值比较）第8页/共56页第9页/共56页1）两个独立（Independent）总体的t-检验选定待检验的两列或两组数据，菜单【Statistics】【Hypothesis Testing】【Two Sample t-test】在弹出对话框中选择Independent Test按钮操作：5.两组（列）数据的t-检验Origin 7.0 Samples Analysis Two Sample t-test.opj 示例数据：第10页/共56页1）两个关联（Paired）总体的t-检验第11页/共

6、56页6.多元线性回归 在实验数据处理和科技论文对实验结果的讨论中，经常需要对实验数据进行回归分析，用以描述不同变量之间的关系，建 立经验公式或数学模型。Origin提供了强大的回归分析功能，其中最有代表性的是多元线性回归。多元线性回归就是求回归方程：分析结果将在一个新出现的Results Log窗口中显示于数据页上部。选定两个或两个以上的Y列，菜单【Statistics】【Multiple Regression】第12页/共56页（五）绘图 图形能赋予一般数据以视觉意义，直观显示数据的不同或相似之处或变化规律，显示出数据所产生的数学模型。用图形方法显示数据的直观性，数据间的关系容易理解，因而

7、在科技论文、实验报告中经常使用。Origin软件提供了数据分析中常用的绘图、曲线拟合和分析功能，可以绘制各种二维及三维图等，用Origin软件绘制的初图并不完美，需要对图形的每个元素进行精心设置、编辑、修饰、才能提交一张美观大方、高质量的符合出版发表要求的图形。第13页/共56页1.绘制二维图a)根据需要选择确定图形类型 Origin提供的二维图主要有：散点分布图（Scatter）、线图（Line）、点线图（Line Symbol）、横条图（Bar）、柱图（Column）、饼图（Pie）、面积图（Area）、填充面积图(Fill Area)等。b)确认数据页中各列的属性（X、Y）c)绘图 先选

8、定数据列，再选择绘图工具 先选绘图工具，再在对话框中设定绘图数据列第14页/共56页线图点线图散点图第15页/共56页u 在绘图过程中选择数据栏时，直接选择某数据列（该列属性即使不是Error也行）作为误差数据列可绘出带误差棒的图形，u 在数据页中，读入X列数据、Y列数据及各点的误差误差列属性设为“X（或Y）Error”，然后选择各列（含误差列）进行作图也将得到一张带有误差棒的曲线图。u 在图形页中，打开【Graph】菜单中选择【Add Error Bars】，但弹出的对话框中只有2个选项,即“Percent of Data（）”（数据的百分值）和“Standard Deviation of

9、Data”（数据的标准差）作为误差数值。2.数据点误差、数据列标准偏差的图形表示方法第16页/共56页 Double-Y作图法：在数据页中，选定两个（或以上）Y数据列，选择菜单【Plot】【Special Line/Symbol】【Double-Y】命令即可绘制双坐标图。图中，最后一个Y列的对应曲线的y轴显示在右侧，其余的用同一y轴（左侧）。新增图层法：先作出左边Y轴对应曲线，然后在原来页面上叠上第2层（选择右边Y轴），激活第2层再用【Graph】【Add Plot to Layer】方式在该层上画右边Y轴对应曲线即可。3.在一张图里表示两套Y轴的方法第17页/共56页4.直方图、扇形图（用于

10、生产统计、市场分析）第18页/共56页 先赋值，再作图：给数据列（Y）（X列可赋行号）用函数表达式赋值后作线图（Line)。直接用函数作图：在数据页(图形页)中，选 择菜单【File】【New】，在弹出的对话框中选择“Function”后，在新对话框中输入函数公式，即可绘出函数图。n 在已有的图形页中加入函数图形n 在空白图形页中显示函数图形 在图形页中，选择菜单【Plot】【Add Function Graph】，在对话框中输入函数表达式。5.函数图形的绘制第19页/共56页6.增加新的图形页面和删除图形页面7.在同一个页面中增加新的图层操作：新建（【File】【New】【Graph】或直接

11、作图）删除（关闭不保存）操作：【Tool】【Layer】打开选项卡；【Graph】【Add Plot to Layer】为图层添加图形；图形中右键菜单可控制组织图层等。8.增加新的页面9.删除图形第20页/共56页10.图形修饰与编辑技巧（1）页面大小与背景颜色 方法：菜单【Format】【Page】，在弹出对话框中设置。（2）图形大小及在页面中位置 1）菜单【Format】【Layer】，在弹出的对话框中的“SizeSpeed”选项卡中改变图形左边界、上边界和图形区的尺寸；填入适当数值后，得到新设置的图形。注意参数的单位（、of Page、inch、cm、mm、pixel等）的选用。2）菜单

12、【Edit】【Rotate Page】，可旋转图形。3）菜单【Edit】【Merge All Graph Windows】，可把多个图形整齐地排成数行数列于一个窗口页面中。方法：第21页/共56页方法：菜单【Format】【Plots】选中并双击曲线或符号 在弹出的“Plot Details”对话框中编辑曲线和误差线的线型与粗细、符号类型与大小及它 们的颜色等。（3）线条和符号编辑 方法：菜单【Format】选中并双击坐标轴或坐标轴标题在弹出的对话框中对各选项卡进行设置编辑。（4）坐标轴及坐标轴标题设置 第22页/共56页（1）添加多条曲线 11.其他技巧简介 当画完一张曲线图后，要在同一层面

13、上再添加曲线，在【Graph】下拉菜单中，选择【Add Plot to Layer】，再选择某图形形式后，便弹出选择画图数据栏的对话框，正确选择数据栏，即可添加曲线。如此反复，可在同一层面 上添加多条曲线。1）在同一图层（Layer）上添加多条曲线2）在同一页面（Page）上利用多图层叠加实现多条曲线对比同一个页面可安排多幅图层（layer），每幅图层上画一条曲线。操作：【Tool】【Layer】打开选项卡；【Graph】【Add Plot to Layer】为图层添加图形。（2）拟合 第23页/共56页（3）三维图绘制 Origin提供了三大类三维图，注意他们的区别，根据不同的需要选用。（1

14、）XYY三维图三维图 以X为底面，Y轴为纵坐标（高）的三维图，实际上只是二维图的立体化；与一般二维图一样，一张图上可有一个或多个Y数据列。操作：数据页窗口，菜单“Plot”“XYY 3D”，下有四种可选。（2）XYZ三维图三维图 以XY平面为底面，Z轴为纵坐标（高）的三维图（散点图和点线图），作一张图只能选择一个Z数据列。操作：数据页窗口，菜单“Plot”“XYZ 3D”，下有两种可选。第24页/共56页三维图示例黑白线条数字标记的等高线用设置的数据作等高线彩色等高线第25页/共56页 与其他数据（如图形等）捆绑保存（.OPJ、.ORG）方法：菜单“File”“Save Project”或“S

15、ave As Project”以图形形式保存（.bmp、.tif、.gif、.pdf、.jpg等）方法：图形页面下，菜单“File”“Export Page”以窗口方式单独保存数据表（.OGW）方法：菜单“FiLe”“Save Windows As”12.图形的输出与保存第26页/共56页二、Origin 在材料科学研究中的应用举例 （一）反应结合氧化铝动力学机理研究（二）固相反应动力学机理研究（三）在数学模型建立和拟合中的应用（四）谱线处理第27页/共56页 河北工业大学的王宝珠等用BASIC语言对所测相变数据进行分段抛物处理实现了曲线拟合。洛阳船舶材科研究所张明奇采用计算机编程与数据处理，

16、绘制了钢的过冷奥氏体等温转变TTT图和连续转变CCT图。在直接生成式控制气氛热处理中、由于炉内化学反应涉及多种平衡因素因而计算复杂，姜岩等推出了较准确地计算炉气平衡成分的方程式，并编制了计算机程序不仅准确度明显提高、而且运算时间仅需几秒钟。华中理工大学的张乐福等利用计算机和人工网络系统对铸铁激光表面淬火实验数据进行了处理，得到了满意的结果。洛阳船舶材料研究所邓欣对应力腐蚀试验数据的处理系统进行了研究。三、材料研究科学中的数据处理 第28页/共56页7.2 计算机图像分析与处理 随着材料科学研究的深入和发展，计算机图像分析系统逐渐成为辅助研究材料结构与性能之间定量关系的一种重要的手段。比如：在晶

17、粒度测量、夹杂物的评级、相分析（包括测各相的含量和形状因子等）以及显微硬度、孔隙率、球化率、圆度和涂层厚度等的测定中，计算机图像分析系统的引入极大地提高了这类定量分析的质量，材料科学研究的数字化时代已经到来。近几十年来，材料科学家们通过人工方法或全集成的定量分析系统对材料的结构与性能作了许多定量分析。随着计算机技术的发展，图像分析系统也发生了巨大的变化，其中最明显的变化是从全集成的分析系统向以通用PC机为基础 的、可自由配置及扩充的开放式软件系统发展。第29页/共56页一、图像与图像处理 粗略地说，图像是任一二维或三维景物呈现在人们心目中的影像。确切地说：图像是一种代表客观世界中某一物体的、生

18、动的图形表达，包含了描述其所代表物体的信息。就本课程来说，图像是指由各种材料表征手段（如光学或电子显微镜、光谱等）所获得的有关材料结构的各种影像。第30页/共56页 图像处理就是按特定的目标，用一系列的特定的操作来“改造”图像。所谓特定的目标，可以是使图像更清晰、更美丽动人，也可以是从图像中提取某些特定的信息。本课程所涉及的图像处理，主要是对各种表征手段获得的影像进行“加工”，从中提取有关材料结构的信息。第31页/共56页二、数字图像的获得途径一般的图像（即模拟图像）不能直接用数字计算机来处理。各类图像转化成数字图像CCD图像采集系统（CCD摄像头、图像监视器、图像卡以及计算机硬件系统 和图像

19、采集处理软件系统组成）扫描仪图像采集系统（平板式扫描仪、主机插槽的接口卡以及计算机软硬件系统）第32页/共56页三、采用常规软件进行材料图像分析与处理 Photoshop是功能非常强大的图像处理工具，有很多图像处理功能，如路径、通道、滤镜等等。利用它们可以方便的完成材料凝聚态图像的二值化处理。第33页/共56页 通过阈值的设置进行图像二值化 通过Magic Wand（魔棒）工具进行图像二值化 通过Polygonal Lasso（多边形套索）工具进行图像二值化 几种图像二值化的方法：材料研究的图像处理主要包括材料聚集态结构单元的测量等。为此，图像处理的首要工作是图像的二值化，以分离出目标粒子，同

20、时消除背景干扰。图像的二值化主要包括目标粒子的分离、背景的去除和图像二值化几个步骤第34页/共56页1.通过“阈值”的设置进行图像二值化 当图像的目标粒子与背景的灰度相差比较大时，可以直接应用阈值的设置将目标粒子从背景中分离出来，同时实现二值化。聚苯乙烯/顺丁橡胶共混物的 SEM照片例：聚苯乙烯为分散相，共混材料在液氯中冷冻后干燥脆断，再以环已烷溶解掉聚苯乙烯粒子，形成黑色的孔洞。因此，图像中黑色孔洞可以代表聚苯乙烯粒子，其大小也可以表示粒子大小。黑色孔洞的平均灰度约为40，背景部分的平均灰度约为130,两种区域的灰度相差较大，因此可以容易地用阈值方式分离。第35页/共56页操作过程 弹出“阈

21、值”对话框第36页/共56页2.通过“魔棒”工具进行图像二值化 如果图像目标粒子和背景的灰度差别不大，用阈值调整无法有效分离目标粒子，无论将阈值色阶设在高阶还是低阶,目标粒子总是与背景混杂在 一起，难以有效分离。然而观察图像发现，目标粒子自身形成的区域灰度差别很小。此时可用“魔棒”这一工具将目标粒子有效分离出来。第37页/共56页（1）选择目标区域：鼠标左键双击“魔棒”按钮，弹出魔棒选项对话框，通过设置容差可确定选择区域的大小。用鼠标左键点击“魔棒”按钮，则在图像上可出现魔棒，用魔棒点击目标粒子，会出现虚线环绕的区域。（2）用魔棒点击目标粒子时按住【Shift】键。可选择多个目标粒子。注意：当

22、不同目标粒子容差相差较大时，应针对不同目标粒子选择不同的容差。操作过程第38页/共56页（3）分离目标粒子：选择菜单【选择】【反选】，选择区域将变为除目标粒子外的背景区域。此时再选择菜单【编辑】【消除】，可得到目标粒子分离的图像。（4）设定阈值，得到二值化图像。第39页/共56页3.通过“多边形套索”工具进行图像二值化 当所处理的图像灰度分布十分复杂时，则不能用上述两种方法进行二值化工 作。此时多边形套索是最有效的工作。图 通过“多边形套索”工具进行图像二值化第40页/共56页操作过程 用鼠标左键点击工具栏中的“Lasso（套索）”工具，这栏有Lasso、Polygon Lasso（多边形套索

23、）和Magnetic Lasso（磁性套索）三个工具。对于初学者来讲，Lasso不易掌握。如果粒子和背景灰度差别比较大，可以选择使用磁性套索。建议使用多边形套索，用鼠标沿目标粒子边界拉动并不断点击左键则会选择出目标粒子。（1）选择目标粒子第41页/共56页（2）多个目标粒子的选择（标记）方法：填充（也可用前面介绍的“Shift”方式）第42页/共56页（4）去除背景 完成“二值化”方法：同前（反选，清除背景，设阈值）（3）选中目标粒子 第43页/共56页四、粒径大小测定原理 在材料研究中，经常遇到粒子大小（即粒径与粒径分布）的测量问题。下面着重介绍粒径的测量与表示方法。（说明：粒径分析之前一般

24、要对测得的微粒图像进行前述的二值化处理）第44页/共56页投影面直径da置于稳定位置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。投影面直径dp 与任意放置的颗粒的投影面积相同的圆的直径。周长直径dC与颗粒的投影外形周长相等的圆的直径。Feret直径dF与颗粒投影外形相切的一对平行线之间的距离。Martin直径dM颗粒投影外形面积等分线。展开直径dH通过颗粒重心的弦长。统计直径：用平均概率统计直径表示。1.颗粒大小的表征第45页/共56页2.颗粒形状的表征（1）形状系数 测得的颗粒各种大小与颗粒体积或面积之间的关系。形状系数 形状因素常用参数式中：dS为面积直径（与颗粒具有相同表面积的圆球直径）；dV为体积

25、直径（与颗粒有相同体积的圆球直径）；aS,a，aV,a分别为面积和体积的形状系数，下标a表示是对应于da的。第46页/共56页u 形状因素 颗粒各种测得大小的无量纲组合 Why？其它表示方法第47页/共56页3.颗粒大小分布的表示方法 在表示颗粒大小分布时，常使用大小范围来表示。常用的大小范围取法有等间隔的算术级数划分法和等比的几何级数划分法等。具体表示方法有：列表法、矩形图、累计百分率频率分布图等。第48页/共56页（1）列表法几个重要概念:颗粒大小x：指测得的颗粒的当量直径；频率数d：指在策大小范围内颗粒的某特征（包括个数、长 度、面积和体积等）出现的总数；累计频率数：指小于某颗粒大小的特

26、征总数，百分率频率:累计百分率频率：频率密度 ：指每一甲位长度的百外率 领率相当于概率论中的概率密度。第49页/共56页频率数dN对颗粒大小x作矩形图（直方图）（2）矩形图（3）累计百分率频率分布图（4）频率密度分布图 频率密度 对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线 累计百分率频率 对x作图、通常将各点描成连续平滑曲线 第50页/共56页4.平均直径 如图8-44所示，“频率密度最大值”是频率密度最大所对应的颗粒大小；“中线值”是在累计百分率频率曲线上50对应的颗粒大小，在频率密度曲线上，通过此值的垂线将曲线下的面积等分；“平均值”是通过频率密度曲线所包括的面积的重心的垂线与横坐标的交点值，公

27、式如下：第51页/共56页 颗粒分布的特征包括个数、长度、面积和体积。大小不同的颗粒所组成的物质（原物系）可被另一个与该物系有且仅有两个相同特征的均匀物系（代表物系）所代表。对于这两个相同的特征而言，后一物系的颗粒大小即为前者的平均值。（图8-45）原物系代表物系 颗粒的相对分散程度：可以用平均直径的离差系数表示 颗粒的分散程度：就用平均直径的标准方差表示 第52页/共56页五、粒径分析中的图像处理方法及算法 跟踪算法进行微粒面积求取的基本思路：1）首先选择满足条件（常为某灰度值）的像素作为起始像素。2）根据已得输出结果，在输入图像上搜索确定下一步应处理的像素，并进行规定处理（计数）。3）根据已得输出结果及输入图像，确定终止条件。4）计算真实面积：根据标尺（或像素面积）将像素总数换算成真实面积。第53页/共56页六、粒径数据作图与分析（一）作图（一）作图（二）统计分析（二）统计分析用Origin等软件作图，如：粒径分布图、矩形图等。直方图对话框中有两种拟合方式：NormalCurve（正态分布）Gaussion Fit（高斯分布）第54页/共56页七、图像处理在材料研究中得应用举例 第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页