基于数字图像技术三维重构金相组织微观浮凸的方法

背景技术  我们知道，在金相显微镜光学系统中，光源发出的白色光垂直入射金相试样表面的金相组织，反射光经物镜先得到一次放大的实像，继而人眼通过目镜在平面视场中看到二次放大的虚像(摄影时有所不同，从物镜出来的光线通过摄影目镜在相机的投影屏幕得到二次放大的实像)，平面视场(或相机投影屏幕)与沿目镜的视线垂直，因此最终传感到人眼(或金相照片)的显微放大像是积聚在二维平面视场上的金相组织的灰度图像。

实际上，金相试样表面并非我们在金相显微镜中看到的二维灰度组织图像，而是试样的白亮抛光平面经过金相侵蚀剂腐蚀得到的金相组织微观浮凸。对应浮凸中易侵蚀相所在的凹面，在金相组织灰度图像中呈现灰暗区域；对应浮凸中不易侵蚀相所在的凸面，在金相组织灰度图像中呈现明亮区域；特别是对应浮凸中相界、晶界最易侵蚀所成的沟槽，在金相组织灰度图像中呈现黑色线条，勾画出金属相及其组织形态在剖切面的轮廓。平面金相显微镜只能如此得到试样表面的二维信息，而与试样表面垂直方向的信息，即金相微观浮凸的高低差信息却丢失了。形象地讲，金相组织微观浮凸真实的三维空间形貌好似宏观地表的高原、平原、盆地和峡谷，而金相组织灰度图像仅仅好比从高空正投影看到地貌的俯视图一样。

考察百年以来国内外金相分析技术领域，人们习惯了在金相显微镜下分析金相组织之平面灰度图像的传统方式，与实体显微镜看到的立体图像相比，虽然其平面鉴别度及放大倍率提高了百倍之多，但垂直鉴别度极差，因而没有立体感。显示的金相组织图像，仅仅依靠一个剖切面来认识金相组织，有片面性和主观性，就像随意给一个侧身像让我们识别一个人一样。金相检验时，面对金相显微镜视场中呈现的千姿百态、千变万化的金属相及其组织的二维形态，由于平面形态的多义性，很难想象它真正的三维形态，很难断定它应该属于何种金属相并组成何种组织。如看到的圆形并非一定是圆球，在空间其三维形态可能是圆柱、圆锥、圆环等多种形体；另一方面，某种形体不同位置的剖切面也并非一种，如圆锥体可以切出圆形、椭圆形、抛物线、双曲线甚至三角形等等。可以说，我们现在看到的金相组织的灰度图像，实质上是它在一个方向上积聚成的投影，不能全面、客观描绘金相试样的三维微观浮凸，不能直观断定金属相及其组织单元的立体形态，必须借助别的高级手段或先验知识加以判断。最早启用的实体显微镜，尽管图像立体感较强，由于空间鉴别度差而限制了其放大倍率的提高；采用价格昂贵的现代电子显微镜及复杂的复型样品制作技术，得到的透射电子显微镜图像略可看出微观组织细节的立体感，除此之外谁也没有打算观察试样上的金相浮凸究竟是怎样的蚀雕之作？至今为止也没有人深究过这样一个问题：从金相组织的二维灰度图像重构金相浮凸的三维形态，会给延续一、二百年的金相发明史带来什么样的创新？

本发明从平面地形图到宏观地貌的三维模型重构问题得到启发，研制出一种基于数字图像技术三维重构金相组织微观浮凸的方法，查新结果表明目前在国内外金相分析技术领域尚属空白。