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陶瓷坯釉料配方优化及显微结构定量分析摘要陶瓷是中华民族文化极其重要的组成部分，深刻影响着世界文化史的发展进程。陶瓷材料的组成与结构决定着材料的性能，显微结构测量与分析是判断陶瓷材料状态和内部结构的主要途径，陶瓷配方的优化和显微结构的分析对于生产各种品质和质地的陶瓷制品有着重要的意义，是陶瓷生产工艺过程中的一个最为重要的环节。由于陶瓷材料的化学成分组成的多样性，采用一般的手工计算进行配方极为繁琐，而且结果往往距要求相去甚远。随着计算机技术的飞速发展和日益广泛的应用，相关的计算机配方辅助设计软件已逐步应用于实际生产领域中。而显微组织测量与分析对陶瓷材料研究具有非常重要的现实意义。通常，陶瓷研究人员使用传统人工方法进行显微组织的定量分析。此种方法乏味费时，检验人员劳动强度大，检测结果的可靠性及有效性难以保证。目前，国内由于相关领域发展的制约，该方面研究还存在很多问题。本文针对实际的陶瓷生产工艺中的制约陶瓷生产质量的两点关键性技术问题，从理论上提出相应的改进方案并在技术实现上加以改进，具体方案详述如下：第一，针对配方优化方面，利用最优化算法对陶瓷配方进行优化设计，将繁琐的传统手工计算交由计算机来处理，缩短产品设计周期，提高生产效率。在分析数值优化算法的基础上，针对陶瓷配方优化方法的特点，分别采用复合形法和遗传算法对陶瓷配方进行设计。通过两种算法的结果对比分析，发现标准遗传算法在计算后的结果不理想，与复合形法的结果相比还有一定的差距，因此重点对标准遗传算法进行了优化和改进设计。主要体现在以下三个方面：(1)选择策略中使用了随机联赛选择替代传统的轮盘赌模型，提高了运算效率，保证了个体的进化；(2)变异操作采用高斯变异来改进标准遗传算法中的均匀变异，解决了标准遗传算法在局部搜索中不足；(3)自适应调整交叉率和变异率，利于算法的收敛。改进后算法的效率高于复合形法和标准遗传算法的效率，使配方优化设计 更具有科学性和合理性。第二，针对古瓷釉显微结构方面，利用现代电子显微技术，对瓷釉试样系列截面，显微放大陶瓷磨片，获取陶瓷显微组织图像。从图像增强、图像平滑、图像分割及边缘检测四个方面，详细比较分析各种数字图像处理技术，结合陶瓷显微图像的特点，根据图像处理结果，选取适用于陶瓷显微图像处理的最优方法。主要体现在以下三个方面：(1)运用数字图像技术中的拉普拉斯锐化、中值滤波方法对陶瓷显微组织图像进行预处理，滤波去除图像分析中的干扰因素和误差，获得利于分析的图像；(2)采用改进的最大类间方差法确定阈值，自动分离具有相近灰度特征的组元，实现陶瓷多组元的图像分割，并对二值分离图像进行边缘检测，提取组元轮廓；(3)由于陶瓷显微组织图像为不连续图像，一般数学建模法不适合用于显微结构定量分析，因此，课题采用体视学方法计算普适参数，定量表征陶瓷显微组织中各相的体积分数、空间尺度分布。课题的研究对于陶瓷生产技术的实际应用具有重要的理论参考价值。本课题中系统开发所采用的方案为软件工程中的模块化设计和面向对象的思想，利用Delphi7．0作为开发工具，设计实现陶瓷配方优化系统和陶瓷显微图像数字分析与处理系统，并利用ADO数据库访问技术可以直接访问和调用数据库。在实现的陶瓷配方优化系统设计中增加的典型配方和综合调试模块，提高了系统的实用性，系统辅助功能和帮助功能能够使用户快速使用，有利于系统的推广和应用；而设计的陶瓷显微架构中，详细介绍了系统各模块及数据库的实现方法。有效协助研究人员进行陶瓷配方及显微组织定量分析，为陶瓷材料的研究提供技术支持。关键词：陶瓷配方j优化设计，体视学，定量分析，边缘检测，复合形法，遗传算法，显微组织，图像分割Il THEOPTIMALFoRMULAANDMICRoSTRUCTURALQUANTITIVEANALYSISoFCERAMICBoDYANDGLAZEABSTRACTTheceramicsthathaveprofoundlyinfluencedtheculturalhistoryoftheworldisanextremelyimportantconstituentofChineseculture．Thefunctionsoftheindustrialceramicsdependonthecompositionandstructureofthematerial．Microstructureanalysisisthemainwaytojudgetheconditionandinternalstructureofceramicmaterial，amongwhichtheoptimizationofformulationandtheceramicmicrostructurequantitativeanalysisisessentialtothepropertiesandthequlitiesofceramicproducts．Becauseofthediversityofchemicalcompositionoftherawmaterials，thewayofhandcalculationforafixedformulationisusuallycomplicatedandtrivialandtheresultscannotmeettherequirement．Withtheswiftdevelopmentofcomputertechnologyandtheincreasinglywiderangeofitsapplication，therelatedcomputer-aidedformulationdesignsofewareshavebeengraduallyappliedtothefieldofpracticalproduction．Themicrostructureanalysisiswidelyusedinjudgingconditionandinternalstructureofceramicmaterial，whichispracticallysignificanttothestudyofceramicmaterial．Usually，theceramicmicrostructurequantitativeanalysisiscarriedonwithtraditionallyartificialmethodwhichistime-consumingandcanhardlyguaranteethevalidityoftheresults．Asforthedomesticdevelopment，thereisstillalongwaytogobecauseoftherestrictionofdevelopmentinrelevantfields．Inthispaper，twokeyproblemsabouttheaffectioninthedevelopmentofqulitiesofceramicproductshavebeenproposed．Inordertosolvethem，wehavecomeupwithanimprovingplanintechnology，whichiselaboratedinthefollowingdetails：First，optimalalgorithmhasbeenusedtooptimizetheceramicIII formulationandthetraditionalhandcalculationiSreplacedbythecomputer．Thewayofusingcomputercanshortenthelifecycleofproduct’Sdesignandenhancetheefficiencyoftheproduction．Accrodingtothenumericalmethodinstructuralanalysisandthefeatureofoptimizationalmethodoftheceramicformulation，thecomplexandgeneticalgorithmshavebeenusedtooptimizetheceramicrespectively．Throughtheanalysisofthetwomethods，wehavedrawntheconclusionthatthestandardgeneticalgorithmiSnotsatisfactoryandtheresultiSfarawayfromthecomplexmethod．Therefore．weputtheemphasisonthestandardgeneticalgorithm，whichhasbeenoptimizedandimprovedindetail．Theimprovedworkmainlyinvolvesthefollowingthreeaspects：(1)thestochastictournamentmodelhavebeenreplacedbytheroulettewheelselectionintheselectionstrategy，thentheefficiencyofcalculationisimprovedandtheevolutionofchromosomeisassuranced；(2)theGaussianmutationhasbeenusedtoimprovetheuniformmutationinthemutationoperatorandovercometheshortageofthestandardgenecticalgorithminlocalsearching(3)theprobabilityofcrossoverandtheprobabilityofmutationhavebeenadaptivelyadjusted，whichisbeneficialtotheconvergenceofalgorithm．Theimprovedalgorithmismoreefficientthanthecomplexmethodandmakestheoptimumdesignofmorescientincalandrational．Second．theancientceramicglazemicrostructurehasbeentakenforexample．Withelectronmicro．technique．ceramicsmicro．sectioniSenlargedunderthemicroscopeSOastogainimagesofceramicmicrostructure．Thenthemostsuperiormethodforprocessingceramicmicrostructureimageisselectedbythedetailedcomparativeanalysisaccordingtotheimageprocessingresultandcharacteristicsofimages．Themethodusedinthepaperisshownasfowllows：(1)First，thepreprocessingiscarriedonwiththemethodoflaplacianandmedianfiltertoeliminatethedisturbanceinimageanalysisstep．(2)Second，thethresholdusedforimagesegmentationischosenbytheimprovedalgorithm．Theceramiccomponentsandtheiredgesaregainedwiththetechnologyofimagesegmentationandedgedetection．(3)BecausetheIV imagesarediscontinuous，ordinarymathematicsmodelingmethodisnotappropriateforquantitativeanalysisofmicrostructure．Therefore，stereologymethodhasbeenusedtocalculateparametersforquantitativeanalysis．Thedesigningandimplementationoftheceramicmicro-imagedigitalanalysisandprocessingsystemhasusedmodulardesignmethodandobject—orientedconcept，whilealsowiththeDelphi7．0languagetorealizetheceramicsystemoptimizationandADOdatabase—accessingtechnologytoaccessthedatabase．Thissystemwasdesignedtohavethefunctionoftypicalformulationandadjustmentthatimprovethepracticabilityofthesystem．Thecomputer·aidedcontrolsystemmaketheuseruseitquicklyandisbeneficialtothepromotionandapplicationofthesystem．Thearchitectureofthedesignedceramicmicrostructuretogetherwithdetailedsystemrealizationmethodwillassisttheresearcherstocarryonquantitativeanalysiseffectively．‘‘KEYWORDS：Ceramics·formulation，Optimaldesign，Complexmethod，Geneticalgorithm，microstructure，stereology，quantitativeanalysis，edgedetection，imagesegmentationV 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：彳弓弓日期：2009年11月关于学位论文使用授权的声明本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：审弓导师期：2009年11月 1绪论中国陶瓷是中国历史民族文化极其重要的组成部分之一。“陶瓷"是在人类生活和生产中不可缺少的一种材料和其制品的通称。它在人类生产的历史上已有几千年的历史。陶瓷是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混炼、成形、煅烧等过程而制成的各种制品。它不仅构成了整个中华民族文明史，也深刻地影响和作用于整个世界文化史的发展过程。现代科学技术的发展促使陶瓷材料的研究方法不断创新、提高。陶瓷科学与研究已经成为对我们生活产生重大影响的一门学科。近半个多世纪以来，随着先进陶瓷的研究和开发，在与人类生活息息相关的各个领域，如电子、通讯、能源、交通、宇宙探索和国家安全等，都能找到先进陶瓷的身影。可以说现代人的生活离不开陶瓷，高技术产业、国防军工的发展，在很大程度上都要依赖陶瓷材料的突破和发展才得以实现。中国陶瓷以其无可比拟的历史地位、卓越的成就、丰富的内涵成为国际陶瓷研究的中心课题。近年来，陶瓷工业在现代化建设中具有很重要的地位。首先，陶瓷是人民日常生活中不可缺少的日用品，几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、茶具和容器。除日用陶瓷外，建筑工业中的砖、瓦、管道，以及卫生洁具等都大量需要陶瓷，电力，电子工业中的陶瓷绝缘材料，化学工业中的耐腐蚀器皿，冶金工业中大量的耐火材料，以及其它工业需用的很多陶瓷材料等在陶瓷工业中的比例随着现代化建设的发展而日益增大。随着现代科学技术的飞速发展，对材料的要求也更高更严，作为具有优良性能的特种陶瓷已经得到广泛应用。我国的陶瓷有着悠久的历史和光辉的成就，经历了三次飞跃，它在我国的文化和工艺发展史上都占有极其重要的地位。作为传统的陶瓷大国，我国的陶瓷工业虽然发展迅速，但目前在若干方面仍然与世界先进水平有不少差距，我国陶瓷出口贸易额占世界总贸易额的比例还很低。所以，进一步发展陶瓷工艺技术的研究，利用现代化的科学理论和科学技术研究我国的陶瓷生产和研究，形势严峻。作为具有悠久历史的陶瓷，随着世界科学技术的日新月异，新兴的陶瓷材料必然会层出不穷，古老的陶瓷工业在新的形式下将再次产生飞跃，在现代工业中放射出更加灿烂的光芒。计算机在陶瓷研究和生产领域的应用越来越广泛，大多数陶瓷研究、生产 企业已经配备了计算机，这些计算机目前基本上是用于企业和财务管理，真正用于科研和生产工艺控制的却寥寥无几⋯。在该领域中，恰恰是科研和工艺控制人员一方面要处理以开发新品种、降低成本和提高产品质量为目的的新配方设计和调整等大量数据，另一方面又要面对每一天都在变化着的原料成分波动所进行的配方调整需要处理的大量数据；以往所有这些计算几乎都采用手工计算，因需处理的数据太多，调整一个配方往往要计算几个小时，不仅浪费了宝贵的人力资源，有时也因时间拖拉而影响生产，因计算量太大及数据精度的取舍差异，造成计算的结果往往难尽人意。综上所述，人工陶瓷配方优化工作目前存在的主要困难有：①配方优化过程工作量过大，并且大多为重复性工作。②配方优化结果的成功与否难以在选择原料时确定。很多原料的组合无论各种原料含量怎样变化都难于形成目标配方要求的化学成分比例和精度要求，因此很可能大量优化工作成为无用功。③如何从多个配方中定量选择出最佳配方。因此，一个能使从选取原料到配方优化，到分析调整等一系列过程由计算机自动完成，并大大提高计算结果精确程度的陶瓷优化配方系统亟待研究。早在九十年代初期，国外陶瓷企业就己开发成功并采用计算机坯釉料数据库管理系统来处理陶瓷科研和生产方面大量的数据，如比较著名的坯釉料计算管理软件Insight，GlazeChem等。国内外学者开发研制的这些最优化计算软件，大多数采用FORTRAN、BASIC、ALOGOL60等语言在DOS环境下编写而成，当满足一定条件时，可得到较好的配料结果。但这些软件普遍存在一些问题：①DOS下软件界面不友好，不能实行人机对话，大量输入参数需要使用者非常熟悉该软件和设计该软件的语言。②缺乏相应的软件管理及维护功能，对大量数据也缺乏相应的管理功能。③没有提供在线帮助。为此，本课题采用Delphi集成开发平台设计配方优化程序，并编辑数据库管理和软件界面。针对于此，本文主要运用最优化技术和数据库技术开发陶瓷配方优化设计系统，以设计陶瓷配方为基础，得到最优陶瓷配方。陶瓷坯釉料配方优化系统正是针对当前我国陶瓷生产和研究中的手工计算复杂、繁琐、耗时等缺点而设计的，顺应当前科学形势的发展。陶瓷坯釉料配方优化系统要具有以下功能：减小工作量，使从选取原料到配方优化、分析调整等一系列过程都由计算机完成。1)提高计算结果的精确程度。2)缩短新产品的开发周期。3)可在某已知陶瓷坯式及釉式的化学组成的前提下，从所选配的原料中2 对该坯釉式进行配方，并进行性能分析，以对目标配方进行拟合，即可以对某种古陶瓷的坯釉式进行化学组成分析，然后再利用现代的原料进行古陶瓷的配方再现。4)可以对已有的陶瓷制品的坯釉式配方进行进一步的优化，得到性能更加稳定、品质更加优良的配方。数据库管理系统为高效的管理陶瓷相关信息提供了良好的媒介，并且为陶瓷配方设计提供了参考依据。本系统为陶瓷配方领域的科学家和专业技术人员提供了一个强有力的配方设计和分析研究的手段，大大提高陶瓷生产设计和研究的效率。除了研究陶瓷配方优化之外，陶瓷显微结构定量分析对于陶瓷材料研究也有着重要意义。外观艺术美是第一要素，结构决定陶瓷外观，外观与结构之间对应关系的研究尤为重要，而陶瓷的化学组成和工艺参数孕育着内部结构，最终表明组成一工艺一结构一外观之间的依存关系。如果把关系式中的“外观"改为“性能"，就成为材料研究中的对应关系式。由此可知，通过工艺因素分析，借助特定工艺参数，在结构与外观能够定量表征的前提下，建立组成、结构及外观的模糊数学定量关系式，将会为陶瓷还原仿制及生产品质更好的陶瓷制品提供了技术支持。近年来，定量显微学已广泛应用于材料、冶金、医药、生物、化工、摩擦学等需要利用图像手段进行统计学和形态学自动分析、测定的研究领域中。典型的应用为：医疗系统的细胞测量、矿物和岩石等矿物质测定、毛纺品纤维检测、碳纤维截面测定等。在材料学中，金属材料定量金相分析研究较多，而陶瓷定量分析研究极少且单一。陶瓷显微结构研究目前存在的主要问题是：①显微结构缺乏定量表征方法，某些决定陶瓷外观视觉效果的主要因素不明；②陶瓷艺术外观缺乏完整定量分析标准及表征方法，通常只有较为模糊的文学或仿物文字，使陶瓷内在结构与外观关系研究受到限制；③依靠传统人工目测法进行评定，其准确性、一致性和重现性都很差，并且速度慢，有时甚至无法进行。为此，将定量显微学应用于陶瓷研究中，借助现代电子显微技术和数字图像技术，结合体视学方法通过系列截面法，对显微结构中各相体积分数、空间尺度分布进行定量表征，分析其差异，掌握影响陶瓷特殊艺术外观的主要相结构，正是陶瓷研究领域迫切需要的。3 1．2论文研究背景与研究意义1．2．1陶瓷配方优化设计合理地设计陶瓷配方是陶瓷制品生产的一个重要环节，陶瓷配方是对已有陶瓷制品的坯、釉进行化学组成分析，从而得到不同品质和质地陶瓷制品中各种化学成分的组成以及百分含量比∞1。各陶瓷生产部门对其能得到的坯釉料化学成分分析后得到相应的组成和百分含量比。当要生产某种陶瓷制品时，生产部门就要根据实际原料情况，运用科学的优化算法计算得到与成品配方表化学组成及百分含量相符的各种原料的百分含量，然后根据各种原料的价格因素、重要程度、误差范围等多种因素对配方表中各原料百分含量进行调整，直至得到最终满意的配方方案。当前，陶瓷配方设计通常是采用传统的配方方法H1，传统的陶瓷配方方法仍然处于半经验阶段，这些方法需要大量的实验工作，耗费大量的人力、物力传统的配方设计和研究方法已经越来越不能适应研究与开发的要求。其有如下几点弊端：(1)陶瓷坯釉料的性能指标、工艺参数等受工艺过程的影响很大，很难建立原料成分与陶瓷质量之间的数学模型；(2)在陶瓷配方研制领域，多年来积累了大量有关陶瓷配方与性能的实验数据，由于这些数据的关系比较模糊，配方与性能之间也无明确的规律可寻，致使前人积累的经验难以借鉴，大量数据难以充分利用；(3)配方问题太复杂，在配方中各原料比例的组合优化设计，常通过试验进行探索与试凑。往往需要进行大量试验，过程长、成本高。实际配方过程中只能对有限的几种组合进行评价，很难保证所得参数组合为最优组合。影响原料的合理利用，不能保证其代表性，因此缺乏科学性；(4)配方优化结果的成功与否难以在选择原料时确定。由于很多原料的组成无论各种原料含量怎样变化都难于形成目标配方要求的化学成分比例和精度要求(即用户所选的原料根本无法得到目标配方方案，也就是说方程组无解)，因此很有可能使大量优化工作成为无用功。这种完全依赖于人工的开发体系越来越不适应陶瓷行业市场日新月异的变化，而且随着人们在陶瓷配方设计方面积累的经验与数据的增多，因而，要科学、高效地进行配方，尽量避免重复劳动，提高工作效率，增强陶瓷生产的稳定性，引进现代优化方法应用于陶瓷配方设计的趋势越来越明显，本文的选题正是在这样的背景下应运而生。优化设计的概念是在人类文明发展过程中形成的。在生产、生活和社会活4 动中都贯穿着优化的思想，如选择优良条件、筛选优良品种、选取最佳设计及施工方案、选举优秀代表、选购优质物品等无不是优化的思想。经过漫长的实践，人们积累了经验，逐步形成了优化的方法，从感性上升到理性。特别是电子计算机技术的发展，给优化技术带来了长足的进步。过去几十年间最优化理论及方法发展十分迅速，最优化方法在数学上是一种求极值的方法，它是应用数学的一个分支，现在己经渗透到科学、技术、工程、经济等各个领域，它不是工程方法，但最优化技术与应用数学、计算机科学以及各专业领域都有密切的关系陆3。最优化设计方法的源头可追溯到法国数学家拉格朗日关于一个函数在一组等式约束条件下的极值问题。伴随着工业、军事技术和管理决策科学的发展，这门学科也在不断丰富发展它的内涵，衍生出组合优化、线性规划、非线性规划、多目标规划、动态规划等分支哺1。拉格朗日乘子法则、库恩塔克条件、庞特里雅金极大值原理、贝尔曼最优化方程等，莫定了最优化理论研究发展的里程碑。这些经典的优化理论着重描述了最优解的特征。但是，直到有了高速计算机，人们才能够对各类较大规模的优化问题利用计算机进行求解，使最优化方法成为工程设计、管理决策、配方优化等领域的一种实用工具"刮。在陶瓷配方及工艺条件设计中，把最优化方法借助计算机这一现代化的工具应用到该领域中来，节省人力、物力。陶瓷配方优化设计任务无论是设计新材质的陶瓷配方，还是改进原配方，都有一个确定的目标，即配方最终达到的化学组成。新配方的化学组成要接近这个目标的化学组成，需要多种原料的合理配合。当然，其中还需要考虑到部分原料的性能对目标配方性能的影响等。这些众多的影响因素在通常的陶瓷配方设计中往往难以顾全。在众多因素全面考虑中，设计出最佳的配方方案，这就是一个优化问题。最优化方法解决实际问题一般分为五步进行随1：(1)提出需要进行最优化的问题，开始收集有关资料和数据；(2)建立最优化问题的数学模型，确定变量，列出目标函数和有关约束式；(3)分析模型，选择合适的求解方法；(4)编写程序，用计算机求最优解，对算法的收敛性、通用性与简便性、效率及误差等做出评价：(5)最优解的验证和实施。通过上述五个相互独立和互相渗透的步骤，最终求得系统的最优解。一般来说陶瓷配方设计更多地依赖于经验规则阳1，对设计者的要求比较高。传统的陶瓷配方设计开发过程可分为实验设计、数学建模、配方优化和系 统调试四步。其中实验设计是配方设计的基础。其目的就是为了获得真实可靠的实验数据，为第二步的数学建模过程提供实验依据。数学建模是关键。数学建模的目的就是帮助人们透过实验数据清楚地看到各实验因素和实验结果之间的相互影响关系，从而可以指导配方优化过程。尽管为了能够通过尽可能少的实验详实地反映各影响因素对材料总体性能的影响，人们也进行了实验方法的研究，提出了正交设计、组合设计以及均匀设计等一些试验方法，并且对于数学建模过程也进行了一些的探索。但是，本质上来说研究陶瓷配方的方法仍然是依赖大量实验，进行大面积的筛选从而最终确定配方的过程。而对于现代陶瓷材料性能的要求更高，使得陶瓷材料的配方设计更为复杂，再加上生产工艺多样化等影响因素众多，带有较大的不确定性，这就对开发者提出了更高的要求。这显然对于陶瓷材料的研究开发是不利的。而对于设计能力低下的中小企业来说更显得心有余而力不足。陶瓷坯釉料配方优化系统软件的开发目的在于将长期以来由人工完成的复杂、繁琐、重复的陶瓷配方优化工作转化为计算机自动完成，将大量的人力资源从中解放出来，节省人力资源。陶瓷坯釉料配方优化系统将缩短陶瓷坯釉料配方计算的时间，提高陶瓷配方研究的效率，对于陶瓷的研究和生产有着重要的意义。鉴于陶瓷配方设计过程中的复杂性和昂贵性，综合模拟和计算机模拟都具有十分重要的意义。尤其是陶瓷的配方设计，主要依靠经验和知识，保存和完善这些经验和知识是很重要的。发展陶瓷配方设计的计算机辅助系统软件为配方设计提供了更先进、更智能的手段，它能够部分代替和减少试验，保存经验知识，大幅度减少了科研开发经费。对陶瓷材料研究的现代化，都具有十分重要的意义⋯3。1．2．2陶瓷显微结构定量分析陶瓷是中华民族文化极其重要的组成部分，深刻影响着整个世界文化史的发展进程。现代科学技术的发展促使陶瓷材料的研究方法不断创新、提高。陶瓷科学与研究已经成为对我们生活产生重大影响的一门学科。随着先进陶瓷材料的研究和开发，在与人类生活息息相关的各个领域，如电子、通讯、环境保护、医疗等，都能找到陶瓷的身影。现代人的生活离不开陶瓷，高技术产业、国防军工的发展，在很大程度上都要依赖陶瓷材料的突破和发展才得以实现。陶瓷研究对人类发展、社会进步和人民生活水平的提高有者重要作用。长期实践和研究表明，陶瓷材料的性能是由其内部的微观组织结构所决定⋯3。外观艺术美是第一要素，最终决定陶瓷外观的是其内部结构¨21。陶瓷化学6 组成和工艺参数孕育着其内部结构，表明了组成一工艺一结构一外观之间的依存关系。如果把关系式中的“外观"改为“性能”，就成为陶瓷材料研究中的对应关系式。常用的陶瓷材料研究方法是由化学成分和制备工艺来实现对组织结构的控制，在此基础上最终确定陶瓷材料的使用性能，改善材料性能。除此之外，显微组织测量与分析是判断陶瓷材料状态和内部结构的主要途径n钉。然而，从我国陶瓷行业整体现状看，陶瓷研究大多采用传统方法，存在着效率低、分析难度大等缺点。陶瓷行业的生产装备落后等原因，严重制约了陶瓷工业的进一步发展，导致陶瓷生产存在能耗大、产品档次低、质量差、工艺技术装备落后、产品结构不合理等问题⋯3。因此，充分依靠科技进步、借助新技术，对陶瓷材料研究具有非常重要的现实意义和战略意义。目前陶瓷显微组织研究存在以下问题：(1)传统的人工目测法评定陶瓷显微组织，准确性、一致性和重现性差，速度慢，分析难度大，有时甚至无法进行；(2)陶瓷艺术外观通常只有较为模糊的文学或仿物文字，使科学研究结构与外观关联受到限制；(3)显微组织缺乏定量表征方法，不能定量分析陶瓷微相，使得某些决定陶瓷外观视觉效果的主要因素不明。通常，研究材料的显微组织只能在试样的某一截面上进行，但此时所观察到的显微结构并非陶瓷的三维真实形貌n引。体视学是近年来迅速发展起来的一门新兴边缘学科，是建立从二维截面所获得的组织测量值与描述组织三维参数之间关系的数学方法，被广泛应用于材料、冶金、矿物、生物等学科领n鲥。体视学是基于统计意义上的测量结果，需要对测量目标进行多次、重复测量，如果使用人工法来完成该操作，研究人员的劳动强度大，不易实现¨”。为解决以上问题，本课题主要研究将数字图像处理技术和体视学方法相结合，设计陶瓷显微图像数字分析与处理软件，计算普适参数，定量表征陶瓷显微组织中各相的体积分数、空间尺度分布，实现显微组织的定量分析。陶瓷显微组织定量分析的研究，有利于提高显微组织分析的准确性与效率，避免记录显微组织一系列繁杂的工作，对掌握影响陶瓷特殊艺术外观的主要相结构，对陶瓷材料的研究与应用具有重要的现实意义与广阔的应用前景。1．3国内外研究现状作为传统的陶瓷大国，我国的陶瓷工业虽然发展迅速，但目前在若干方面仍然与世界先进水平有不少差距，我国陶瓷出口贸易额占世界总贸易额的比例7 还很低。因此，有待进一步发展陶瓷工艺技术的研究，利用现代化的科学理论和科学技术研究我国的陶瓷生产H，。近年来，随着最优化理论的发展，陶瓷材料配方的优化设计也相应的成为国内外陶瓷材料研究的一个方向。针对陶瓷特性与组分关系的特点，相继应用了不同的优化设计方法，比如线性规划、目标规划、单纯形法、网格法、遗传算法、模糊最优化方法等优化计算方法n8q0l。其中遗传算法以其基本思想简单、便于实现和并行搜索的优点赢得了众多学者和工程人员的青睐，是目前应用最广的优化搜索算法之一。但遗传算法存在收敛速度慢和易于陷入局部最优的问题，在需要优化的参数较多时，更凸现了遗传算法的不足。如何提高遗传算法跳出局部最优的能力和如何提高遗传算法的收敛速度成为近年来遗传算法的研究热点。许多学者从不同的角度对遗传算法进行了改进，使遗传算法的寻优能力有了不同程度的提高∞¨。1991年D．Whitey在他的论文中提出了基于领域交叉的交叉算子(Adjacencybasedcrossover)，这个算子是特别针对用序号表示基因的个体的交叉，并将其应用到了TSP问题中，通过实验对其进行了验证。D．H．Ackley等提出了随即迭代遗传爬山法(StochasticIteratedGeneticHill．climbing，SIGH)采用了一种复杂的概率选举机制，此机制中由m个“投票者"来共同决定新个体的值(m表示群体的大小)。实验结果表明，SIGH与单点交叉、均匀交叉的神经遗传算法相比，所测试的六个函数中有四个表现出更好的性能，而且总体来讲，SIGH比现存的许多算法在求解速度方面更有竞争力。H．Bersini和G．Seront将遗传算法与单一方法(simplexmethod)结合起来，形成了一种叫单一操作的多亲交叉算子(simplexcrossover)，该算子在根据两个母体以及一个额外的个体产生新个体，事实上他的交叉结果与对三个个体用选举交叉产生的结果一致。同时，文献还将三者交叉算子与点交叉、均匀交叉做了比较，结果表明，三者交叉算子比其余两个有更好的性能。国内也有不少的专家和学者对遗传算法的交叉算子进行改进。2002年，戴晓明等应用多种群遗传并行进化的思想，对不同种群基于不同的遗传策略，如变异概率，不同的变异算子等来搜索变量空间，并利用种群间迁移算子来进行遗传信息交流，以解决经典遗传算法的收敛到局部最优值问题乜纠。2004年，赵宏立等针对简单遗传算法在较大规模组合优化问题上搜索效率不高的现象，提出了一种用基因块编码的并行遗传算法(Building．blockCodedParallelGA，BCPGA)。该方法以粗粒度并行遗传算法为基本框架，在染色体8 群体中识别出可能的基因块，然后用基因块作为新的基因单位对染色体重新编码，产生长度较短的染色体，在用重新编码的染色体群体作为下一轮以相同方式演化的初始群体。2005年，江雷等针对并行遗传算法求解TSP问题，探讨了使用弹性策略来维持群体的多样性，使得算法跨过局部收敛的障碍，向全局最优解方向进化。计算机具有快速、准确、运算能力强、数据和信息管理方便，以及逻辑推理方式独到等特点，随着计算机技术的发展，对陶瓷性能进行有效预估，对陶瓷配方进行计算机辅助设计已成为可能。早在九十年代初期，国外陶瓷企业就已开发成功并采用计算机坯釉料数据库管理系统来处理陶瓷科研和生产方面大量的数据，如比较著名的坯釉料计算管理软件Insight，GlazeChem等凹。1引。国内外学者开发研制的这些最优化计算软件，大多数采用FORTRAN、BASIC、ALOGOL60等语言在DOS环境下编写而成，当满足一定条件时，可得到较好的配料结果。但这些软件普遍存在一些问题：(1)DOS环境下软件界面不友好，不能实施人机对话，大量输入参数需要使用者非常熟悉该软件和设计该软件的，．语言；(2)缺乏相应的软件管理及维护功能，对大量数据也缺乏相应的管理功能；(3)保存配方编辑配方功能欠缺。传统显微镜在分析显微结构过程中易受人为因素的影响，而且不适合快速舯处理大批量样品，并且维护成本高、操作复杂，需要配备专门的操作人员，给日常的检测工作带来不便∞引。借助数字图像技术对显微组织进行定量表征是一种新颖的、专门用于组织颗粒甚至分子级量化分析研究的技术比引。迄今为止，在国内，显微图像处理技术已用于各行各业的研究，如材料、冶金、医药、生物、化工、摩擦学等需要利用图像手段进行统计、进行形态学自动分析和测定的领域中心引。典型的应用为：医疗系统中的细胞测量心引、矿物和岩石等矿物质测定心71、产品质量检测妇引、碳纤维截面测定心们等。在医学上，细胞形态的自动图像识别、细胞形态的检测是医学检测中的重要部分。很多疾病的诊治主要依靠医学专家观察标本中细胞在显微镜下的形态，对细胞进行识别和分类。而借助数字图像技术、计算机模式识别和人工智能等技术，可以实现对细胞图像的自动识别，快速准确地识别各类细胞并做出相应的诊断，大大的提高检查效率，减少人为误差。如血液细胞图像识别系统能准确、快速识别血液中的各类白细胞，极大地提高血液形态检查的效率。在矿物研究领域，对于部分矿物纹理图像，可以通过将矿物网孔状纹理图像分成小区域，根据小区域内的灰度分布与训练样本的经验灰度直方图进行相似性比较，将小区域图像归为具有纹理特征的一类，实现对矿物成分纹理的识9 ll’7别与分类。在质量检测领域，利用数字图像技术，可以实现对组织识别与检测，并由此判断产品质量优劣。例如，以粉丝组织的显微图像为基础，运用灰度共生矩阵和分形理论提取显微图像的特征，将提取出来的特征做为神经网络淀粉品质分类的输入，建立粉丝淀粉品质的自动检测系统。在材料学中，金属材料定量金相分析方面的研究较多∞01，极少应用于陶瓷材料研究。虽然，我国对于陶瓷的微观结构有一定的研究，例如对河南钧瓷釉、福建天目瓷釉中的分相现象进行了物理化学的基础研究，但苦于缺乏定量分析釉中微相的方法，传统人工方法效率低，使陶瓷内在结构与外观视觉关系研究受到制约。目前常用的图像处理软件主要有以下几种：(1)Photoshop通用图像处理软件，是一种商业付费软件，图像处理功能强大，具备二次开发功能，但是不适合目标的测量与计算。(2)Osiris360医用图像处理软件，适用于生物、医学领域的图像分析和测量，软件本身不具备二次开发功能，但是软件源代码可以付费获取，用户可以通过修改源代码间接进行二次开发。(3)NIH图像处理软件，由美国国立医学研究院开发，适用于生物、医学领域的图像分析和测量。软件用Pascal语言编译，在Macintosh微机上运行，源代码公开。(4)Scionlmage图像处理软件，是NIH图像处理软件的Win32版本，免费但源代码不公开，其算法、操作功能与NIH图像处理软件相似，使用说明书详尽，具有宏处理语言二次开发功能。(5)ImageJ图像处理软件是NIH图像处理软件的Java版本，源代码公开，具备宏处理语言的软件二次开发功能，但与传统Windows应用程序相比，人机界面的操作习惯不太一致。由此可见，目前的图像处理软件大多适用于医学、生物等领域，且缺少图像分析与测量功能，并且用户对图像分析与处理的需求基于各种行业知识，因此，显微图像分析软件必须根据用户独特的需求分析进行开发。另外，由于陶瓷显微组织图像为不连续图像，一般数学建模法不适合用于图像定量表征∞¨，因此，本课题结合数字图像技术与体视学原理，研究适用于陶瓷材料的显微图像处理与定量分析的方法。lO 1．4本文主要研究工作概述本文研究的主要任务是围绕陶瓷坯釉料配方优化进行设计、算法优化设计以及陶瓷显微图像的数字分析与处理的实现，针对目前研究状况从理论方法和实现技术两个方面进行了深入研究。首先从优化设计理论进行了介绍和总结分析，围绕陶瓷配方优化设计问题，研究单目标及多目标优化方法，分析陶瓷配方设计方法，确定适合的优化计算方法，为程序设计提供依据。并且建立了数学模型确定了优化目标及约束条件，计算并得出了某陶瓷配方的优化结果，讨论和分析了不同优化算法下的计算结果，并针对标准遗传算法中出现的收敛、早熟、运行参数不确定等进行了优化改进。具体讲，就是一方面找出最佳优化算法并应用其建立数学模型，即将实际问题转化为由决策变量、目标函数和约束条件表示的数学语言，然后通过编写程序，利用计算机运算求出最优解。配方的数学模型必须满足陶瓷坯釉料的各项性能指标，均衡原料比例，并且使成本最低，从而实现陶瓷制品生产利润的最大化；另一方面以古陶瓷显微结构图像为例，使用特殊的仪器将陶瓷磨片显：微放大，拍下显微图片，根据各种成分在显微图片中的不同特征，建立专用于古陶瓷显微结构定量分析软件，利用数字图像处理技术和体视学方法分析釉中各相参数，对其进行定量表征，将表征数据存入数据库中，为今后研究人员分析数据提供依据，推导出陶瓷成分和外观质地之间关系，为陶瓷还原仿制以及生产质地更好的陶瓷制品提供技术支持。在系统的设计过程中，首先分析了系统需求，并对模块功能和系统流程进行了总体介绍。根据课题研究的需要，进行了数据库需求分析，确定了数据库结构并选取恰当的数据库管理系统、编程语言及数据访问方式。建立界面友好、操作简单、方便查询的陶瓷数据库管理系统。在系统的实现过程中，考虑到需要调用的数据库来源的多样性，本系统采用Delphi7．0进行实现，并力求做到界面友好、功能完善、规划简单、维护方便等特点，并配以系统维护和帮助等辅助模块，为用户的快速正确掌握软件的使用方法提供帮助。在陶瓷显微图像处理和定量分析研究中，显微图像处理主要实现图像格式转换、图像增强、图像滤波、图像分割、边缘检测等功能，获取有利于图像分析的处理图；通过计算陶瓷普适参数来实现定量分析，定量表征陶瓷显微结构。以古陶瓷显微结构图像为例，使用显微电镜将陶瓷磨片显微放大，拍下显微图像，设计并开发陶瓷显微图像的数字分析与处理软件，实现陶瓷显微组织的定量表征。陶瓷显微结构存在多种组元m1，利用数字图像处理技术，对陶瓷显微图像 进行图像预处理，根据显微图像的不同灰度特性，使用图像分割方法，分离出显微结构中的各种晶相及其轮廓图。结合体视学方法，可以进一步实现图像的测量与分析，获取普适参数，为今后研究人员分析数据、推导陶瓷成分与外观质地之间的关系提供依据，为陶瓷材料研究、生产质地更好的陶瓷制品提供技术支持。显微结构定量分析实现的目标为：(1)利用数字图像技术对陶瓷断面显微结构图像进行处理与分析，分离出图像中的气泡、釉体和晶体，提取出气泡、釉体和晶体的轮廊图，获得各组元的基本数据；(2)运用体视学原理及基本公式计算出部分普适参量，实现古陶瓷显微结构的定量分析；(3)建立界面友好，有安全用户登录体制的数据库管理系统，为古陶瓷研究提供必要的数据依据。1．5课题研究的主要内容、技术方案及创新点论文研究的主要内容：本课题的研究主要有两个方面：陶瓷配方优化和陶瓷显微结构的定量分析，下面就其两方面做详细的阐述。(1)围绕陶瓷配方优化及优化算法设计的研究问题，针对目前研究状况从理论方法和实现技术两个方面进行了深入研究。首先从优化设计理论进行了介绍和总结分析，围绕陶瓷配方优化设计问题，研究单目标及多目标优化方法，分析陶瓷配方设计方法，确定适合的优化计算方法，为程序设计提供依据。并且建立了数学模型确定了优化目标及约束条件，计算并得出了某陶瓷配方的优化结果，讨论和分析了不同优化算法下的计算结果，并针对标准遗传算法中出现的收敛、早熟、运行参数不确定等进行了优化改进。在系统的设计过程中，首先分析了系统需求，并对模块功能和系统流程进行了总体介绍。根据课题研究的需要，进行了数据库需求分析，确定了数据库结构并选取恰当的数据库管理系统、编程语言及数据访问方式。建立界面友好、操作简单、方便查询的陶瓷数据库管理系统。在系统的实现过程中，考虑到需要调用的数据库来源的多样性，本系统采用Delphi7．0进行实现，并力求做到界面友好、功能完善、规划简单、维护方便等特点，并配以系统维护和帮助等辅助模块，为用户的快速正确掌握软件的使用方法提供帮助。(2)对古陶瓷的显微结构图像处理和定量分析也进行了深入的研究，显微12 图像处理主要实现图像格式转换、图像增强、图像滤波、图像分割、边缘检测等功能，获取有利于图像分析的处理图；定量分析是通过计算陶瓷普适参数来实现，定量表征陶瓷显微结构。以古陶瓷显微结构图像为例，使用显微电镜将陶瓷磨片显微放大，拍下显微图像，设计陶瓷显微图像的数字分析与处理软件，实现陶瓷显微组织的定量表征。陶瓷显微结构存在多种组元¨”，利用数字图像处理技术，对陶瓷显微图像进行图像预处理，根据显微图像的不同灰度特性，使用图像分割方法，分离出显微结构中的各种晶相及其轮廓图。结合体视学方法，可以进一步实现图像的测量与分析，获取普适参数，为今后研究人员分析数据、推导陶瓷成分与外观质地之间的关系提供依据，为陶瓷材料研究、生产质地更好的陶瓷制品提供了技术支持。本系统利用数字图像技术对陶瓷断面显微结构图像进行处理与分析，分离出图像中的多组元，如气孔、釉体和晶体，并提取组元轮廓图；运用体视学原理计算普适参量，实现陶瓷显微结构定量分析；建立功能完善的数据库管理系统，为陶瓷材料的研究提供科学依据。论文的技术方案：(1)对于陶瓷坯釉料配方优化的设计主要采用：1)最优化技术最优化是人们在工程技术、科学研究和经济管理的诸多领域中经常遇到的问题，最优化技术就是研究和解决最优化问题的一门科学。它研究和解决的问题有两大类-①如何将最优化问题表示成数学模型：②如何根据数学模型，尽快求出其最优解。随着科学技术尤其是计算机技术的不断发展，以及数学理论与方法向各学科和各个应用领域广泛深入的渗透，最优化理论与技术必将在社会各方面起着越来越大的作用。最优化技术主要包括：传统优化技术(一维搜索技术、无约束优化方法和约束优化方法)和现代优化技术(模拟退火算法、遗传算法和Hopfield网络)。2)加权系数法陶瓷坯釉料配方所使用的原料种类较多，各种原料的矿物组成及化学组成也比较复杂。在配方计算中，要使坯釉的化学组成或某些性能满足预定要求，又要使某些原料的用量在一定的范围以内，因此，这类计算基本上属于多变量的非线性规划问题，也就是多目标函数问题，为了使多目标函数能均匀一致地趋向各自的最优值，采用加权系数法，引入加权因子，以考虑各个目标函数在相对重要程度方面的差异，这个方法的关键是加权因子的选择，通过选取最优 加权因子使得配方结果渐近误差常数。3)四角配料法四角配料法是一种系统的试验方法。该方法简便易行，工作效率较高，试验结果包含信息量大、结果直观、便于分析、对比和总结，四角配方法可以获得其他方法无法得到的大量规律性的信息。为了使某些目标达到最好的结果，就要找出使此目标达到最优的有关因素(或变量)的某些值(通常称为最优点、最优解或近似最优解)。这类问题在数学上称为最优化问题。在工程设计、科学研究、经济管理等领域中，可以提出下面一类非常广泛的问题，在约束hl(X)=0i=1，2，3，······m(1-1)91(X)≥Oj=1，2，3，⋯⋯P(1-2)条件下，求目标函数的极小值。式(1)称为等式约束，式(2)称为不等约束，这类问题称为非线性规划问题。一般的非线性规划问题也可以有效地转化成无约束规则问题。陶瓷坯釉配方所使用的原料种类较多，各种原料的矿物组成及化学组成也比较复杂。在配方计算中，要使坯和釉的化学组成或某些性能满足预定要求，又要使某些原料的用量在一定的范围以内，因此，这类计算基本上属多变量的非线性规划问题。在坯釉料配方计算中，如果只满足某些性能要求，不限制各种原料的用量，则属于无约束规则问题。求解无约束优化和约束优化的计算方法很多，如复合形法、网格法(以上属约束优化)、单纯形法(无约束优化)和遗传算法。其优化原理简述如下：1)复合形法本方法用于求解具有不等式约束的多变量(一般在20以内)的优化设计问题。它是非线性约束的几维设计空间内，取2n个顶点构成复形，然后对复合形的各项点函数值逐一进行比较，不断地丢掉最坏点，代之以既能使目标函数有所改善，又能满足约束条件的新点，逐步调向最优点。2)网格法网格法又称为连续变量法、等距离法，用于求解约束非线性规则问题，即求多元函数的约束极小值。网格法是一种直接法，对函数无特殊要求。网格法就是在估计的区域内打网格，在网格点上求目标函数与约束函数之值。对满足约束函数的点，再比较其目标函数值的大小，从中选择小者，并把该网格点作为一次迭代的结果，然后在求出的点的附近将分点加密，再打网格，并重复前14 述计算与比较，直到网格的最大间距或目标函数小于预定值时，则终止计算。3)单纯形法本方法用于求几元函数的无约束极小值。它是对几维空间的n+1个点(它们构成一个初始单纯形)上的函数值进行比较，去掉其中函数值最大的点，代之以新的点，从而构成一个新的单纯形，这样，通过迭代逐步逼近极小点。4)遗传算法遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它是从代表问题可能潜在的解集的一个种群开始的，而一个种群则由经过基因编码的一定数目的个体组成。每个个体实际上是染色体带有特征的实体。染色体作为遗传物质的主要载体，即多个基因的集合，其内部表现(即基因型)是某种基因组合，它决定了个体的形状的外部表现，如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。因此，在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。由于仿照基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化，如二进制编码，初代种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代演化产生出越来越好的近似解，在每一代，根据问题域中个体的适应度大小挑选个体，并借助于自然遗传学的遗传算子)进行组合交叉和变异，产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境，末代种群中的最优个体经过解码，可以作为问题近似最优解。技术路线及实验方案：陶瓷配方设计原则、步骤分析匕=今陶瓷配方试验设计方法及优化方法综合分析c=今陶瓷配方优化软件编写匕=今利用软件综合调试分析c=今结果配方实验分析。软件主要模块说明：确定国内外成熟的配料范围，建立坯釉料及原料数据库，选取最佳优化方法建立数学模型，计算优化配方、误差分析及加权调整，计算物理性能指标，二次优化配方等。1)用户界面设计界面属于系统与用户交互部分，即用户接口，应具有使用方便、简洁清晰、交互功能强大、信息提示完备等特点。2)数据库管理设计应包括坯、釉料以及原料数据库，可存储相关的资料信息，以备配方设计优化使用。另外可按不同的使用要求对数据库中的数据进行输入、查询、修改、 排序及打印等操作，并提供了数据安全保护功能。3)配方优化设计优化配方：采用最佳优化算法，根据用户选择的目标值和原料情况进行优化配方，从而得到一种带有一定误差的比较接近目标值的配方表。加权调整：以配方结果误差情况为标准，采用调整“加权值"(包括表示化学成分含量重要性的加权因子和原料价格因素的加权因子)的方法对优化配方进一步优化调整。．误差分析：提供绝对误差和相对误差两种误差分析功能。4)性能计算可根据文献提供的坯釉计算公式，计算出坯釉的物理性能，为研究者预测产品的性能创造了条件。包括坯釉式计算、烧成温度、熔融温度、酸度计算等性能分析计算。5)综合调试由于优化过的配方仍然具有一定的误差，所以增加两组分以及三组分综合调试模块，可在配方目标组成的附近，通过变换Si02与A1203(两组分)或三种碱性氧化物组成(三组分)，经过四角配料法分析得到一系列配方，分析此系列配方烧后的物理性能，可快速得到所需的最佳配方方案。(2)对于陶瓷显微结构定量分析主要由图像获取、图像预处理、参数测量和数据管理模块组成。系统结构流程图如图1．1所示：图1-1系统结构流程图Fig．1—1Theflowingdiagramofsystemstructure软件主要模块说明：1)图像获取为了便于计算机准确、迅速地分析显微结构，获取清晰图像，实现系统的适用性，图像获取有两种方式，一种方法是扫描仪扫描已有的陶瓷显微组织图片，另一种方法是采用摄像仪直接连接到显微镜上对陶瓷试样进行分析。在光源照16 射下，陶瓷显微结构各组元反光率不同，图像产生不同灰度级别，因此，可以利用计算机对灰度数据进行处理，实现陶瓷显微组织参数分析与测量。2)图像预处理由于图像采集硬件系统的干扰会使输入计算机的陶瓷显微图像产生噪声和变形等现象，所以图像预处理是用于去除陶瓷显微图像噪声和改善图像显示效果，最终得到待测图像，便于计算机进行陶瓷组元参数测量。预处理包括图像格式转换、灰度化、中值滤波、亮度对比度调节等。3)参数测量该模块对陶瓷显微图像进行识别与分析，根据陶瓷组元在图像中显示的灰度级别，借助数字图像技术中的图像分割来判定组元类别，利用边缘跟踪和边缘检测来提取各组元轮廓，并且，根据体视学原理对目标进行各种测量，如气泡、釉体和晶体的体积密度、表面积密度、比例分数、点密度等，最终实现陶瓷显微图像各组元定量分析。4)数据库管理．系统用户分为管理员与普通用户，管理员可以增加或删除用户，可以对测量的陶瓷组元数据进行各种操作。普通用户只能浏览数据，但不能添加、删除和更改数据。为了实现陶瓷显微组织定量表征，在进行定量分析测量前，可以利用数字图像处理技术中的中值滤波、区域分割、轮廓提取技术对图像进行处理，滤除陶瓷显微图像噪声污染，获取陶瓷显微结构组元分割图，进而得到陶瓷各组元轮廓图。1)中值滤波中值滤波是一种非线性去除噪声方法，在某些情况下可以做到既能去除噪声又能保护图像边缘。中值滤波是把数字图像中一点的值用该点邻域内各个点值的中值来代替。对一组数xl，x2，X3，X4，⋯，X一假如排序为X1≤X2≤X3≤■，⋯，≤X。，卜，1+。、门为奇数y2^匏d扛l，x2，x3，x4，⋯，x"’21三[i。乌+x，正，】刀为偶数‘1-3’则y称为XI,X2，X3，x4，⋯，％的中值。二维中值滤波一般采用3×3或者5X5邻域窗口进行滤波，中值滤波的输出为：17 Yl=med{x口}=med{x(1+r胁妒(，．，s)∈彳，(f，，)∈12}(1-4)2)图像分割陶瓷通常属于多相组织，即由多种组元构成，在陶瓷显微组织研究中，人们往往仅对陶瓷的某些组织感兴趣，所以要利用图像分割技术将特定组元从显微图像中分离出来。图像分割技术主要可分为两大类：一类是边界方法，假设图像分割结果的某个子区域在原来图像中一定有边缘存在；一类是区域方法，假设图像分割结果的某个子区域一定会有相同性质，而不同区域的像素则没有共同性质。基于同种组元在陶瓷显微图像中具有特定像素，所以本文选取区域方法中的阈值分割法对陶瓷显微图像进行分割。一幅原始图像f(x，Y)取阈值T分割后图像可定义为：g(x，y)：I1(5x，少：：三(1-5)1g【x，y)20厂(x，y)≤丁阈值分割又分为全局阈值和局部阈值，如果图像的目标与背景都具有均匀灰度分布，图像的灰度直方图呈现出双峰特征时，就可以运用全局阈值法，选取直方图上两峰值之间的极小值作为阈值，峰值可以用尖峰变换算法求出。然而，由于图像摄取时照明不均匀，背景灰度变化大、噪声等因素影响，图像灰度分布不均匀，7全局阈值不再适用，这时，可采用自适应阈值方法，对图像按坐标分块，每～块分别取一个阈值进行分割。子块可以采用直方图分析，若直方图呈双峰特征，则将目标和背景分割，若直方图没有双峰，可根据邻域分块得到的参数插值进行分割。3)轮廓提取为了便于陶瓷显微组织分析与测量，通常要对组织分割图进一步进行轮廓提取，最终获得组元边缘来测定组元体视学参数。图像边缘获取是基于数学形态学的基本算法一一腐蚀运算和求两个集合的差集。两个集合彳和B的差，记为么一B，定义为：A—B={XX∈A，X仨B)(1．6)集合彳用B来腐蚀，记作AOB，定义为：AOB={XIB+X∈A)(1．7)其中X为平移量。设F(j，砂为二值化图像，它的边界记为∥f，刀，B为结构元素。图像边界提取方法为：先用结构元素B腐蚀F，再求取腐蚀结果与F的差集，就可得到∥例，用公式表示为：18 卢(F)---．F一(FOB)(f．8)应用式(7)，选用结构元素B，对获得的二值显微图像进行处理，求得晶体边界。4)体视学参数的获取体视学是建立从组织的截面所获得的S维测量值与描述组织的n维参数之间关系的数学方法科学。(s
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