图像记录和处理及分析

1.5.1 显微照相

金相显微镜对图像的记录最常用的方法就是显微摄影。显微摄影的目的是将所观察到的金相组织通过照相，在底片上记录下来。摄影时，目镜与物镜像平面的相对位置与观察是不同的。摄影原理如图1-38所示。图中E为显微镜的目镜；O为显微镜的物镜；F′0为物镜的后焦点；AB为样品中显微组织；A″B″为荧屏（底片平面）上AB的像；L为显微镜的目镜后焦点与荧屏的距离；F′e为目镜的后焦点。显微组织AB经物镜O后在I1处形成一个放大而倒立的实像A′B′。I1位于目镜的前焦点（Fe）以外（注意，观察时I1位于目镜的前焦点之内），所以AB经目镜后在荧屏I2处形成一个进一步放大的实像A″B″（在观察时得到放大的虚像）。待A″B″聚焦清晰后，换上底片即可进行拍摄（此时采用照相目镜）。

图1-38 摄影原理

记录图像传统采用感光胶片。显微镜的内置照相装置或外置照相附件既可使用35mm胶卷，也可使用大尺寸胶片或一次成像感光器材。由于感光胶卷（片）需要经历显影、定影和暗室操作印相等繁琐的过程，费力费时而且图像难以处理。近年来，数码相机已取代了传统感光胶片，不仅省时省力，而且可以进行图像处理。

1.5.2 视频显微术

视频系统广泛应用于光学显微镜。视频摄像系统产生高质量图像，并能储存和再现。具有视频系统的光学显微术，又称为视频显微术（video microscopy）。视频显微镜结构示意如图1-39所示。

图1-39 视频显微镜结构

视频显微术特别适用于实验演示。视频显微术具有某些独特的优点：

（1）每秒产生30帧具有高瞬时分辨率的图像。

（2）一次连续记录可达数小时。

（3）对样品进行快速荧屏扫描，方便找出适合于细节研究的区域。

（4）时间间隔视频记录系统可连续监视图像形状和光强度的变化。

视频显微术缺点是不能产生光学照片。

1.5.3 数字CCD显微术

电荷耦合装置（chargecoupled device，CCD）是一个光子探测器，这种数字照相机是可以储存构成显微镜图像的入射光子的。CCD具有成像分光光度计的作用，可产生优于视频照相机和胶片照相机数十至数百倍光强的空间分辨率。CCD照相机最诱人之处是能够立刻获得光学图像照片，而不需要暗房的显影、定影和印相。CCD照相机获得的照片可方便处理（如衬度调节，视域的裁剪等），并可直接用在文档和会议报告的电子文件中。CCD照相机工作速度较视频照相机慢，它每秒约产生1～10帧图像。最近的发展可接近每秒产生25或30帧图像。数字CCD照相机是相对昂贵的，但由于它具有上述的优点刺激了它的应用，逐渐被用户接受。CCD和显微镜结合形成数字CCD显微术（digital CCD microscopy）。数字CCD显微镜如图1-40所示。

图1-40 数字CCD显微镜结构

1.5.4 图像处理与定量分析

计算机和视频技术的发展推动了电子图像处理和分析功能的发展。这些图像可以被一些应用软件快速生成报告并加以分发。同时，带有图像的数据可以储存在数据库里，可随时调出供研究使用。

全自动图像分析系统可以根据灰度等级或不同颜色来分析图形。自动图像分析主要基于表1-4所介绍的一些基本步骤，具体使用可根据研究目的而定。

表1-4 基本的图像处理步骤

获取：图像捕获指的是通过照相系统获得所需图像。图像可以实时调整亮度、反差和色彩饱和度。模拟输出的照相信号通过模拟数字转换器转换成数字信号。最终的图像可以按位图或矢量模式保存。科学研究的图像主要以位图格式储存，其基本上是网格，由横向和纵向像素点构成。图像可以是单色（黑白）的，也可以是彩色的，其可用256级的不同灰度等级来表示。

净化：图像的净化就是图像的强化，主要通过灰度滤色片来实现。滤色片具有几种功能：边缘检测、图像强化、灰度修正。图像的净化主要是修正图像的像素值，通过两种方法来完成，即调整反差和亮度的偏差或者与相邻像素进行比较。

叠加：是用不同色彩覆盖的数位平面来表示像素灰度或色彩值的一种方法。数位平面是一个二进制的平面，它被叠加在图像平面上来检测所需研究的物相。大多数的测量是在这个层内完成的，而不是在真实图像上进行测量的。

二进制运算：叠加程序完成后，图像内不同的相和组织特征就被不同的彩色数位平面覆盖。不同的相和组织特征处于各自的灰度等级范围内，所以可以用同一彩色数位平面来检测。二进制最强大的莫过于具有对轮廓和尺寸（如空洞的轮廓和尺寸、涂层的厚度等）进行分类的能力。

测量：基于图像的分析应用程序可进行以下常用的定量测定：①晶粒度；②孔隙率；③镀层或涂层的厚度；④外形特点和尺寸；⑤物相的百分率。

数据分析：对晶粒度、孔隙率和物相的百分率测量等的结果给出的统计分析结果。

存档：储存图像，对数据库中的测量结果加以注释。注意，储存的图像必须是原始捕获的图像，确保图像没有使用任何滤色片。

分发：打印或电子分发图像和结果。当分发传递图像时，切记要添加一个图像的比例标尺。

总之，随着计算机技术的进步和软件的完善，图像处理将会越来越方便、迅速、精确。利用图像处理软件，还可将多个相邻视场的数字化图像拼接成一幅天衣无缝的宽视场清晰图像，这样的操作仅在一分钟内即可完成。