В.В. Томаев
Фрагмент готовящегося на кафедре ТОМ учебного пособия «Обработка результатов экспериментальных измерений с помощью программы ImageJ»
Тема занятия – Измерение шероховатости поверхности.
(В режиме удалённого доступа)
В дополнение к лекции прилагается пособие для изучения, выполнения индивидуальных заданий и ответов на контрольные вопросы.
В индивидуальном задании исходные данные представляют собой массив данных – зависимость измеренной профилограммы - условной высоты профиля поверхности (y) от координаты (x) в пределах 3 мкм.
Профилограмма поверхности образца получена студентом путём измерения с помощью программного комплекса ImageJ вдоль прямой линии длиной 3 мкм и условной высоты в пикселах на поверхности АСМ микроизображения размером 5х5 мкм2 и дальнейшей перенормировки её высоты в нм с помощью дополнительных данных АСМ изображения.
Направление измерения выбирается преподавателем для каждого студента (группы, бригады) индивидуально.
Обращаем внимание, что для всех вариантов величина y и х заданы в нанометрах и параметры шероховатости во всех случаях следует указывать в нм.
Порядок выполнения задания:
1. Получить график зависимости y(x), с помощью АСМ микроизображения размером 5х5 мкм2 и программного комплекса ImageJ представляющий собой профиль анализируемой поверхности. В координатах у – градации серого (в диапазоне 0-255 пикселей) и х – нм (в диапазоне 0-3000 нм).
2. Перенормировать координаты и получить зависимость y(x) для обоих координат в единицах нм, учтя, что максимальное значение пикселей 255 соответствует значению 55-65 нм в зависимости от фотографии АСМ.
3. Построить среднюю линию – упрощенно примем ее соответствующей среднему значению величины y.
4. Определить среднее арифметическое отклонение профиля Ra по формуле (1) в пособии, где yi – модули отклонений всех значений y от средней линии.
5. Определить высоту неровностей профиля по десяти точкам Rz по формуле (2). Для этого необходимо найти 5 наибольших выступов профиля (отклонений от средней линии в б о льшую сторону) и глубин 5 наибольших впадин профиля (отклонений от средней линии в меньшую сторону).
6. Рассчитать отношение величин Rz: Rа.
7. Округлить рассчитанное значение Rа до ближайшего предпочтительного значения из ряда, приведенного на стр. 5 пособия.
8. Определить наибольшую высота неровностей профиля Rmax – разность между уровнями наибольшего выступа и самой глубокой впадины.
9. Ответить на контрольные вопросы на стр. 18 пособия.
Цель работы – освоить работу в программе ImageJ и исследовать с её помощью шероховатость поверхности по данным АСМ измерений, обрезка фрагмента микрофотографии, привязка длины в пикселах к реальной длине и установка реального масштаба на микрофотографии.
Немного о программе ImageJ
ImageJ - свободно распространяемое программное обеспечение с открытым исходным кодом. Вы можете свободно запускать программу в любых целях, изменять ее для своих задач, распространять среди любых стран и пользователей [1].
Программа ImageJ представляет собой графический редактор, позволяющий производить анализ изображений. Одним из возможных её применений является обработка результатов АСМ микроизображений поверхности, в частности, исследование шероховатости поверхности.
Саму программу можно скачать по адресу в Интернете https://rsb.info.nih.gov/ij/ и установить на своём компьютере. Окно программы ImageJ выглядит как показано на рисунке 1.
Рис. 0. Окно программы ImageJ
Далее приведено описание панели инструментов и основных операций.
Инструменты выделения. Первые четыре кнопки на панели инструментов – инструменты выделения области; они позволяют обводить область на изображении прямоугольной, овальной, многоугольной или свободной формы. После выделения, эти области с помощью соответствующих команд меню могут быть изменены, проанализированы, скопированы. Заметьте, что строка состояния, содержит координаты выделения и размеры в пикселях.
Инструменты линии. Следующие три кнопки служат для рисования прямых, ломанных и произвольных линий. Дважды щелкните на кнопке линии для изменения толщины линии.
Инструмент «перекрестие » используется для выбора участков на изображении. При этом в информационном окне отображаются координаты пикселей (xxx, yyy) и значение яркости (0-255). Для цветных изображений значения яркости будут приведены в строке состояния отдельно для синего, красного и зеленного каналов.
Замер и обсчет образцов. Провести линию между двумя точками с помощью инструмента «линия». В строке состояния высветится угол отклонения от горизонтали и длина линии в пикселях. Для изменения масштаба выполнить следующие действия:
Установка масштаба. Проведите линию между двумя точками, расстояние между которыми известно (например, на фотографии линейки). Перейдите в Analyze→ Set Scale. В окне Set Scale должна высветиться длина линии в пикселях. Введите известную длину и размерность в соответствующих полях. Теперь все измерения будут отображаться в выбранных единицах. Если зависимость пиксели:длина была известна из предыдущих измерений, можно сразу ввести эту информацию в окно Set Scale. Отметьте'global' для того, чтобы применить установленный масштаб ко всем открытым окнам.
Область измерений. Обведите область по периметру. Это можно сделать с помощью инструмента выделения области («жезл» в случае контрастных изображений или Analyze Particles – анализ частиц). Перейдите в Analyze→ Measure; в информационном окне будет показана область и значения яркости пикселей в охваченной области. Для выбора дополнительных параметров (например, длина периметра) используйте Analyze→ Set Measurements.
Подсчет частиц. Сконвертируйте изображение в серое, затем примените к нему операцию 'threshold'. Перейдите в Analyze→ Analyze Particles, задайте верхние и нижние пределы размеров частиц и переключите 'show outlines' (показать контуры). Щелкните 'ОК' и каждая обсчитываемая частица выделиться и пронумеруется в новом окне (числа могут быть очень маленькими). Информационное окно будет содержать размеры каждой частицы.
Сохранение файлов. Изображения, полученные от цифровых камер, обычно сохраняются как JPEG файлы. JPEG - тип сжатия изображения, которое приводит к потере некоторых данных. Качество изображения в формате JPEG ухудшается при каждом открытии и сохранении файла. Поэтому желательно сохранять изображения в формате TIFF. При нажатии на кнопку 'S', появляется окно «Сохранить как TIFF ».
Принадлежности: АСМ картина в виде файла c названием FTO 300 C.tif; установленная на компьютер программа ImageJ (https://rsb.info.nih.gov/ij/), программа Exel.