基于图像处理技术的铝合金腐蚀等级评定方法

'第42卷第3期2010年6月南京航空航天大学学报JournalofNanjingUniversityofAeronautics＆AstronauticsV01．42No．3Jun．2010基于图像处理技术的铝合金腐蚀等级评定方法朱做涛穆志韬苏维国陈定海(海军航空工程学院青岛分院，青岛，266041)摘要：E2LYl2CZ铝合金试件加速腐蚀试验为基础，得到不同腐蚀时问下铝合金腐蚀形貌。采用基于二值特征提取的图像处理技术，确定LYl2CZ铝合金的灰度闲值为0．25～o．3。并以此确定相应的孔蚀率，最终确定相应的腐蚀等级，以腐蚀等级作为铝合金腐蚀损伤的评价指标，为铝舍金腐蚀损伤演化规律表征提出新的思路。关键词：腐蚀形貌；二值特征；图像处理；孔蚀率；腐蚀等级中围分类号：TJl72．6+3；TP751．1文献标识码：A文章编号：1005—2615(2010)03·0383一04CorrosionGradeEvaluationofAluminumAlloyBasedonImageProcessingTechniqueZhuZuotao，MuZhitao，SuWeiguo，ChenDinghai(NavalAeronauticalandAstronauticalUniversityQingdaoBranch，Qingdao，266041，China)Abstract：ThecorrosionimagesofLYl2CZaluminumalloybydifferentcorrosiontimeareobtainedfromanacceleratedcorrosionexperiment．Withtheimageprocessingtechniqueofthebinarycharacteristicex-traction，thegraythresholdvalueofLYl2CZaluminumalloyisbetween0．25and0．30，andthenthepitcorrosionratiochangedwithcorrosiontimeandcorrespondingcorrosiongradeisobtained．Usingthecorrosiongradeastheevaluatedstandardofthecorrosiondamageforaluminumalloy，anewthoughtofcorrosiondamageevolvementlawforthealuminumalloyisproposed．Keywords：corrosionmorphology；binarycharacteristic；imageprocessingtechnique；pitcorrosionra-tio；corrosiongrade目前对腐蚀程度的描述和评价参数一般包括：腐蚀深度、腐蚀面积、失重率等定量指标，但是在工程应用实践中，采用这些定量指标来准确评价难度较大，加上实际结构的腐蚀又往往呈现极不均匀的分布状态，因此需要找到一种评定方法，既简单又适合工程应用的腐蚀评价标准。在腐蚀科学与工程中，腐蚀图像包含着大量的腐蚀信息r¨，表面腐蚀形貌图像是判别腐蚀类型、分析腐蚀程度、研究腐蚀规律与特征的重要依据，从表面腐蚀形貌图像中提取形貌特征参数，对腐蚀形貌以定量化描述，对深入研究腐蚀规律具有重要的意义。本文将采用图像处理技术，对铝合金的腐蚀等级评定进行研究，其流程图如图1所示。图1基于图像处理技术的腐蚀等级评定流程图1腐蚀灰度图像由于采集到的彩色图像不能用于特征的提取，因此必须对图像进行灰度化处理，灰度图像是包含灰度级(亮度)的图像，共有256个灰度级[2。3]，以数据矩阵表示，矩阵的每一个像素点所对应的灰度值收稿日期：2009—10—13；修订19期：2010—01—18作者简介：朱做涛，男，工程师，1975年7月生，E—mail：xsyzhu@163．conl． 384南京航空航天大学学报第42卷介于O～255之间。其中，0代表黑色，255代表白色，1～254分别代表黑色到白色之间的各级过渡色(灰色)。图2所示为经过数字化处理的腐蚀后的铝合金灰度图像及其一微小区域的数据矩阵，图中微小区域被数字化为11x11的矩阵，矩阵中每个像素点的灰度值都在o～255之间，灰度最小值为22，是蚀坑区域，最大值为155，是基体材料。因此，腐蚀图像灰度值的大小分布不仅是灰度级的体现，而且也反映了铝合金材料表面腐蚀的基本状况。图2数字化处理后的灰度图像2加速腐蚀试验为确定腐蚀等级，需要对铝合金试件进行加速腐蚀试验，腐蚀试验的试件采用75mmX40mmX3mm的LYl2CZ铝合金试件，试验采用HB5455—90标准对试件全浸试验，试验溶液为EXC0标准溶液。浸泡周期分别为24，48，72，120，168，240h，并对不同腐蚀时间的腐蚀形貌进行提取。3腐蚀图像预处理腐蚀图像采集完毕后，由于光照条件、转换器件的精度以及在传输过程中的信息损失和噪声干扰等影响，都会影响图像质量，从而影响腐蚀等级的评价，因此需要对图像进行一系列预处理后，才能进行图像特征的提取[4{】。3．1图像中值滤波中值滤波是对腐蚀形貌图像的干扰脉冲和点状噪声有良好的抑制作用，而对图像边缘能较好保持的非线性图像处理方法[6]。使用中值滤波滤除图像噪声的方法有多种，而且十分灵活。选用的窗口有3X3，5X5，7×7窗口，一般先使用小尺度窗口，然后逐渐加大窗口尺寸。图3所示为采用3X3窗口浸泡72h后中值滤波后效果图。3．2图像灰度变换一般图像采集所摄取样品表面腐蚀形貌图像只具有一定亮度响应范围，常出现对比度不足的弊病，使人眼看图像时视觉效果很差；另外，在某些情况下，需要将图像的灰度级整个范围或者其中的某一段扩展或压缩到记录器件输入灰度级动态范围之内，以便显示图像中需要的图像细节，从而大大改善人的视觉效果口]。图4所示为浸泡72h后灰度变换后的效果图。3．3模糊增强分析轻微腐蚀以及点蚀图像时，试样的真实形貌特征可能淹没在背景图像中，腐蚀形貌图像的轮廓和边缘比较模糊且形状很不规则，通常的边缘检测方法不能很好地从图像中提取腐蚀形貌特征[8】，为了从图像中提取有用的腐蚀信息，就要用到一种特殊的边缘检测方法——模糊增强处理。图5所示为浸泡72h后模糊增强后的效果图。图3浸泡72h后的中值滤波效果图图4浸泡72h后的灰度变换效果图4l4|．．．82954343；；}lI598『92l2965432343；!}llO3卜-O379lO7542Ol2321；iIlO892l350587l2O9Ol}iI90493410|．352089Ol}}t846t-4868O3l090OIl；!lI7649Ol0756O0Ol2Il}}iI5l95746324289Ol232l}!II9『28l347l‘95689l23211}l49|-O932l8l3589l343}}29254693821358l3454 第3期朱做涛，等：基于图像处理技术的铝合金腐蚀等级评定方法385图5浸泡72h后的模糊增强效果图4基于二值腐蚀图像的特征提取通常，腐蚀区域的形状极不规则，用传统的集合方法难以精确地计算腐蚀面积，因此必须对图像进行二值化处理[9]。二值图像只有纯黑和纯白两种灰度，使铝合金表面孔蚀图像中的颜色分为坑蚀点(前景点像素灰度值为1)和基体(背景点像素灰度值为o)。目前较常见的灰度图像二值化的方法是阈值确定法。若腐蚀图像fCx，y)中，腐蚀区域和材料基体的灰度阈值分别为L和n，g(i，歹)为图像中位值为(i，歹)处的像素点的灰度值，则在二值化图像中，g(i，歹)转换为g(i,j，=E翟∥√KL㈣卜io妄他一“。Q’图6所示为浸泡72h的二值图像。图像二值化后，根据像素点的值即可对孔蚀区域和未腐蚀区域进行特征提取。图7为腐蚀孔面积直方图，图中横坐标表示腐蚀孔的个数，纵坐标表示腐蚀孔的面积，可见试样表面腐蚀孔共有278个，面积大小不一，图中试样最大蚀孔面积高达1769个像素点，而最小蚀孔只有1个像素点。得到了孔蚀面积以后就可以计算试件的孔蚀率P，即夕=勰(2)图6浸泡72h后的二值图图7腐蚀孔面积直方图不同腐蚀时间、不同阈值瓦下的孔蚀率如表1所示，其拟合曲线如图8所示。衰1不同腐蚀时间、不同阈值下的孔蚀率O．6O．5O．4静螽0．3酷O．2O．10．O一阙值：o．50>=0．30857l≯⋯“—．-阈值：o．35)9旬．01335叫”“--．db--阈t／i=o．307=o．00325‘≯””‘十阈值：o．25)卸．00237IP“’—_．阈值=0．20y=0．00015*x’“”050100150200250腐蚀时间／h图8不同腐蚀时间，不同阈值下的蚀孔率示意图从表1及图8可知，孔蚀率以增长曲线的形式随加速腐蚀时间变化，其拟合曲线的相关性比较高，并且阈值的选择对孔蚀率的结果有很大的影响，阈值选取较大时，孔蚀率较大，这是因为当阈值选择较大时，图像处理过程中将会把基体缺陷当成蚀坑，当阈值选取较小时，图像处理过程中将会把蚀坑当成基体，因此阈值的选择对图像处理结果会有很大的影响。5基于图像处理技术的腐蚀等级评定根据GB6461—86，数字腐蚀等级评定体系基于出现腐蚀的基本面积，按照将孔蚀率化整到最接近∞；呈加∞∞∞∞∞∞o8642O8642籁牛蛭餐肇搐誊 386南京航空航天大学学报第42卷的整数来确定腐蚀等级，其计算公式为M=3(2一logp)(3)式中：M为腐蚀等级；P为孔蚀率。对于缺陷面积极小的试样，严格按照公式计算将导致评级大于10。因此，式(3)仅限于孔蚀率户>0．046416％的试样。通常，对没有出现基体金属腐蚀的表面，认为规定为10级。表2所示为根据式(3)计算得到的化整到最接近整数所对应的腐蚀等级。表2化整到最接近的整数对应的腐蚀等级根据表1，2可以判断不同腐蚀时间下的腐蚀等级如表3所示。表3不同腐蚀时间、不同阈值下的腐蚀等级由表3可知，当阈值为0．25"0．3之间时腐蚀等级是一样的，并且与实际结果比较吻合，因此，对于LYl2CZ铝合金试件来说，阈值选取为0．25～0．3之间是比较合理的。6结论(1)图像处理技术较好地反映材料腐蚀区域形貌特征的变化，将腐蚀区和基体材料区分开。(2)在二值特征提取的基础上，能精确地得到孔蚀面积，解决了以往传统几何方法难以精确地计算不规则孔蚀面积的问题。(3)LYl2CZ铝合金材料在EXCO溶液中，孔蚀率以增长曲线的形式随加速腐蚀时间变化，并且腐蚀图像二值化的阈值选取对腐蚀等级的评定有很大的影响。(4)对于LYl2CZ铝合金来说，计算孔蚀率时灰度阈值取0．25～O．30是比较合理的。参考文献：[1]纪纲，李红梅，张伦武．对镀层材料外观腐蚀特征的识别及分析处理1-33．表面技术。2001，30(1)：21—24．I-2]崔屹．数字图像处理技术与应用[M]．北京：电子工业出版社．1997：51—67．[3]沈庭芝．数字图像处理及模式识男Ⅱ[M]．北京：北京理工大学出版社，1998：36—49．E43BrenceJR，BrownDE．Dataminingcorrosionfromeddycurrentmort—destructivetest1,J3．Computers&IndustrialEnglneering，2002，43(4)：821-840．1,sJJembergP．CorrosionevaluationofcoatedsheetmetalbymeansofthermographyandimageanalysisEc]{{ProceedingsofSHE．TheInternationalSoci-etyforOpticalEngineering．USA：InternationalSoci—etyforEngineering，1991：295-302．1,61陈春宁。王延杰．在频域中利用同态滤波增强图像对比度口]．图像处理，2007，23(2／3)：264—266．[7]SilvaJwJ，BustamanteAG，CodaroEN，eta1．MorphologicalanalysisofpitformedonAI2024-T3inchlorideaqueoussolution[J]．AppliedSurfaceScience，2004，236(114)：356—365．[8]hzhakD，Dinsteinl，ZilberbergT．Pittingcorrosionevaluationbycomputerimageprocessin91,J]．Corro-sionScience，1981，21(1)：17-22．[9]吕俊哲．图像二值化算法研究及其实现[J]．科技情报开发与经济。2004，14(2)：266-268．'