CC BY
44
УДК 528.7
Е.П. Хлебникова, Д.П. Симонов СГГА, Новосибирск
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО И КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА КЕРАМИКИ МЕТОДАМИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ
Рассмотрены факторы, оказывающие влияние на свойства керамических материалов и способы их определения. Проведены экспериментальные исследования возможности определения качественных и количественных характеристик керамики методами управляемой и неуправляемой классификации.
Е.Р. Khlebnikova, D.P. Simonov SSGA, Novosibirsk
DEFINITION QUANTITATIVE AND QUALITATIVE STRUCTURE OF CERAMICS BY METHODS AUTOMATED INTERPRETATION
The factors influencing properties of ceramic materials and ways of their definition are surveyed. Experimental researches possibility definition qualitative and quantitative characteristics of ceramics by methods controlled and uncontrollable classification have been received.
Пригодность различных видов керамики для дальнейшего использования предопределяется совокупностью ее свойств. Так как отдельные виды керамики предназначены для эксплуатации в определенных, отличных от других условиях, то и каждая из этих разновидностей характеризуется совокупностью своих специфических свойств. С другой стороны, соответствие данного вида керамики техническим условиям не может быть оценена каким-либо одним общим свойством. Чем сложнее область применения какой-либо разновидности керамики, тем более сложен и многочислен комплекс предъявляемых к ней требований [1].
Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции. Любое, даже самое малое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов, размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства [2].
Важнейшие технические характеристики, которыми в той или иной мере должны обладать различные виды керамики, подразделяются на следующие группы: микростроение, пористость и проницаемость, прочность механическая, термомеханические, теплофизические, термические, химические,
электрофизические свойства и т.д. На любые свойства всех видов керамических материалов решающее влияние оказывает их строение. Под строением подразумевается взаимное сочетание и распределение кристаллических, стекловидной (аморфной) и газовой (т. е. пор) фаз, их физико-химическая природа и количественное соотношение.
Кристаллическая фаза керамики представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы этих соединений. Свойства кристаллической фазы предопределяют свойства керамического материала.
Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Количество стекловидной фазы в технической керамике зависит от содержания минерализаторов, плавней и глинистых веществ, способствующих процессу спекания. Чем больше содержание стекловидной фазы, тем менее заметны характерные свойства керамики, обусловленные кристаллической фазой.
Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. Количество газовой фазы зависит в основном от способа оформления заготовок керамических изделий и режима обжига. В соответствии с содержанием газовой фазы керамику разделяют на плотную, без открытых пор и пористую. При открытой пористости резко снижаются, даже в условиях нормальной влажности, все технические показатели материала. При заметной закрытой пористости наблюдается снижение механической и электрической прочности
[3].
Особенности строения керамики оценивают путем исследования его микроструктуры и текстуры. Микроструктура устанавливает природу кристаллических фаз, характер их строения и сочетания со стекловидной фазой и порами. Текстура определяет объем пор, их размеры, строение, форму и взаимное расположение в изделии. Рассмотрение свойств керамических материалов устанавливает, что в большинстве случаев они обусловливаются особенностью фазового состава и характером строения фаз [3].
Решающее влияние особенности строения керамики на все ее свойства вызывает необходимость детальных и всесторонних исследований ее структуры и текстуры.
В настоящее время контроль за соответствием полученных изделий предъявляемым требованиям происходит при помощи механической и визуальной оценки образцов. Такой способ нельзя назвать прогрессивным, т. к. это достаточно трудоёмко, а результаты содержат значительную долю субъективной компоненты. Авторы полагают, что в данном случае целесообразно применить существующие методы автоматизированного дешифрирования цифровых изображений для решения задач по определению качественных и количественных характеристик керамических материалов. Успех тематического дешифрирования изображений в значительной степени зависит от наличия той или иной контекстной и априорной информации об объектах, которые являются предметом обнаружения, классификации, оценивания и т. д., а также об условиях получения изображений, наличия моделей связи между этими объектами и изображениями [4]. В данном случае
условия постановки эксперимента позволяют учесть все вышеперечисленные факторы.
Для проведения эксперимента был использован микроскоп МИА ЛабМет-И1 при увеличении 360х. На первом этапе обработки снимков края изображений были обрезаны, как искаженные неравномерностью освещения.
Полученные снимки представлены на рис. 1.
Проведенные эксперименты показали, что использование алгоритмов неуправляемой классификации для выявления качественного состава керамики неэффективно, что может быть объяснено тем, что интересующие классы имеют достаточно узкий диапазон яркостей, границы которого можно установить лишь при очень большом количестве задаваемых порогов.
Рис. 1. Снимки поверхности различных образцов керамики
Обучающая выборка создавалась при помощи эталона, созданного на основе визуального анализа изображения. В набор сигнатур включались только два определяемых класса - «газовая фаза (поры)» и «кристаллическая фаза». Таким образом, стеклофаза, являющаяся основой керамики, попадала в понятие «неклассифицированные пиксели». На рис. 2 представлен процесс создания обучающей выборки для класса «газовая фаза (поры)» методом выращивания.
Рис. 2. Создание обучающей выборки для класса «газовая фаза (поры)»
Далее были исследованы такие алгоритмы управляемой классификации, как «Метод параллелепипедов», «Метод минимальных расстояний», «Метод максимального правдоподобия».
Предварительный анализ алгоритмов работы данных методов указывал на «Метод параллелепипедов» как на наиболее оптимальный. Этот вывод основывался на том, что классификация способом параллелепипедов использует простое решающее правило. Данный способ применяется, когда значения спектральной яркости разных объектов практически не перекрываются, а классов объектов немного, что соответствует поставленной задаче.
При таком методе классификации в пространстве спектральных признаков выделяются области в форме параллелепипедов, ограничивающих значения яркости объектов данного класса. При определении граничных (минимальные и максимальные) значений яркости используются сведения о классах в виде векторов средних значений яркости ¡!к и векторов дисперсий СГшк, полученные в процессе обучения. Известно, что для нормально распределенной случайной величины 95,4 % ее значений лежат в пределах отклонений от среднего значения, меньших 2а. Проведенные эксперименты подтвердили правильность сделанных предположений.
Условия получения изображений разных образцов были практически идентичны, что позволило использовать одну и ту же обучающую выборку для классификации аналогичных образцов. На рис. 3 представлен результат обработки двух образцов керамической поверхности по единому эталону. Достоверность дешифрирования для обоих образцов сопоставима и составляет в среднем 97 % для класса «газовая фаза (поры)» и 92 % для класса «кристаллическая фаза».
Рис. 3. Результат классификации изображений разных образцов по единому
эталону
Таким образом, проведенные эксперименты показали высокую эффективность и перспективность использования методов автоматизированного
дешифрирования изображений для определения количественных и качественных характеристик функциональной керамики. Создание единого эталона для определения микроструктуры материала методами цифровой обработки изображений позволит значительно сократить время- и трудозатраты на контроль качества продукции и повысить достоверность экспертной оценки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Химическая технология керамики и огнеупоров [Текст]/ под общ. ред. акад. АН УССР, чл.-корр. АН СССР П. П. Будникова и д-ра техн. наук проф. Д. Н. Полубояринова. - М. - Изд-во лит-ры по стр-ву. - 1972, 552с.
2. Третьяков, Ю.Д. Керамика в прошлом, настоящем и будущем
[Электронный ресурс]/ Ю.Д. Третьяков. - 1998. - [Режим доступа]:
http : //www, pereplet. ru/obrazovanie/stsoro s/568. html
3. Радиокерамика [Текст]/ под ред. В. В. Пасынкова. - Л. - Госэнсргоиздат. -1963, 553 с.
4. Кабанов, М.М. Помехоустойчивый алгоритм оценивания границ и
уровня водной поверхности по данным дистанционного зондирования [Электронный ресурс]/ М.М. Кабанов, С.Н. Капустин, А.П. Серых . - 2002 . -[Режим доступа]: http://www.tsu.ru/webdesign/tsu/Library.nsf/designobjects/
vestnik275/$file/Kabanov.pdf
© Е.П. Хлебникова, Д.П. Симонов, 2011
