CN109447914A - 实现整体纳米颗粒sem图像亮度均匀化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，涉及使用直方图技术的图像数据处理，该方法是求出纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值，实现整体纳米颗粒SEM图像的亮度均匀化，克服了现有技术采用掩模法、分块处理以及划分区域只适应于图像非边沿部分的校正，均存在无法实现图像周围边界部分进行插值和校正，即无法实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的缺陷。

Description

实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法

技术领域

本发明的技术方案涉及使用直方图技术的图像数据处理，具体地说是实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法。

背景技术

扫描电子显微镜(英文为Scanning Electron Microscope，以下均简称为SEM)作为一种现代分析仪器，广泛地应用在医学、生物和材料诸多学科的微观领域，特别是近年的表征纳米颗粒表面显微形貌的研究。

经过电压加速的电子束，通过磁透镜会聚和扫描线圈作用，利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，扫描电子显微镜可以达到纳米级的超高分辨率。由于电镜长时间工作引起灯丝偏移和摆动而造成反射不均匀的电流，同时电子枪交叉斑急骤变大,亮度急骤下降,致使扫描电子显微镜分辨率恶化。另一方面，由于载物台不牢固发生微倾斜而导致样品接收发射电流不一致，因此目前获取的纳米颗粒SEM图像中会出现亮度不均匀，纳米颗粒SEM图像中某一区域高亮度，而有些区域低亮度，影响了纳米颗粒SEM图像的正常显示。为了解决上述问题，本领域技术人员进行了一系列研究。

计算机应用，33(S1)：190-192，2013年6月刊载的论文报道通过选取图像分割区域中的亮度最大值作为采样点，提高了图像的整体亮度，并利用采样点的平均值来进行插值获取背景估计图，采用掩模法来实现显微镜透射光照不均匀图像校正，该方法存在的缺陷是：采用掩模、分块以及划分区域需要占用一定区域，这些划分区域面积不能太小。计算机仿真，25(5)：185-189，2008年5月刊载的论文报道了采用自动提取过亮块和过暗块对其进行亮度校正，并以彩色图像人脸数据库为例，得到亮度校正的图像，其存在在需要寻找过亮和过暗的区域中需要对人脸部位进行判定以及人为地设定过亮和过暗灰度阈值的缺陷是。CN103778599A公开一种图像处理方法及系统，将当前帧图像划分为多个相互重叠的图像区域,并将相邻的四个图像区域共有的重叠部分确定为图像块，计算每一图像区域中每一像素点的初始亮度，确定每一图像区域中每一像素点的灰度拉升亮度，得到对应的图像块中每一像素点的输出亮度，确定每一图像块的输出图像,从而得到当前帧图像的输出图像，其存在的缺陷是由于图像块大小，因此无法计算图像边沿部分。CN1753061A公开了图像显示单元与校正图像显示单元中的亮度的方法，该方法存在在校正之间需要测量的显示失衡，这适应于固定失衡图像亮度校正，但是不能用于SEM材料及放置位置不同的纳米颗粒SEM图像的亮度均衡的缺陷。CN100411445C公开了校正图像亮度分布的图像处理方法及装置，是从图像的图像数据中提取出低频亮度成分，检测出图像亮度成分的特征量，校正图像实际的亮度成分，其中采用与多个高斯函数的积和运算，求出亮度成分分布，其存在由于高斯函数有一定的大小，因此求出多个程度下亮度成分分布的区域要小于原始图像的缺陷。CN101655976B公开了基于控制点修正的多视角图像亮度校正方法，是利用输入的二幅多视角图像统计亮度直方图，其存在不能处理SEM设备只提供的一个方向图像的缺陷。CN104778664A公开了一种图像亮度校正的方法，是将待校正图像划分区域作为当前待校正区域，利用双线性插值算法确定当前待校正区域中各像素点的校正系数，通过所述当前待校正区域中各像素点的原始亮度值与所述校正系数，确定各像素点校正后的亮度值，并将所述待校正区域向图像的光学中心收缩，把收缩后的区域再次划分后作为当前待校正，直到达到预设校正次数为止，其存在校正存在较多的校正次数，并且双线性插值算法只能实现其内部插值，校正区域小于原始图像的缺陷。CN107590787A公开了一种扫描电子显微镜的图像畸变校正方法，是针对扫描电子显微镜的图像畸变校正方法，并且利用拍摄标准标靶获得稀疏图像像素位置信息及对应的畸变向量样本集，其存在需要多幅图像的缺陷。

总之，上述图像亮度校正的现有技术采用掩模法、分块处理以及划分区域只适应于图像非边沿部分的校正，均存在无法实现图像周围边界部分进行插值和校正，即无法实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，是求出纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值，实现整体纳米颗粒SEM图像的亮度均匀化，克服了现有技术采用掩模法、分块处理以及划分区域只适应于图像非边沿部分的校正，均存在无法实现图像周围边界部分进行插值和校正，即无法实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，具体步骤如下：

第A步,获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像：

第A.1步，将纳米颗粒SEM原始图像划分为N×M个分块区域图像：

将获取的纳米颗粒SEM原始图像，即亮度不均匀的整个纳米颗粒SEM图像，分成横向N等份和纵向M等份的N×M个分块区域图像，其中N≥3，M≥3，除了相邻分块之间存在公共边外，分块与分块相互不重叠，单个分块至少要涵盖至少包含十个纳米颗粒，每一个分块的横向宽为n像素，纵向高为m像素，其中n和m为偶数，对应整个纳米颗粒SEM图像，横向为N×n像素，纵向为M×m像素；

第A.2步，将每个分块区域图像进行直方图均衡化及拼接图像：

将上述第一步中被划分为的M×N个分块区域图像中的每个分块区域图像进行直方图均衡化，每个分块区域图像中包含至少十个纳米颗粒，该直方图像均衡化不受单个纳米颗粒亮度的影响，将不同分块区域图像的亮度调整到相近的亮度，并按照原来每个分块区域图像的位置，将直方图均衡化后的M×N个分块区域图像拼接，由此获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像；

第B步，获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像：

第B.1步，将纳米颗粒SEM原始图像对称外拓展：

在获取的纳米颗粒SEM原始图像，即亮度不均匀的整个纳米颗粒SEM图像，的外边界的左右横向两边分别增加一个n/2像素宽度的区域，上下纵向两边分别增加一个m/2像素的高度区域，得到对称外拓展的纳米颗粒SEM图像，其横向为(N+1)×n像素，纵向为(M+1)×m像素，该对称外拓展的纳米颗粒SEM图像分别按照纳米颗粒原始SEM图像外边界的四个顶点和纳米颗粒原始SEM图像外边界的四条边对称外拓展，按照四个顶点对称外拓展区域是包含该顶点分块四分之一的区域，按照外边界的上下两条边的对称外拓展区域为包含该边的纵向为半个分块高度m/2的区域，按照外边界的左右两条边的对称外拓展区域为包含该边的横向为半个分块宽度n/2的区域，由此得到对称外拓展的纳米颗粒SEM图像；

第B.2步，将对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个的每个分块区域图像进行直方图均衡化及拼接图像：

按照第A.1步中的纳米颗粒原始图像划分为N×M个分块区域图像方法，将上述第B.1步得到的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个分块区域图像，然后对得到的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的每个分块区域图像进行直方图均衡化，再按照上述(N+1)×(M+1)个分块区域图像原来的位置，将直方图均衡化后的(N+1)×(M+1)个对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的每个分块区域图像拼接，由此获取对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像，其横向像素为(N+1)×n，纵向像素为(M+1)×m；

第B.3步，对纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接图像进行截取图像：

按照第A.1步中的纳米颗粒原始图像划分为N×M个分块区域图像的位置，在上述第四步中获取的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像中截取横向大小为N×n像素和纵向大小为M×m像素的图像，由此获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像；

第C步，求出纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值：

求出上述第A.2步获取的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与上述第B.3步获取的纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像的像素值的平均值，最终实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化。

上述实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，所述分成横向N等份和纵向M等份的N×M个分块区域图像，其中N＝6，M＝4；所述每一个分块的横向宽为n像素，纵向高为m像素，其中n＝100像素，m＝100像素；所述对应整个纳米颗粒SEM图像，横向为N×n像素，纵向为M×m像素，其中横向为6×100像素，纵向为4×100像素。

上述实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，所涉及的操作方法是本技术领域所公知的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点和显著进步如下：

(1)图像亮度校正的现有技术，在采用掩模法、分块处理以及划分区域中，由于掩模、分块以及划分区域占用一定区域，这些划分区域面积不能太小，因此，现有技术的方法比较适应于图像非边沿部分的校正，无法实现图像周围边界部分进行插值和校正，但是纳米颗粒SEM图像中高亮度和较暗区域分别出现在图像不同外边界，因此需要对纳米颗粒SEM图像拓展后进行校正，实现均匀亮度的纳米颗粒SEM图像整体。本发明方法是在拓展及均化的纳米颗粒SEM图像截取图像，与纳米颗粒SEM图像分块均衡化图像像素值进行线性迭加并求平均，实现整体纳米颗粒SEM图像的亮度均匀化，克服了现有技术采用掩模法、分块处理以及划分区域只适应于图像非边沿部分的校正，其存在无法实现图像周围边界部分进行插值和校正，即无法实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的缺陷。

(2)与CN103778599A一种图像处理方法及系统相比，CN103778599A是通过方块求出平均亮度，然后使用插值法，校正图像亮度，选择太小区域不能反映出其真实亮度，在一定大小的块下，必然无法校正外边界附近区域，并且由于图像块大小，因此无法计算图像边沿部分，而本发明方法采用纳米颗粒SEM对称外拓展图像分块直方图均衡化方法，覆盖了整个纳米颗粒SEM图像。

(3)与CN104778664A一种图像亮度校正的方法相比，CN104778664A将所述待校正区域向图像的光学中心收缩，把收缩后的区域再次划分作为当前待校正，直到达到预设校正次数为止，需要多次的校正，而本发明方法只需要两次次实现纳米材料SEM图像的亮度均化。

(4)与CN100410985C图像显示单元与校正图像显示单元中的亮度的方法相比，CN100410985C在校正之间需要测量的显示失衡，适应于固定失衡图像亮度校正，但是不能用于SEM材料及放置位置不同的纳米颗粒SEM图像的亮度均衡，本发明方法无需提前测量的显示失衡。

(5)与CN100411445C校正图像亮度分布的图像处理方法及装置相比，CN100411445C采用与多个高斯函数的积和运算，求出亮度成分分布，由于高斯函数有一定的大小，求出多个亮度成分分布的区域要小于原始图像，本发明方法采用图像对称外拓展，构成纳米颗粒SEM的对称外拓展图像，采用两次直方图均衡化及迭加，实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化。

(6)与CN101655976B基于控制点修正的多视角图像亮度校正方法相比，CN101655976B利用输入的二幅多视角图像统计亮度直方图，而SEM设备经常只提供的一个方向图像，本发明方法只需采用纳米材料SEM的一副图像。

(7)与CN107590787A一种扫描电子显微镜的图像畸变校正方法相比，CN107590787A是针对扫描电子显微镜的图像畸变校正方法，并且利用拍摄标准标靶获得稀疏图像像素位置信息及对应的畸变向量样本集，需要多幅图像，而本发明方法校正纳米材料SEM图像亮度中只需要一副图像，不需要拍摄标准标靶获得稀疏图像像素位置。

(8)针对现有技术在获得图像中划分区域直方图均衡块造成块之间突变，本发明方法在现有图像中拓展半个分块，形成(N+1)×(M+1)块的对称外拓展，并与纳米颗粒SEM原始图像分块直方图均衡进行迭加平均，消除了块之间的突变。

(10)现有技术中采用取过亮块和过暗块并对其进行亮度校正，并不是对图像所有区域进行亮度均匀化，而本发明方法对所有块进行亮度均匀化，涉及每一个区域，省略了过亮块和过暗块的判断，校正了纳米颗粒SEM图像的每一点。

(11)现有技术中采用块之间梯度消除块之间突变，这会照成块之间的失真，较适应于平滑图像，但是会影响纳米颗粒SEM图像中多个颗粒之间边界显示，而本发方法明中采用拓展分块均匀化与原图像分块均化化及线性迭加求平均方法，克服梯度平滑的不确定性。

(12)现有技术中采用以多次步长方块进行均衡化，本发明方法采用拓展分块及两次直方图均衡化，减少多次步长均衡化的过程，即达到纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的目的。

(13)现有技术对SEM仪器中的电子束设备中进行调整，实现亮度均匀化，费用昂贵，而本发明方法采用图像处理方法，无需对仪器中的电子束更改，费用低。

(14)本发明方法采用纳米颗粒原始SEM图像顶点及边对称外拓展，由此保留了纳米颗粒SEM的图像强度。

(15)本发明方法采用纳米颗粒SEM图像进行均匀化亮度，同样的方法可以推广到医学SEM图像和光学显微镜图像，具有通用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明方法的操作流程示意框图。

图2为本发明方法中纳米颗粒SEM原始图像及划分块区域示意图。

图3为本发明方法纳米颗粒SEM原始图像的对称外拓展示意图。

图4为本发明方法中纳米颗粒SEM对称外拓展图像及划分块区域示意图。

图5为本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM原始图像。

图6为本发明方法实施例1中的采用纳米颗粒SEM原始图像整体直方图均衡后的显示图像。

图7为本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM原始图像分块直方图均衡显示图像。

图8为本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM图像对称外拓展图像。

图9为本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM对称外拓展图像的分块直方图均衡显示图像。

图10为本发明方法实施例1中的对称外拓展分块直方图均衡截取图像。

图11为本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值结果图像。

图中，201.纳米颗粒SEM原始图像外边界，202.纳米颗粒SEM原始图像划分块区域，301.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左上顶点A的四分之一块方形区域，302.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右上顶点B的四分之一块方形区域，303.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右下顶点C的四分之一块方形区域，304.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左下顶点D的四分之一块方形区域，305.区域301按照图像外边界顶点A为中心对称点的对称外拓展图像的区域，306.区域302按照图像外边界顶点B为中心对称点的对称外拓展图像的区域，307.区域303按照图像外边界顶点C为中心对称点的对称外拓展图像的区域，308.区域304按照图像外边界顶点D为中心对称点的对称外拓展图像的区域，309.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界上边AB及纵向为半个分块高度的方形区域，310.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右边BC及横向为半个分块宽度的方形区域，311.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界横向下边CD及纵向为半个分块高度的方形区域，312.包含纳米颗粒SEM原始图像外边界纵向左边DA及横向半个分块宽度的方形区域，313.区域309按照图像外边界上边AB为对称轴的对称外拓展图像的区域，314.区域310按照图像外边界右边BC为对称轴的对称外拓展图像的区域，315.区域311按照图像外边界下边CD为对称轴的对称外拓展图像的区域，316.按照图像外边界左边DA为区域312的对称外拓展图像的区域，317.纳米颗粒SEM对称外拓展图像的外边界，401.纳米颗粒SEM对称外拓展图像划分块区域，501.实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像，701.实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像划分6×4个分块后，分成多个分块的直方图均衡再拼接图像的效果，801.实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展为700像素×500像素图像的外边界，901.实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展为700像素×500像素图像经过分块直方图均衡图像外边界，902.实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展为700像素×500像素图像经过分块直方图均衡后分块区域的图像，1001.实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展直方图均衡截取图像外边界。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明的操作流程是：获取的纳米颗粒SEM原始图像→第A步，获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像，在第A步中包含的过程：第A.1步，将纳米颗粒SEM原始图像划分划分为N×M个分块→第A.2步，将每个分块区域图像进行直方图均衡化，由此获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像；获取的纳米颗粒SEM原始图像→第B步，获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像，在第B步中包含的过程：第B.1步，将纳米颗粒SEM原始图像对称外拓展→第B.2步，将对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个的每个分块区域图像进行直方图均衡化，由此获取对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像→第B.3步，对纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化图像进行截取图像，获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像；完成第A步和第B步后→第C步，求出纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像的像素值的平均值。

由图1所示实施例可见，本发明是通过对纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像的像素值的线性迭加平均，实现纳米颗粒SEM图像的强度均衡。

图2表明本发明方法中纳米颗粒SEM原始图像及划分块区域，实线表示纳米颗粒SEM原始图像外边界，虚线为纳米颗粒SEM原始图像分块区域，纳米颗粒SEM图像划分横向N等份及纵向M等份，共计划分了N×M个分块，N×M个分块区域涵盖了整个纳米颗粒SEM原始图像，除了相邻块与块之间公共边外，块与块相互不重叠，每一个分块的横向宽为n像素，纵向高为m像素，n和m为偶数。

图2中，横坐标的1 2······N为纳米颗粒SEM原始图像的横向划分块区域的编号，纵坐标的1 2······M为纳米颗粒SEM原始图像的纵向划分块区域的编号，AB为纳米颗粒SEM原始图像外边界上边，BC为纳米颗粒SEM原始图像外边界右边，CD为纳米颗粒SEM原始图像外边界下边，DA为纳米颗粒SEM原始图像外边界左边。

由图2展示了本发明待处理纳米颗粒SEM整体图像及分块划分，图中，纳米颗粒SEM原始图像的外边界201中的A为纳米颗粒SEM原始图像外边界左上顶点，B为纳米颗粒SEM原始图像外边界右上顶点，C为纳米颗粒SEM原始图像外边界右下顶点，D为纳米颗粒SEM原始图像外边界左下顶点。AB为纳米颗粒SEM原始图像上边，BC为纳米颗粒SEM原始图像外边界右边，CD为纳米颗粒SEM原始图像外边界下边，DA为纳米颗粒SEM原始图像外边界左边；在纳米颗粒SEM原始图像的外边界201的纳米颗粒SEM原始图像被划分为纳米颗粒SEM原始图像划分块区域202。

与现有技术的局部分块直方图均衡增加对比度不同，本发明方法利用直方图均衡实现分块平均亮度的调整，分块中既要保证包含数量足够多的纳米颗粒，这样多个颗粒的平均亮度基本不受单一纳米颗粒本身亮度的影响。同时，过大分块区域会引起过亮区域与过暗的区域跨度太大，直方图平衡校正时会产生偏差。本发明方法中分块中至少覆盖十个纳米颗粒，纳米颗粒SEM原始图像的每一个方向至少可分3个方块，单个分块区域中亮度差限制在纳米颗粒SEM原始图像亮度差的三分之一之内，保证了纳米颗粒SEM原始图像分块直方图均衡中，能够将不同分块的平均亮度调整相近的数值。SEM设备分辨率可以达到1纳米，对于毫米大小甚至更小微米的制备纳米颗粒样本，完全可以获取一个方向10万像素SEM图像，而现在纳米颗粒SEM图像的像素满足本发明的要求。

图3表明本发明方法纳米颗粒SEM图像对称外拓展，其中包括纳米颗粒SEM图像外围边界201四个顶点A、B、C和D的对称外拓展区域、纳米颗粒SEM图像外围边界201四条边AB、BC、CD和DA的对称外拓展区域，可以看出纳米颗粒SEM图像对称外拓展过程以及与原始图像的关系。

由图3可见，纳米颗粒SEM图像外边界的四个顶点的对称外拓展中，要分别按照该顶点为对称中心拓展纳米SEM图像。包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左上顶点A的四分之一块方形区域301、包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右上顶点B的四分之一块方形区域302、包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右下顶点C的四分之一块方形区域303和包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左下顶点D的四分之一块方形区域304分别为包含纳米颗粒SEM原始图像的外边界201的左上顶点A、右上顶点B、右下顶点C和左下顶点D的四分之一块的方形区域，这四个区域的横向宽为n/2像素，纵向高为m/2像素。区域301按照图像外边界顶点A为中心对称点的对称外拓展图像的区域305、区域302按照图像外边界顶点B为中心对称点的对称外拓展图像的区域306、区域303按照图像外边界顶点C为中心对称点的对称外拓展图像的区域307和区域304按照图像外边界顶点D为中心对称点的对称外拓展图像的区域308，对称外拓展图像的区域305、306、307和308的大小均为的横向宽为n/2像素，纵向高为m/2像素。

图3中的包含纳米颗粒SEM原始图像外边界上边AB及纵向为半个分块高度的方形区域309，该区域309的纵向高为m/2像素、横向宽为M×n像素，包含纳米颗粒SEM原始图像外边界上边AB及纵向为半个分块高度的方形区域309涵盖了包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左上顶点A的四分之一块方形区域301和包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右上顶点B的四分之一块方形区域302；图3中的包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右边BC及横向为半个分块宽度的方形区域310，该区域310的纵向高为M×m像素、横向宽为＝n/2像素，包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右边BC及横向为半个分块宽度的方形区域310涵盖包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右上顶点B的四分之一块方形区域302和包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右下顶点C的四分之一块方形区域303；图3中的包含纳米颗粒SEM原始图像外边界横向下边CD及纵向为半个分块高度的方形区域311，该区域311的纵向高为m/2像素、横向宽为M×n像素，包含纳米颗粒SEM原始图像外边界横向下边CD及纵向为半个分块高度的方形区域311涵盖包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右下顶点C的四分之一块方形区域303和包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左下顶点D的四分之一块方形区域304；图3中的包含纳米颗粒SEM原始图像外边界纵向左边DA及横向半个分块宽度的方形区域312，该区域312的纵向高为M×m像素、横向宽为＝n/2像素，包含纳米颗粒SEM原始图像外边界纵向左边DA及横向半个分块宽度的方形区域312涵盖包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左下顶点D的四分之一块方形区域304和包含纳米颗粒SEM原始图像外边界左上顶点A的四分之一块方形区域301；图3中的区域309按照图像外边界上边AB为对称轴的对称外拓展图像区域313、区域310按照图像外边界右边BC为对称轴的对称外拓展图像的区域314、区域311按照图像外边界下边CD为对称轴的对称外拓展图像的区域315和区域312按照图像外边界左边DA为对称轴的对称外拓展图像的区域316分别按照纳米颗粒SEM原始图像边AB、BC、CD和DA为对称轴对称外拓展图像区域，其中原对称区域分别对应包含纳米颗粒SEM原始图像外边界上边AB及纵向为半个分块高度的方形区域309、包含纳米颗粒SEM原始图像外边界右边BC及横向为半个分块宽度的方形区域310、包含纳米颗粒SEM原始图像外边界横向下边CD及纵向为半个分块高度的方形区域311和包含纳米颗粒SEM原始图像外边界纵向左边DA及横向半个分块宽度的方形区域312，由此拓展构建的对称外拓展图像，构成的对称图像与原图像大小相同；经过纳米颗粒SEM原始图像的外边界201的四个顶点A、B、C和D以及纳米颗粒SEM原始图像的外边界201的四条边形成纳米颗粒SEM对称外拓展图像的外边界317，该外边界317的横向宽为(N+1)×n像素，纵向高为(M+1)×m像素。

图4表明本发明方法中纳米颗粒SEM拓展图像及划分块区域，其中标出纳米颗粒SEM原始图像的外边界201、纳米颗粒SEM原始图像的外边界201的四条边形成纳米颗粒SEM对称外拓展图像的外边界317和纳米颗粒SEM对称外拓展图像划分块区域401。

图4中的1 2······N+1为纳米颗粒SEM对称外拓展图像的横向划分块区域的编号，1 2······M+1为纳米颗粒SEM对称外拓展图像的纵向划分块区域的编号，AB为纳米颗粒SEM原始图像外边界上边，BC为纳米颗粒SEM原始图像外边界右边，DA为纳米颗粒SEM原始图像外边界左边。

图4展示了本发明中对称外拓展图像的变化，与纳米颗粒对称外拓展SEM图像相比，纳米颗粒SEM原始图像的横向增宽及纵向变高。纳米颗粒SEM原始图像横向左右两边分别增加n/2像素，为纳米颗粒SEM原始图像划分块区域202的半个分块宽度；纳米颗粒SEM原始图像纵向上下两边分别增加m/2个像素，为纳米颗粒SEM原始图像划分块区域的半个分块高度，而纳米颗粒对称外拓展图像中划分块仍然按照纳米颗粒SEM原始图像划分块区域202同样的n像素宽和m像素高进行划分，因此在纳米颗粒对称外拓展图像中划分块中，横向和纵向各自为N+1等份和M+1等份，纳米颗粒SEM对称外拓展图像共计划分了(N+1)×(M+1)个分块，纳米颗粒SEM对称外拓展图像对应大小为[(N+1)×n]×[(M+1)×m]，并且在纳米颗粒SEM对称外拓展图像划分块对应的网格与纳米颗粒SEM原始图像划分块对应网格并不重合，两个网格之间横向和纵向的位置分别相差n/2和m/2像素。

图5的本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM原始图像中，显示了实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像501，该图像大小为600像素×400像素，两个像素点之间距离为1纳米，图5包中含多个纳米颗粒的SEM图像，白色亮点为纳米颗粒。

由图5展示了本发明实施例1的SEM电子束及材料放置等原因引起纳米颗粒SEM图像亮度不均匀，左上角明显亮度高，而右下角图像亮度暗。纳米颗粒SEM原始图像中包含了众多纳米颗粒，由于图像亮度不均匀，在明亮区域显示纳米颗粒数量多，而在亮度较暗显示纳米颗粒较少，这是纳米颗粒SEM原始图像显示造成的结果，这样影响纳米颗粒正确的显示。实际上纳米颗粒SEM原始图像记录了大小不同的纳米颗粒，但是在整个图像中纳米颗粒数量分布相差不大，因此显示亮度差异影响了纳米颗粒的正确显示。

图6的本发明方法实施例1中的采用纳米颗粒SEM原始图像整体直方图均衡后的显示图像表明，直接使用材料SEM原始图像整体直方图均衡的效果。图6表明采用分块直方图均衡化的必要性，虽然直接采用图像整体直方图均衡方法可以提高图像右下角的亮度，同样增加了图像整体亮度，并增加了纳米颗粒SEM图像的对比度，即提高了右下角图像亮度，同时增加了左上角图像的亮度，但是并没有明显地改善纳米颗粒SEM原始图像亮度的均匀性，并没有明显的改善明暗区域亮度之差，因此，不采用分块而整体原始图像直方图均衡法无法实现亮度均衡的目的，同样说明过大分块块会使用直方图均衡失效。

图7的本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM原始图像分块直方图均衡显示图像显示，本发明实施例1采用的纳米颗粒SEM图像分块均衡，采用纳米颗粒SEM原始图像为600像素×400像素，其中横向宽为600像素，纵向高为400像素，横向分成6等份，纵向分成4等份，每一个分块占用100像素×100像素。

图7中的实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像划分6×4个分块后，分成多个分块的直方图均衡再拼接图像的效果701表明，由于划分块为100像素×100像素，并且一个纳米颗粒大小在几个像素之内，因此每一个分块区域包含数量足够多的纳米颗粒，块区域内平均亮度基本不受单个纳米颗粒的影响，保留了该块区域内平均亮度的稳定性。另一方面，纳米颗粒SEM原始图像横向被分成6等份及纵向分成4等份后，每一个分块中亮度之差限制在纳米颗粒SEM原始图像亮度之差的四分之一之内。块区域内进行直方图的均衡后，能够平移到相近的平均亮度，实现亮度均与化。分块直方图均衡实现了平均相近亮度调整，同时由于分块的存在，造成分块之间出现明显边界，这些边界是处理过程中出现的伪图像，会影响纳米颗粒SEM图像的正确显示，下面采用对称外拓展图像的直方图均衡化及迭加进行消除块之间的边界。

图8的本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM图像对称外拓展图像表明，该图像采用分块区域大小为100像素×100像素，纳米颗粒SEM原始图像为600像素×400像素，经过对称外拓展图像为700像素×500像素，显现出图像边界顶点及边界附件图像的对称形状。

对称拓展方法如上述图3所示实施例的描述过程，分别采用纳米颗粒SEM图像外边界的四个顶点和四条边向外对称外拓展，纳米颗粒SEM对称外拓展图像的大小为700像素×500像素，在横向左右两边和纵向上下两边分别增加了50像素，得到实施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展为700像素×500像素图像的外边界801。由于分别采用了邻近对称点和对称轴区域对称外拓展，多出区域图像亮度与拓展使用的区域图像亮度相同，保持纳米颗粒SEM原始图像外边界的亮度，相近亮度区域对称拓展为纳米SEM对称外拓展图像的外边界分块直方图均衡提供了保证。

图9所示为本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM对称外拓展图像的分块直方图均衡显示图像表明，该图像采用纳米颗粒SEM对称外拓展图像中横向宽为700像素，纵向高为500像素，按照100像素×100像素块划分，横向分为7个等份，纵向分为5个等份，纳米颗粒SEM对称外拓展图像共计划分35个分块区域。

图9中标示的施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展为700像素×500像素图像经过分块直方图均衡图像外边界901说明经过在对称外拓展的图像分块直方图均衡化图像，比图7横向左右两边及纵向上下两边各自增加100像素，即图9与图7相比，分块位置横向和纵向各自相差半个小块的宽度和长度，为迭加消除块之间的突变提供了可能。

图9中标示的施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展为700像素×500像素图像经过分块直方图均衡后分块区域的图像902显示了本发明方法中采用纳米颗粒对称外拓展SEM图像直方图均衡效果，纳米颗粒对称外拓展SEM图像划分每一个分块的平均亮度相近，同样保证划分块包含足够数量多的纳米颗粒，实现平均亮度基本不受单个纳米颗粒的影响。在实现纳米颗粒拓展SEM图像分块直方图平衡中，发现同样块与块之间存在边界突变，这仍然是图像处理过程中产生的伪图像，图11显示出消除边界突变的结果。

图10的本发明方法实施例1中的对称外拓展分块直方图均衡截取图像表明，本发明方法实施例1采用的按照纳米颗粒SEM原始图像位置，在纳米颗粒对称外拓展SEM图像分块直方图均衡图像中截取得到图像，该图像与纳米颗粒SEM原始图像位置相同，截取图像外边界为施例1采用的600像素×400像素的纳米颗粒SEM图像对称外拓展直方图均衡截取图像外边界1001。

由于纳米颗粒对称外拓展SEM图像存在左右半个分块宽度为n/2像素的对称外拓展，和上下半个分块高度为m/2像素的对称外拓展，并且纳米颗粒对称外拓展SEM图像中以相同块进行横向n像素和纵向m像素的划分，在与纳米颗粒SEM原始图像相同位置截取中，实施例1采用的纳米颗粒SEM对称外拓展直方图均衡截取图像外边界1001区域为四个顶点的四分之一块、上下边各为三个二分之一的块及左右边各为五个二分之一的块组成。

图11的本发明方法实施例1中的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值结果图像表明，本发明方法实施例1中采用的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值，显示纳米颗粒SEM图像分块直方图均衡化和纳米颗粒对称外拓展SEM图像分块直方图均衡化都存在块边沿，但是经过两种均衡化对应原始位置像素值平均后，消除块之间边沿突变，显示出消除边界突变的结果。

由于纳米颗粒SEM原始图像及纳米颗粒对称外拓展SEM图像分块直方图均衡化都存在块边界突变，拓展图像中横向左右半个分块宽度以及纵向上下两个方向半个分块高度的对称外拓展，纳米颗粒SEM原始图像和纳米颗粒SEM对称外拓展图像的分块直方图均衡的边界出现位置不同，即两幅图像划分块之间边界横向和纵向各自相差50像素，因此经过两种均衡化像素值线性平均后，消除块之间边界突变。

实施例1

本实施例实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，具体步骤如下：

第A步,获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像：

第A.1步，将纳米颗粒SEM原始图像划分为N×M个分块区域图像：

将获取的纳米颗粒SEM原始图像，即亮度不均匀的整个纳米颗粒SEM图像，分成横向N等份和纵向M等份的N×M个分块区域图像，其中N≥3，M≥3，除了相邻分块之间存在公共边外，分块与分块相互不重叠，单个分块至少要涵盖至少包含十个纳米颗粒，每一个分块的横向宽为n像素，纵向高为m像素，其中n和m为偶数，对应整个纳米颗粒SEM图像，横向为N×n像素，纵向为M×m像素；

本实施例中的纳米颗粒SEM原始图像如图5所示的实施例，纳米颗粒SEM原始图像分成横向N＝6等份和纵向M＝4等份的6×4个分块区域图像，每一个分块的横向宽为n＝100像素，纵向高为m＝100像素，对应整个纳米颗粒SEM图像，横向为6×100像素，纵向为4×100像素；两像素之间距离为1纳米，计算出纳米颗粒SEM原始图像面积2.4×10⁵平方纳米，每一个分块实际大小为10⁴平方纳米；

下述步骤中均为横向N＝6，纵向M＝4，横向宽为n＝100像素，纵向高为m＝100像素；

第A.2步，将每个分块区域图像进行直方图均衡化及拼接图像：

将上述第一步中被划分为的M×N个分块区域图像中的每个分块区域图像进行直方图均衡化，每个分块区域图像中包含至少十个纳米颗粒，该直方图像均衡化不受单个纳米颗粒亮度的影响，将不同分块区域图像的亮度调整到相近的亮度，并按照原来每个分块区域图像的位置，将直方图均衡化后的M×N个分块区域图像拼接，由此获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像；

本实施例的每个分块区域图像进行直方图均衡化如上述图6所示实施例；本实施例的每个分块区域图像的拼接图像如上述图7所示实施例；

第B步，获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像：

第B.1步，将纳米颗粒SEM原始图像对称外拓展：

在获取的纳米颗粒SEM原始图像，即亮度不均匀的整个纳米颗粒SEM图像，的外边界的左右横向两边分别增加一个n/2像素宽度的区域，上下纵向两边分别增加一个m/2像素的高度区域，得到对称外拓展的纳米颗粒SEM图像，其横向为(N+1)×n像素，纵向为(M+1)×m像素，该对称外拓展的纳米颗粒SEM图像分别按照纳米颗粒原始SEM图像外边界的四个顶点和纳米颗粒原始SEM图像外边界的四条边对称外拓展，按照四个顶点对称外拓展区域是包含该顶点分块四分之一的区域，按照外边界的上下两条边的对称外拓展区域为包含该边的纵向为半个分块高度m/2的区域，按照外边界的左右两条边的对称外拓展区域为包含该边的横向为半个分块宽度n/2的区域，由此得到对称外拓展的纳米颗粒SEM图像；

本实施例中将纳米颗粒SEM原始图像对称外拓展的具体操作方法如上述对图3所示实施例的描述；本实施例中的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像如上述图8所示实施例的描述；

第B.2步，将对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个的每个分块区域图像进行直方图均衡化及拼接图像：

按照第A.1步中的纳米颗粒原始图像划分为N×M个分块区域图像方法，将上述第B.1步得到的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个分块区域图像，然后对得到的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的每个分块区域图像进行直方图均衡化，再按照上述(N+1)×(M+1)个分块区域图像原来的位置，将直方图均衡化后的(N+1)×(M+1)个对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的每个分块区域图像拼接，由此获取对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像，其横向像素为(N+1)×n，纵向像素为(M+1)×m；

本实施例中的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像如上述图9所示实施例的描述；

第B.3步，对纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接图像进行截取图像：

按照第A.1步中的纳米颗粒原始图像划分为N×M个分块区域图像的位置，在上述第四步中获取的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像中截取横向大小为N×n像素和纵向大小为M×m像素的图像，由此获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像；

本实施例中的纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像如上述图10所示实施例的描述；

第C步，求出纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值：

求出上述第A.2步获取的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与上述第B.3步获取的纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像的像素值的平均值，最终实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化；

本实施例中的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值如上述图11所示实施例的描述；

上述实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，所涉及的操作方法是本技术领域所公知的。

Claims (2)

1.实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，其特征在于具体步骤如下：

第A步,获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像：

第A.1步，将纳米颗粒SEM原始图像划分为N×M个分块区域图像：

将获取的纳米颗粒SEM原始图像，即亮度不均匀的整个纳米颗粒SEM图像，分成横向N等份和纵向M等份的N×M个分块区域图像，其中N≥3，M≥3，除了相邻分块之间存在公共边外，分块与分块相互不重叠，单个分块至少要涵盖至少包含十个纳米颗粒，每一个分块的横向宽为n像素，纵向高为m像素，其中n和m为偶数，对应整个纳米颗粒SEM图像，横向为N×n像素，纵向为M×m像素；

第A.2步，将每个分块区域图像进行直方图均衡化及拼接图像：

将上述第一步中被划分为的M×N个分块区域图像中的每个分块区域图像进行直方图均衡化，每个分块区域图像中包含至少十个纳米颗粒，该直方图像均衡化不受单个纳米颗粒亮度的影响，将不同分块区域图像的亮度调整到相近的亮度，并按照原来每个分块区域图像的位置，将直方图均衡化后的M×N个分块区域图像拼接，由此获取纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像；

第B步，获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像：

第B.1步，将纳米颗粒SEM原始图像对称外拓展：

在获取的纳米颗粒SEM原始图像，即亮度不均匀的整个纳米颗粒SEM图像，的外边界的左右横向两边分别增加一个n/2像素宽度的区域，上下纵向两边分别增加一个m/2像素的高度区域，得到对称外拓展的纳米颗粒SEM图像，其横向为(N+1)×n像素，纵向为(M+1)×m像素，该对称外拓展的纳米颗粒SEM图像分别按照纳米颗粒原始SEM图像外边界的四个顶点和纳米颗粒原始SEM图像外边界的四条边对称外拓展，按照四个顶点对称外拓展区域是包含该顶点分块四分之一的区域，按照外边界的上下两条边的对称外拓展区域为包含该边的纵向为半个分块高度m/2的区域，按照外边界的左右两条边的对称外拓展区域为包含该边的横向为半个分块宽度n/2的区域，由此得到对称外拓展的纳米颗粒SEM图像；

第B.2步，将对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个的每个分块区域图像进行直方图均衡化及拼接图像：

按照第A.1步中的纳米颗粒原始图像划分为N×M个分块区域图像方法，将上述第B.1步得到的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像划分为(N+1)×(M+1)个分块区域图像，然后对得到的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的每个分块区域图像进行直方图均衡化，再按照上述(N+1)×(M+1)个分块区域图像原来的位置，将直方图均衡化后的(N+1)×(M+1)个对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的每个分块区域图像拼接，由此获取对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像，其横向像素为(N+1)×n，纵向像素为(M+1)×m；

第B.3步，对纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接图像进行截取图像：

按照第A.1步中的纳米颗粒原始图像划分为N×M个分块区域图像的位置，在上述第四步中获取的对称外拓展的纳米颗粒SEM图像的分块均衡化拼接图像中截取横向大小为N×n像素和纵向大小为M×m像素的图像，由此获取纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像；

第C步，求出纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化拼接截取图像像素值的平均值：

求出上述第A.2步获取的纳米颗粒SEM原始图像的分块均衡化拼接图像的像素值与上述第B.3步获取的纳米颗粒SEM对称外拓展分块均衡化截取图像的像素值的平均值，最终实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化。

2.根据权利要求1所述实现整体纳米颗粒SEM图像亮度均匀化的方法，其特征在于；所述分成横向N等份和纵向M等份的N×M个分块区域图像，其中N＝6，M＝4；所述每一个分块的横向宽为n像素，纵向高为m像素，其中n＝100像素，m＝100像素；所述对应整个纳米颗粒SEM图像，横向为N×n像素，纵向为M×m像素，其中横向为6×100像素，纵向为4×100像素。