JP2910577B2

JP2910577B2 - 画像による平均粒径計測方法

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Publication number: JP2910577B2
Application number: JP6238727A
Authority: JP
Inventors: 勝保相川
Original assignee: NIREKO KK
Current assignee: NIREKO KK
Priority date: 1994-10-03
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH08101114A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属結晶組織の結晶粒
界を示す２次元画像より平均粒径を画像処理によって計
測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属組織は結晶組織より形成され、結晶
粒の大きさは金属の強度耐疲労性、耐衝撃性、耐摩耗
性、潤滑性などを表す重要なパラメータとなっている。
結晶粒の大きさを表すものとして結晶粒度が用いられて
おり、ＪＩＳＧ０５５１には鋼のオーステナイト結
晶粒度試験方法が規定され、ＪＩＳＧ０５５２には
鋼のフェライト結晶粒試験方法が規定されている。粒度
測定方法の１つとして切断法があり、これは直交する２
本の直線を結晶粒の図に重ね、これらの線で切断される
結晶粒の数を数え、２本の直線の長さと、数えた数を所
定の式に代入することにより結晶粒度が得られる。これ
ら結晶粒度測定方法については、いくつかの方法が公表
されており、特公昭５６−１０５８０公報には比較的簡
単な構成で結晶粒度を算出する装置が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】材料によっては粒度よ
りも結晶粒の概略平均粒径を関連諸特性との関係で重視
する。ステンレス、アルミニウム、銅合金などでは概略
の平均粒径を求める要求が高いが、粒界が明瞭に表れな
いので測定が困難になっている。雑誌軽金属１９８８年
発行の頁５４〜頁６０にはアルミニウムのデンドライト
アームベース又はデンドライトセルサイズを計測する方
法が記載されている。これによるとデンドライトアーム
やデンドライトセルによって、結晶粒界が不明瞭なもの
の測定を人が目視によって行っている。図６は上記文献
の中の一例である。このように結晶粒界の途切れ部分が
多い像を前記の結晶粒度の画像解析による結晶粒度の算
出方法を準用して平均粒径を求めるには、途切れている
粒界部分を線の延長操作をして補充する必要があり、時
間がかかる。

【０００４】本発明は上述の問題点に鑑み、金属組織の
結晶粒の概略の平均粒径を画像処理により短時間に容易
に測定できる平均粒径計測方法を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、所定倍率に拡大された所定領
域の結晶組織を撮像して結晶組織画像とし、この結晶組
織画像の各走査線が粒界と交差する交差数ｎを求め、さ
らに各走査線の交差数ｎを全走査線について加算して全
交差数Ｎを求め、前記結晶組織画像の全画像面積を全交
差数Ｎに走査線間隔を乗じた値で割った値より平均粒径
を求める方法であって、前記結晶組織画像に異物が含ま
れる場合、この結晶組織画像より全ての異物を表す異物
画像面積を求め、前記結晶組織画像の全画像面積より前
記異物画像面積を差し引いた画像面積を前記全交差数Ｎ
に走査線間隔を乗じた値で割った値を平均粒径とするも
のである。

【０００６】

【０００７】

【０００８】また、請求項２の発明では、前記結晶組織
画像より、しきい値を選定して粒界を消去し異物のみを
表示する２値画像を作成し、この２値画像より全ての異
物の画像面積を算出するものである。

【０００９】また、請求項３の発明では、前記結晶組織
画像より２値画像を生成し、この２値画像について収縮
処理をし、粒界を消去した時点で収縮処理を停止し、こ
の状態で残った全ての異物の画像面積を算出するもので
ある。

【００１０】

【作用】請求項１の発明では、各走査線の粒界との交差
数ｎを全走査線について加算した全交差数Ｎを求める。
全画像面積は走査線の長さをＨ、走査線の間隔をΔ、走
査線の本数をｖとするとΔｖＨで表される。各走査線の
長さを加算した全走査線の長さはｖＨで表され、平均粒
径は全走査線ｖＨを全交差数Ｎで割った値ｖＨ／Ｎであ
り、これは分子，分母にΔを乗じたΔｖＨ／（ΔＮ）に
等しい。この分子は全画像面積を表し、分母は全交差数
Ｎに走査線間隔Δを乗じた値となっている。全画像面積
は全画像に含まれる画素数から容易に求まり、分母のΔ
Ｎは、走査線に直交する線への粒界の投影長さとして容
易に求まるので平均粒径の算出が容易となる。この場合
粒界は面積のない線として取り扱われているが、実際は
面積、つまり幅を有するので、この幅は平均粒界の中に
含まれていることになる。そして、フェライト中のパー
ライトとか非金属介在物などの異物が混在する場合、こ
の異物を表す全ての異物画像面積を求め、全画像面積よ
り異物画像面積を差し引いた画像面積を全交差数Ｎに走
査線間隔Δを乗じた値で割った値より平均粒径を求め
る。これにより異物を除いた結晶組織の平均粒径が得ら
れる。この場合異物に粒界の面積を含める場合は、平均
粒径は粒界の幅を含まない寸法となり、異物に粒界の面
積を含める場合は、平均粒径は粒界の幅を含めた寸法と
なっている。

【００１１】

【００１２】

【００１３】請求項２の発明では、単なる粒界と、異物
を区別し、異物の画像面積を正確に求めるため、粒界と
異物の濃度の違いを利用し、しきい値を調整して異物の
みが２値画像で表されるようにし、その画像面積を算出
する。また、粒界像を消すので粒界像の幅を含めた結晶
粒径が求められる。

【００１４】請求項３の発明では、粒界を収縮処理し、
粒界を消去したところで、残った異物の画像面積を算出
する。しかし、結晶内の異物も周囲が粒界の幅の半分だ
け収縮した状態となるため、異物を小さく評価すること
になる。かつ、粒界像の幅を含めた平均粒径が求められ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本実施例を実施する装置の構成を示
すブロック図である。顕微鏡１には接眼レンズ部に撮像
用レンズを取り付け、この撮像レンズを通して撮像する
撮像装置１６が取り付けられている。測定試料を載せる
ステージ１７は、オートステージドライバ１０からの信
号によりスタンドに設けたパルスモータで前後左右移動
させる平面移動機構１８により平面位置調整が行われ、
オートフォーカスドライバ１１により垂直移動機構１９
を作動させてステージ１７の上下方向の移動を行い、焦
点を合わせる。

【００１６】Ａ／Ｄ変換器２は撮像装置１６からの入力
データをアナログからディジタルに変換し、入力バッフ
ァ３はこのディジタルデータを一時的に格納する。バス
４は信号の伝達を行い、プログラムメモリ５は本装置の
動作を規定するプログラムを格納し、ＣＰＵ６はこのプ
ログラムに従い装置全体の制御を行う。

【００１７】画像プロセッサ７は入力した画像データの
濃淡処理、２値化処理、画像解析等を行い、濃淡画像メ
モリ８は濃淡画像データを格納し、２値化メモリ９は２
値または多値化画像データを格納する。オートステージ
ドライバ１０は、ＣＰＵ６からの指示により測定試料を
載せるステージ１７を平面移動機構１８を制御してＸ，
Ｙ方向に移動させ、測定試料の測定位置、領域の設定を
行う。オートフォーカスドライバ１１は、ＣＰＵ６より
垂直移動機構１９への制御命令を受け、垂直移動機構１
９を制御し、自動的に焦点を合わせる。出力バッファ１
２は出力するデータを一旦格納し、Ｄ／Ａ変換器１３は
この出力データをディジタルよりアナログに変換し、Ｃ
ＲＴ１４はこの出力データを画面に表示する。キーボー
ド１５よりオペレーが指示やデータを入力する。

【００１８】図２は粒界により識別される平均粒径を算
出する説明図である。測定対象の試料はその表面を研磨
機により鏡面仕上げされ、エッチング処理して顕微鏡１
にセットされ、撮像装置１６により撮像される。得られ
た濃淡画像はシェーディング補正後２値化され、図２に
示すような粒界の２値画像が得られる。２値化する場合
のしきい値は地の結晶と粒界を識別する値とする。鋼の
フェライト結晶などの場合は地が白で、粒界を黒とし、
鋼オ−ステナイト結晶などの場合は地を黒とし、粒界を
白とするのが一般的である。以下の説明では特に指定し
ないかぎり地を白とし、粒界を黒とする。

【００１９】図２は横（水平）方向の走査線ｉ上におけ
る平均粒径の算出方法を示す。画面寸法は水平長さＨ，
垂直長さＶであり、水平方向にｈ個、垂直方向にｖ個の
画素で構成されているものとする。水平方向の走査線は
水平方向のｈ個の画素上を１本の走査線で走査し、第１
走査線より第ｖ走査線までのｖ本で全画面を水平方向に
走査する。なお、垂直方向の走査線は垂直方向ｖ個の画
素上１本の走査線で走査し、第１走査線より第ｈ走査線
までｈ本で全画面を垂直方向に走査する。水平方向ｉ行
目の走査線を例にとり説明する。走査線ｉと粒界の交点
Ｐ１〜Ｐｎを求め、その個数ｎを求める。走査線ｉの個
数なのでｎｉとする。結晶はＰ１とＰｎの間にｎ−１個
あり、左端とＰ１の間の結晶およびＰｎと右端の間の結
晶をそれぞれ１／２の結晶とし、これを合わせて１個の
結晶とすればｎ個の結晶が存在する。つまり交点の数が
ｎｉ個あれば結晶の数もｎｉ個となる。走査線ｉの長さ
はＨであるので、走査線ｉにおける水平方向の平均粒径
Ｈｄｍは次式で表される。Ｈｄｍ＝Ｈ／ｎｉ ……（１）

【００２０】水平方向の全ての走査線１〜ｖについて、
粒界との交点の合計値をＮとすると、Ｎは次式で表され
る。Ｎ＝Σｎｉ，（ｉ＝１〜ｖ） ……（２）また、水平方向の全ての走査線の合計長はｖＨであるの
で水平方向の平均粒径ＨＤｍは次式で表される。ＨＤｍ＝ｖＨ／Ｎ ……（３）

【００２１】走査線ｉと粒界との交点Ｐ１〜Ｐｎの数ｎ
ｉは、走査線ｉ上に並んだ白，黒の画素について、その
変化回数より求める。粒界が黒画素で表されているとす
ると、結晶を表す白画素より黒画素に変化した回数（又
は黒画素より白画素に変化した回数）を求める。図２の
（ａ）は走査線ｉ上の画素の濃淡（白と黒）を示し、こ
の立ち上がり（または立ち下がり）回数を計数する。な
お、このように立ち上がり（または立ち下がり）の回数
を計数する場合は、２値画像を作成しなくても、撮像に
よって直接得られる濃淡画像から立ち上がり（または立
ち下がり）の回数を計数することができる。

【００２２】走査線と粒界の交点の数を求める方法とし
て画像処理でよく用いられる投影を用いることができ
る。図３（Ａ）は垂直方向投影長ＰｊＶを示し、（Ｂ）
は水平方向投影長ＰｊＨを示す。垂直方向投影長ＰｊＶ
は、光を水平に投光したとき、垂直方向の成分に生じる
垂直方向の影の長さを合計した値で、左側のように円板
ではその垂直方向の長さ（直径）がＰｊＶとなるが、右
側のように開口が設けられていると、外径ａと開口の直
径ｂとの合計値がＰｊＶとなる。また中央のようにＵ字
型の場合はａ＋ｂがＰｊＶとなる。水平方向投影長Ｐｊ
Ｈは光を垂直に投光したとき、水平方向の成分に生じる
水平方向の影の長さを合計した値である。

【００２３】図４は投影長により平均粒径を算出する一
例を示す。粒界を単純化し、図のように垂直方向には５
本の曲線で表せるものとする。走査線ｉ上では粒界は黒
画素で表され、地の結晶は白画素で表されている。この
場合、ＰｊＶは、ＰｊＶ＝５ｖΔ ……（４）ここで５は５本の粒界を示し、ｖは水平方向の走査線の
数、Δは走査線の間隔を示す。

【００２４】走査線の全長は走査線の長さＨに走査線の
全数ｖを乗じたｖＨである。また、全交差数Ｎは走査線
１本当たり５個であり、走査線は全部でｖ本であるの
で、Ｎ＝５ｖ ……（５）故に（３）式は次のようになる。ＨＤｍ＝ｖＨ／Ｎ＝ΔｖＨ／（ΔＮ）＝ＶＨ／（５Δｖ）＝Ｆａ／ＰｊＶ ……（６）ここでＦａはＶＨで画像の全面積を示す。

【００２５】図４は垂直方向投影長ＰｊＶを説明するた
め粒界曲線の簡単な例を示したが、実際の粒界曲線は枝
分かれしたり合流したりして複雑な形状となっている。
しかし、ＰｊＶは次式で表され、容易に計算できる。ＰｊＶ＝ΔＮ＝ΔΣｎｉ，（ｉ＝１〜ｖ） ……（７）

【００２６】上述の説明は、水平方向の平均粒径につい
て述べたが、垂直方向の平均粒径についても同様に算出
することができる。この場合、走査線は垂直方向とし、
垂直方向の走査線数をｈ，その間隔をΔ′とすれば次式
が成り立つ。垂直方向平均粒径ＶＤｍ＝Ｆａ／ＰｊＨ ……（８）ＰｊＨ＝Δ′Ｎ＝Δ′Σｎｉ，（ｉ＝１〜ｈ） ……（９）ここでＦａは（６）式と同じくＶＨで表され画像の全面
積を表し、ｎｉはｉ番目の垂直方向の走査線における粒
界との交点数である。

【００２７】以上のようにして求めた水平方向平均粒径
ＨＤｍと垂直方向平均粒径ＶＤｍとの相加平均をとるこ
とにより、全体平均粒径ＧＤｍを得ることができる。ＧＤｍ＝（ＨＤｍ＋ＶＤｍ）／２ ……（１０）

【００２８】（６）式、（８）式で表される粒径は、粒
界の面積を考慮していない。つまり、これらの式から算
出された平均粒径は粒界の幅を含めた粒径となってい
る。

【００２９】金属組織には異物が混入することが多い。
これらの異物は粒界に沿って混入することが多く、異物
としては非金属介在物とかフェライト内のパーライトな
どがある。これらの異物は、２値画像に粒界と同じよう
に現れ、粒界が黒の時は黒く、地が黒で粒界が白の時は
白く現れる。図５は異物が混入した平均粒径の算出方法
を説明する図である。同図においてＱ１〜Ｑ３は異物で
あり、この存在により結晶粒の大きさが小さくなる。粒
径もそれに応じて小さくなるため、これら異物Ｑ１〜Ｑ
３の面積を結晶粒から除く。このような異物の混入の外
にＱ４に示すように本来Ｐ１で交差する粒界が途切れる
場合もある。この場合平均粒径が大きく算出される。

【００３０】図５の（ａ）は、粒界の途切れや異物の混
入がない場合の走査線ｉ上の白黒画素の濃度レベルを示
し、白画素より黒画素への立ち下がり（または黒画素よ
り白画素への立ち上がり）で粒界の交点を検出する方法
を示す。（ｂ）は粒界の途切れと異物の混入が生じたと
きの白黒レベルを示す。Ｑ１では立ち下がり位置は変化
せず、Ｑ２で立ち下がり位置が変化する。しかし、いず
れも交差数は（ａ）と同じである。Ｑ３の場合、交差点
Ｐ５′が増加し、Ｑ４で交差点Ｐ１が消滅している。こ
のようにＱ３，Ｑ４のように対で現れる場合は平均粒径
への影響は互いに相反する方向なので、影響が少なくな
るが、対でない場合は誤差となる。図６は結晶粒界の途
切れ部分の多い結晶像を例示する図である。このように
途切れが多くなると平均粒径の算出に影響が出てくる。
しかし、平均粒径測定の目的は強度特性の概略評価にあ
るので図５や図６に示すような粒界像の途切れによる誤
差は実用上影響ない。

【００３１】異物が混入された場合、全ての粒界の面積
と異物の面積との合計面積ｑを全画像面積Ｆａから差し
引くことにより、水平方向平均粒径、垂直方向平均粒径
を次のように修正する。水平方向平均粒径ＨＤｍ＝（Ｆａ−ｑ）／ＰｊＶ ……（１１）垂直方向平均粒径ＶＤｍ＝（Ｆａ−ｑ）／ＰｊＨ ……（１２）

【００３２】図７は異物が粒界に混在する場合の一例を
示す図である。結晶内に発生する異物２２もあるが、大
部分の異物２２は粒界２１に発生する。粒界２１には途
切れ２３も発生する。なお、異物２２に記入された破線
は後述する収縮処理をしたときの異物２２の収縮範囲を
示したものである。

【００３３】（１１）式，（１２）式において、粒界の
面積と異物の面積の合計面積ｑを用いるのは、図７に示
すように２値画像では粒界２１と異物２２は共に黒とし
て表されるので、黒の面積を積算するためである。しか
し、異物の影響を正確に表すためには異物だけの面積
ｑ′を求める必要がある。この場合粒界は面積のない線
だけの存在として評価することになる。異物だけの面積
ｑ′を求める方法として、粒界２１と異物２２の濃度の
差を利用する。結晶組織の濃淡画像において、粒界２１
は異物よりも白に近いので、しきい値を粒界２１と異物
２２の濃度レベルの中間にして２値画像を作成すると、
粒界２１を除いた異物２２だけを表す黒画像を得ること
ができる。この黒画像の面積を積算することにより異物
だけの面積ｑ′を得ることができる。

【００３４】このようにして粒界の影響を除いた異物だ
けの面積をｑ′とすると（１１），（１２）式は次のよ
うになる。水平方向平均粒径ＨＤｍ＝（Ｆａ−ｑ′）／ＰｊＶ ……（１３）垂直方向平均粒径ＶＤｍ＝（Ｆａ−ｑ′）／ＰｊＨ ……（１４）

【００３５】なお、異物だけの面積ｑ′を近似的に算出
する方法として収縮処理により粒界を消去させる方法が
ある。図７を用いて、この方法を説明すると、２値画像
で黒く表示される粒界２１と異物２２に対して収縮処理
を行い、外周から収縮して粒界２１が消滅した時で収縮
処理を停止する。このようにすると、粒界２１は消滅す
るが、異物２２の周囲も破線で示すように粒界２１の幅
の半分の幅まで収縮するので、異物２２の面積も小さく
なる。この異物２２の面積の積算値を異物のみの面積
ｑ′の近似値として用いる。この方法は粒界の幅が狭い
時は、異物２２の面積の収縮量も少なくなり有効な方法
である。

【００３６】上述した実施例では、地を白、粒界、非金
属介在物などの異物を黒として説明したが、白黒反転処
理は容易に行えるので、地を黒、粒界を白とする場合も
同様に実施することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は画像の全面積を垂直または水平投影長で割ることによ
り、水平方向平均粒径または垂直方向平均粒径を容易に
算出することができる。また、異物などが混入している
場合にも、この修正を容易に行うことができる。粒径の
測定は概略の粒径を速やかに行うことが目的であり、現
実の結晶粒の像でしばしば見られる粒界像が途切れた像
についても実用上の誤差を許容すれば速やかに測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例を実施する装置の構成を示すブロック
図である。

【図２】粒界の平均粒径を算出する説明図である。

【図３】垂直方向および水平方向投影長を説明する図で
ある。

【図４】投影長により平均粒径を算出する一例を示す図
である。

【図５】異物が混入した時の粒径を算出する場合の説明
図である。

【図６】結晶粒界の途切れ部分の多い結晶像を例示する
図である。

【図７】異物が粒界に混在する状況および粒界の途切れ
状況の一例を示す図である。

【符号の説明】

１顕微鏡６ＣＰＵ７画像プロセッサ８濃淡画像メモリ９２値化メモリ１０ＸＹオートステージドライバ１１オートフォーカスドライバ１４ＣＲＴ１６撮像装置１７ステージ１８平面移動機構１９垂直移動機構２１粒界２２異物２３途切れ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定倍率に拡大された所定領域の結晶組
織を撮像して結晶組織画像とし、この結晶組織画像の各
走査線が粒界と交差する交差数ｎを求め、さらに各走査
線の交差数ｎを全走査線について加算して全交差数Ｎを
求め、前記結晶組織画像の全画像面積を全交差数Ｎに走
査線間隔を乗じた値で割った値より平均粒径を求める方
法であって、前記結晶組織画像に異物が含まれる場合、
この結晶組織画像より全ての異物を表す異物画像面積を
求め、前記結晶組織画像の全画像面積より前記異物画像
面積を差し引いた画像面積を前記全交差数Ｎに走査線間
隔を乗じた値で割った値を平均粒径とすることを特徴と
する画像による平均粒径計測方法。
【請求項２】前記結晶組織画像より、しきい値を選定
して粒界を消去し異物のみを表示する２値画像を作成
し、この２値画像より全ての異物の画像面積を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の画像による平均粒径計
測方法。
【請求項３】前記結晶組織画像より２値画像を生成
し、この２値画像について収縮処理をし、粒界を消去し
た時点で収縮処理を停止し、この状態で残った全ての異
物の画像面積を算出することを特徴とする請求項１記載
の画像による平均粒径計測方法。