0 引言

图像面积百分比测量属于体视学的范畴，最常用的方法之一是图像分析仪法。测量的主要原理是体视学互换公式，可以通过测量二维截面上某对象的面积比例来推算该被测对象在整个体积中的三维比例。该技术已经在图像识别、冶金学、矿物学、医学等各领域有较广泛的应用，特别是近些年随着计算机技术的飞速发展，其应用的场合越来越多，也成为人工智能图像识别技术发展的基础之一[1-5]。

在材料检测技术领域中，面积百分比测量也有非常广泛的应用[6]。典型应用如测量球墨铸铁中的石墨球含量[7]，正火钢中的珠光体、铁素体和奥氏体钢中的铁素体含量等等。研究者也开始探索更多的应用场合，如用图像定量分析表征钛合金显微组织特点[8]。国家标准《GB/T 定量金相检测方法》中给出了图像分析仪测定面积百分比的基本方法和通用要求。面积百分比测量结果往往是判定材料质量、表征材料组织特点的重要手段。如单晶和定向凝固高温合金一般要求测得的疏松和残余共晶不大于一定的比例。研究表明，疏松类孔洞为单晶高温合金持久断裂的主要裂纹源[9]，而残余共晶含量是衡量偏析消除程度的方法[10]，其含量降低有利于力学性能提高[11]。另外，FGH96合金中测定碳化物的数量比例也是评价合金热处理制度的有效途径[12]。因此，测量方法的选择和结果的准确性就显得关键。

目前关于面积百分比测量，国家标准《GB/T 定量金相检测方法》中给出了测量参数选择的基本原则，即“放大倍数的选择应以清晰地分辨待测物相的形貌和边界为准，在此基础上，选择较低倍数”，对于某些常见面积百分比测量如疏松，部分标准对于视场选择和放大倍数也进行了规定。但一方面，上述标准和规定并未对测量结果的误差进行评估；另一方面，测量对象和新工艺的不断出现，被测对象的尺寸、分布状态都有所区别，不易制定统一且完全明确的规定。总之，测量结果与人为因素有一定关系，不利于结果的一致性。

本研究以CMSX?4单晶高温合金铸件疏松和残余共晶为测量对象，结合软件测量过程，分析影响测量结果的主要参数，深入分析各参数对结果产生影响的原因及影响程度。便于分析人员根据不同测量对象、不同场合选择合适的参数，提高面积比测量结果的准确性和一致性。

1 实验对象与过程

实验对象选取CMSX?4单晶高温合金铸件的某一截面，制备金相样品后拍摄抛光态形貌，采用5 g CuCl2+5 g FeCl3+100 mL HCl+20 mL HNO3+80 mL H2O腐蚀剂腐蚀试样后拍摄腐蚀态形貌，金相显微镜型号为ZEISS Imager Pro M2m。并使用Pro-Imaging软件测量疏松百分比和残余共晶百分比。

图像分析仪测定面积百分比的主要流程如图1a所示。一般采用显微镜按规范要求获取一定范围/视场数的金相照片，并按需对图像进行去噪、锐化等处理，在软件中选择测量对象阈值进行二值化处理，获得灰度图片。选择测量对象对应的色彩范围，如图1b给出的色彩范围选择示意，灰度曲线最左侧为0代表黑色、最右侧为255代表白色。当被测对象为图片的黑色部分如疏松时，选择（0～色彩阈值）的范围代表被测对象；同理，当被测对象为图片白色部分如腐蚀后呈白色的残余共晶时，选择(色彩阈值～255)的范围代表被测对象。最后按需去除不属于测量对象的假象，用软件统计范围内的像素数与总体像素数的比例，得到面积比测量结果。

图1 面积百分比的测量过程及色彩阈值选择Fig.1 Procedure of area percentage measurement and choice of color thresholds

根据测量过程，可能影响测量结果的为视场选取及统计方法，图像色彩设定，放大倍数，图像处理方法，色彩阈值选取等，假象的去除等步骤。本研究考虑的因素及其原因如下：

1）视场选取和统计方法选择主要根据被测对象影响性能的机理，采用最恶劣的几个视场或随机视场平均值等方法。可以认为视场选取过程带来的误差与对选定视场后的测量误差相互独立，本研究主要评估选定视场后的测量误差。

2）图片色彩设定：不考虑。目前自动曝光、自动白平衡技术[13]已较为成熟并应用于显微镜成像系统，图像色彩设定受人为因素影响相对可控，且本研究通过色彩阈值的选取间接覆盖图像色彩设定的偏差。

3）图片放大倍数：考虑。因为对于同一种测量对象，不同人员根据“清晰地分辨待测物相的形貌和边界”这一原则而实际选择的放大倍数可能不同。

4）图像处理：不考虑。图像处理主要目的在于提高图像质量便于后续操作，但不同测量对象的图像处理方法有所不同，且一般而言用显微镜拍摄的单晶高温合金疏松和残余共晶不需要进行特殊的图像处理。