一种晶界二维氦气泡阵列的有序度分析方法

本发明涉及材料显微图像处理的，具体涉及一种晶界二维氦气泡阵列的有序度分析方法，其依据晶界局部几何建立曲线坐标，测量晶界二维氦气泡阵列的链内间距、链间距和缺失气泡数量，并评估其有序程度。

背景技术：

1、在氦离子辐照材料中，晶界可成为氦气泡形核和长大的位置。晶界气泡的长大与合并可能形成较大的空腔，削弱晶界结合，并影响材料的辐照损伤行为。因此，对晶界气泡的尺寸、数量及空间分布进行定量表征，是研究其形成与演变的重要基础。

2、透射电子显微图像中的气泡通常采用尺寸、数密度、面密度和最近邻距离等参数进行表征。这些参数可描述气泡的尺度、数量及疏密程度，但难以充分反映多个气泡之间的排列特征。

3、晶界在显微图像中可呈倾斜或弯曲形态，气泡分布也可能存在局部不连续和疏密变化。在此情况下，采用固定方向或局部人工选点进行间距测量时，测量结果容易受到区域选择和测量方向的影响，不同位置的结果难以直接比较。因此，需要提高晶界气泡间距测量的一致性，并对其排列程度进行定量评价。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种晶界二维氦气泡阵列的有序度分析方法，通过建立随晶界延伸方向变化的曲线坐标，用沿中心线的弧长方向和局部法向方向表示气泡位置，并明确气泡链识别、链内间距和链间距测量、缺失气泡计数、有序度计算及规则性判定。

2、本发明所述的二维氦气泡阵列，指显微图像所显示的晶界分析区域内，多个氦气泡中心在图像平面内形成的二维位置分布。

3、本发明的技术方案包括：

4、一种晶界二维氦气泡阵列的有序度分析方法，其包括以下步骤：

5、s1、获取含有晶界及氦气泡阵列的材料显微图像，从显微图像中提取待分析晶界区域以及位于晶界区域内的各氦气泡数据；

6、s2、根据所述晶界区域建立以弧长为参数的连续中心线，确定所述连续中心线的局部切向和局部法向；将每一氦气泡中心投影至所述连续中心线，获得该氦气泡的曲线坐标，包括弧长坐标和带符号法向坐标；

7、s3、基于各氦气泡在曲线坐标中的分布，采用气泡链轨迹拟合法或候选方向搜索法确定多个气泡链；测量同一气泡链上相邻氦气泡的链内间距和相邻气泡链的链间距，并根据链内间距的基本周期确定缺失气泡数量；所述基本周期是将多个链内间距分别按照其包含的整数周期数折算为单周期间距，并对折算得到的单周期间距进行多次迭代更新后确定的链内基准间距；

8、s4、根据氦气泡邻域位置关系计算空间有序度，根据链内间距、链间距、氦气泡相对气泡链的偏离程度、缺失校正连续程度和方向平滑程度计算气泡链阵列有序度；将所得测量参数和有序度与相应判定条件比较，获得规则气泡链排列条件的判定结果。

9、所述气泡链指根据氦气泡中心之间的位置关系确定、沿一定方向延伸的一组氦气泡。气泡链的延伸方向依测量方法而定：采用气泡链轨迹拟合法时，气泡链在各位置处的延伸方向取该处拟合轨迹的局部切向；采用候选方向搜索法时，气泡链的延伸方向取所选定的候选轴向。横跨气泡链方向取为气泡链延伸方向的垂直方向，其中气泡链轨迹拟合法对应拟合轨迹的法向，候选方向搜索法对应候选轴向的垂直方向。

10、可选地，建立所述连续中心线包括：将所述晶界区域表示为二值掩膜，对所述二值掩膜进行骨架化处理并提取贯穿晶界区域的候选主路径；以所述候选主路径在晶界主轴方向上的投影跨度与晶界区域在同一方向上的投影跨度之比作为路径覆盖率；当路径覆盖率不低于0.70时，对候选主路径进行重采样和平滑得到所述连续中心线；当路径覆盖率低于0.70或候选主路径计算失败时，根据垂直于晶界主轴的多个截面内晶界区域的中点拟合备用中心线作为所述连续中心线；

11、按弧长对所述连续中心线参数化，并根据所述连续中心线的一阶导数和二阶导数确定所述局部切向、局部法向以及曲率。

12、可选地，获得所述曲线坐标包括：沿所述连续中心线设置采样点，确定与待投影氦气泡中心距离最近的采样点，并在该采样点邻域内确定所述氦气泡中心至连续中心线距离最小的投影点；将所述投影点对应的连续中心线弧长作为所述弧长坐标，将所述氦气泡中心相对所述投影点的偏移向量在投影点局部法向上的投影作为所述带符号法向坐标。

13、可选地，所述气泡链轨迹拟合法包括：根据各所述氦气泡中心相对于所述连续中心线的法向位置及沿晶界方向的连续分布对多个所述氦气泡进行分组，对各组氦气泡拟合气泡链轨迹；将同一气泡链上相邻氦气泡之间沿拟合轨迹的弧长作为所述链内间距；在相邻气泡链的共同弧长区间内，沿两条气泡链轨迹的平均轨迹局部法线方向确定所述链间距。

14、可选地，所述候选方向搜索法包括：将各所述氦气泡中心分别投影至多个候选方向及其垂直方向，根据垂直投影坐标对多个所述氦气泡进行分组；根据组内间距有序程度、组间间距有序程度、组内气泡偏离程度和缺失校正连续程度计算各候选方向的评分，并根据所述评分确定气泡链延伸方向；将同一气泡链上相邻氦气泡沿所述气泡链延伸方向的投影坐标差作为所述链内间距，将相邻气泡链的垂直投影位置之差作为所述链间距。

15、可选地，确定所述缺失气泡数量包括：以多个所述链内间距的中位数作为链内基本周期初始值，将每一链内间距按当前链内基本周期进行分解得到该链内间距包含的周期数；以链内间距除以相应周期数所得归一化间距的中位数更新链内基本周期，重复多次迭代；根据迭代结束后的链内基本周期重新确定各链内间距的周期数，并将满足预设归一化间距范围的各链内间距所对应周期数减1后求和，得到所述缺失气泡数量。

16、可选地，所述空间有序度根据相邻氦气泡连线方向的一致程度、最近邻距离的均匀程度和局部密度的均匀程度确定，并采用位于所述晶界区域内的随机点分布进行基准校正。

17、可选地，分别计算用于表示所述链内间距的有序程度的链内间距有序分量、用于表示所述链间距的有序程度的链间距有序分量、用于表示所述氦气泡相对气泡链的偏离程度的链内拟合或聚集分量、用于表示所述缺失校正连续程度的缺失校正连续性分量和用于表示所述方向平滑程度的最终方向分量；对各分量进行加权求和，得到所述气泡链阵列有序度。

18、可选地，还包括计算局部辅助有序度，包括：

19、沿所述连续中心线的弧长方向设置多个局部窗口；

20、针对任一局部窗口，分别统计落入该窗口内的有效链内间距数量和有效链间距数量；

21、当统计的数量不小于预设数量时，重新计算对应的局部链内间距有序分量或局部链间距有序分量；当统计的数量小于预设数量时，采用对应的全局链内间距有序分量或全局链间距有序分量；

22、将所得局部链内间距有序分量和局部链间距有序分量，与所述链内拟合或聚集分量、缺失校正连续性分量和最终方向分量加权求和，得到所述局部辅助有序度。

23、可选地，所述测量参数包括气泡链数量、有效链内间距数量、有效链间距数量、气泡链覆盖率及间距尺度。

24、可选地，所述显微图像为氦离子辐照材料的透射电子显微图像或扫描透射电子显微图像，所述氦气泡数据包括所述氦气泡中心的图像坐标以及氦气泡尺寸。所述气泡链覆盖率为归入有效气泡链的氦气泡数量与参与分析的氦气泡总数之比；所述间距尺度为用于判断链内平均间距和链间平均间距是否合理的参考范围，其中，为参与分析的各氦气泡的最近邻距离的中位值，所述参考范围为至。

25、其中，所述链内拟合或聚集分量表征气泡中心围绕气泡链的集中程度。采用气泡链轨迹拟合法时，根据气泡中心相对拟合轨迹的残差计算稳健偏离程度；采用候选方向搜索法时，根据同一气泡链内气泡中心在候选方向垂直方向上的投影坐标计算稳健离散程度。将所得偏离或离散程度按链间距和最近邻距离确定的长度尺度归一化，再结合气泡链覆盖率计算该分量。气泡链覆盖率为归入有效气泡链的气泡数量与参与分析的气泡总数之比。其他条件相同时，气泡中心相对气泡链的偏离越小，该分量越大；覆盖率不足时，该分量相应降低。

26、所述缺失校正连续程度表征计入估计缺失气泡后的气泡链连续程度。根据链内原始间距与基本周期的倍数关系估计缺失气泡数量，以入链气泡数量占入链气泡数量与估计缺失气泡数量之和的比例，作为缺失校正连续性分量，即。其中，为归入有效气泡链的气泡数量，为根据基本周期估计的缺失气泡数量。分母大于零时计算该分量，其值越接近1，表示按基本周期估计的缺失程度越低。

27、所述方向平滑程度表征气泡链延伸方向随位置变化的平滑程度。采用气泡链轨迹拟合法时，以拟合轨迹在各采样位置的局部切向确定气泡链轴向方向；采用候选方向搜索法时，以各局部窗口内选定的候选方向确定局部轴向方向。对轴向方向进行连续展开，按相应方法形成方向序列，并根据该序列二阶差分的均方根计算局部方向平滑性分量。均方根越小，表示方向变化越平滑，该分量越大。采用候选方向搜索法且未采用有效人工标注方向线时，根据自动搜索方向对比度和最优候选方向评分计算方向判别分量，并以方向判别分量与局部方向平滑性分量的乘积作为最终方向分量；采用有效人工标注方向线的候选方向搜索法或气泡链轨迹拟合法时，最终方向分量取局部方向平滑性分量。

28、所述链内间距有序分量和链间距有序分量通过以下方法计算：

29、针对链内间距和链间距，分别基于各间距值及其对应的位置建立局部变化趋势，所述局部变化趋势用于表征间距值沿晶界弧长方向的连续变化；

30、根据所述局部变化趋势，计算各间距值对应的相对间距残差；

31、基于所述相对间距残差，计算稳健离散度，所述稳健离散度用于表征去除所述局部变化趋势后的无规则波动程度；

32、根据所述稳健离散度，按照预设的归一化映射关系确定所述链内间距有序分量和所述链间距有序分量。

33、本发明具有以下有益效果：

34、相对于固定图像坐标测量，随晶界延伸方向变化的曲线坐标为直线、倾斜和连续弯曲晶界提供一致的局部测量方向，消除了晶界曲率和投影方向的影响，保证链内间距、链间距等测量结果在全局上具有一致的几何定义。本方法将晶界二维氦气泡阵列的间距测量、排列特征分析与总体有序度评价相结合，可用于比较不同晶界位置、材料成分及辐照条件下的气泡阵列，为研究晶界气泡的形成与演变、分析微观组织与辐照性能的关系提供定量表征手段。