技术摘要：
本发明属于图像处理及材料表面拓扑结构分析技术领域，公开了一种材料表面拓扑结构分级定量分析方法及应用，通过图像处理技术获取扫描电镜高分辨图像中像素点的灰度值信息，通过分析图像中各个像素点的灰度特征就可以对样品的表面形貌进行多尺度的定量分析及不同尺度下  全部
背景技术：
基于现有的表征手段，多尺度复杂表面结构特征的表征描述过于笼统和抽象，如 电子扫描显微图像描述性的表征，如微米孔洞，不规则火山口样等，直观但不能定量。而粗 糙度分析仪和拓扑形貌分析仪，都能给出定量的结果，但是，这些结果都是复杂表面各个尺 度结构的平均值，因此，从结果上看存在大尺度结构如微米尺度结构特征掩盖小尺度如亚 微米尺度和纳米尺度特征，这不能真实反映多尺度表面的复杂结构特征，更不能精确定量 反映亚微米尺度和纳米尺度的结构特征。 由于缺乏定量的、数字化的、精确的分析方法，使得复杂表面的重复性制备和结构 稳定性检测成为一种依赖于经验的工作，而且不同研究之间的结果无法直接进行比较。不 仅如此，缺少定量化的复杂表面分析方法，亦使得从简单表面到复杂表面的制备过程中的 表面演化规律不为人知，而且依赖于复杂表面结构精确认识的表面结构-功能之间的关系 亦完全不可认知，如不同尺度的结构如何组合才能获得最佳表面，这些仍是未知。可见，复 杂结构材料表面定量分析方法的缺乏大大制约多尺度复杂结构表面及其相关领域的发展。 因此，针对复杂表面拓扑结构，十分必要发展一种可以对多尺度复杂表面每个尺度上的结 构特征进行精确定量表征的多尺度表面分析方法，根据每个尺度上的定量化结构特征，才 能精确描述和表征多尺度复杂表面。目前，尚无这样的技术。 通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术无法实现根据每个尺度 上的定量化结构特征精确描述和表征多尺度复杂表面。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种材料表面拓扑结构分级定量分析方 法及应用。 本发明是这样实现的，使用扫描电子显微镜提供的高质量图像，扫描电镜电子枪 发射一束电子，打在样品表面，产生信号，接收器接收信号，并同过处理后，作为视频信号去 调制高分辨率显示器的亮度。图像上每一点的亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子 发射强度相对应，样品上各点的形貌差异导致了二次电子发射强度的不同和图像上亮度的 不同。因此，从扫描电镜图像上提取每个像素点的灰度信息，并结合其位置信息，将图像数 字化，用该数字化信息对样品的表面拓扑结构进行分级定量统计分析，实现对样品的表面 形貌进行剖面分析及不同尺度下的表面粗糙度分析，获得定量结果。 进一步，所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法包括以下步骤： 第一步，利用扫描电子显微镜拍摄所研究材料不同放大倍数的高分辨二次电子图 像，这些图像能够充分显示多尺度复杂表面从大尺度到微米尺度和纳米尺度的特征结构； 4 CN 111579572 A 说　明　书 2/5 页 第二步，通过图像处理技术获取第一步中得到的不同尺度的扫描电镜高分辨图像 中像素点的空间位置信息和灰度值信息G(x,y)；逐一对感兴区各个点进行处理得到各个点 以像素为单位的空间位置坐标。 第三步，根据像素点的空间位置信息和灰度值信息，结合扫描电子显微镜拍摄时 所使用的比例尺将像素单位换算成实际长度单位，获得对被研究材料的表面形貌结构信息 的数字化的定量结果，进而进行统计分析，可以获得多尺度表面每个尺度结构特征精确定 量的分析和表征； 第四步，利用扫描电子显微镜拍摄所研究材料不同放大倍数的二次电子图像，实 现对复杂结构材料表面进行不同尺度结构特征的分级定量分析；可以获得复杂表面在不同 尺度上的粗糙度，实现复杂表面的多尺度粗糙度分析。 进一步，所述第二步(x,y)是指扫描电子显微镜图像中所分析的像素点的横纵坐 标，G(x,y)是指该位置像素点在扫描电子显微镜图像中的灰度值，即各个像素点的高度，得 到各个点的空间位置。 本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理 器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器 执行如下步骤：通过图像处理技术获取扫描电镜高分辨图像中像素点的灰度值信息，通过 分析图像中各个像素点的灰度特征对样品的表面形貌进行剖面分析及不同尺度下的表面 粗糙度分析；通过从扫描电镜图像上提取灰度信息数字化，并对信息进行统计分析，获得定 量化统计结果。 本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述 计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：通过图像处理技术获取扫描 电镜高分辨图像中像素点的灰度值信息，通过分析图像中各个像素点的灰度特征对样品的 表面形貌进行剖面分析及不同尺度下的表面粗糙度分析；通过从扫描电镜图像上提取灰度 信息数字化，并对信息进行统计分析，获得定量化统计结果。 本发明的另一目的在于提供一种实施所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法 的材料表面拓扑结构分级定量分析系统，所述材料表面拓扑结构分级定量分析系统包括： 灰度值信息处理模块，用于通过图像处理技术获取扫描电镜高分辨图像中像素点 的灰度值信息； 表面粗糙度分析模块，用于通过分析图像中各个像素点的灰度特征对样品的表面 形貌进行剖面分析及不同尺度下的表面粗糙度分析； 定量化统计结果获得模块，用于通过从扫描电镜图像上提取灰度信息数字化，并 对信息进行统计分析，获得定量化统计结果。 本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在大 规模生产时多尺度复杂结构材料表面结构质量控制中的应用。 本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在大 规模生产时多尺度复杂结构材料表面结构质量控制中的应用。 本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在材 料表面从简单结构到多尺度复杂结构的演化规律测定中的应用。 本发明的另一目的在于提供一种所述材料表面拓扑结构分级定量分析方法在材 5 CN 111579572 A 说　明　书 3/5 页 料表面构效关系检测中的应用。 本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载所述的材料表面拓扑结构分 级定量分析系统。 综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明将扫描电子显微镜提供的定性的 图像信息定量化。通过分析图像中各个像素点的灰度特征就可以对多尺度复杂结构表面进 行每个尺度形貌特征的分级分析，实现对样品的表面形貌不同尺度结构特征的定量分析及 不同尺度下的表面粗糙度分析，减少大尺度结构在常规统计分析方法中对小尺度结构的掩 盖作用。 本发明适用范围广、可操作性强，可以推广到各种材料表面结构信息的定量化分 析中，同时可用材料表面从简单结构到多尺度复杂结构的演化规律研究，也可以应用于普 通扫描电子显微镜高分辨图像分析中，为多尺度微纳加工技术提供定量的观察、验证手段， 为批量生产多尺度微纳结构表面提供定量的质检方法，同时也为多尺度复杂结构表面的构 效关系研究奠定基础。而且，在显微结构研究尤其是在定量化分析方面拓展电子扫描显微 镜的功能。扫描电子显微镜原理上是电子枪发射一束电子，打在样品表面，产生信号，接收 器接收信号，并同过处理后，作为视频信号去调制高分辨率显示器的亮度。图像上这一点的 亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子发射强度相对应，样品表面上各点的形貌差异 导致了二次电子发射强度的不同和图像上亮度的不同。扫描电子显微镜可以提供高质量的 图像，被认为是最佳的表面记录工具，然而，通常这个工具通常只用于表面特征的定性描 述。 实际上，结合扫描电镜图像中像素点的位置信息和扫描电镜图像上提取灰度信 息，对每个像素点赋值，将整个表面图像数字化，然后进行统计分析可以实现对任意表面拓 扑结构特征定量化表征。结合多尺度复杂表面的结构特征，利用不同放大倍数的扫描电镜 图像，可以把每个尺度的特征结构信息定量化抽提出来，从而实现对复杂表面的多尺度定 量表征。 本发明提供一种基于扫描电子显微镜图像的材料表面拓扑结构分级定量分析方 法，能快速对材料表面形貌结构信息进行统计分析，并对多尺度复杂结构表面进行每个尺 度形貌特征的分级定量分析；基于这种方法，可以分析每个尺度上的粗糙度，可以获得复杂 表面在不同尺度上的粗糙度，也就是第一次实现了复杂表面的多尺度粗糙度分析。这种多 尺度分析完全避免了大尺度结构在常规统计分析方法中对小尺度结构的掩盖作用。更为重 要的是，这种分析方法适用于各种类型材料表面分析，可以推广到各种材料表面结构信息 的定量化分析中；同时也可以应用于普通扫描电子显微镜高分辨图像分析中，为多尺度微 纳加工技术提供定量的观察、验证手段；为批量生产多尺度微纳结构表面提供定量的质检 方法；不仅如此，也为多尺度复杂结构表面的构效关系研究奠定基础。 附图说明 图1是本发明实施例提供的材料表面拓扑结构分级定量分析方法的流程图。 图2是本发明实施例提供的材料表面拓扑结构分级定量分析方法的实现流程图。 图3是根据本发明一实施例的扫描电镜图像。 图4是本发明实施例提供的对扫描电镜图像中的特征性水平线性区域进行分析得 6 CN 111579572 A 说　明　书 4/5 页 到的剖面图。 图5是本发明实施例提供的使用的两个微纳复合结构表面(表面2和表面3)纳米尺 度间距的示意图。 图6是本发明实施例提供的使用的两个微纳复合结构表面(表面2和表面3)纳米尺 度分布的统计图。 图7是本发明实施例提供的使用的扫描电子显微镜图像表面多尺度粗糙度Ra分 析。 图8是根据本发明一实施例的3D激光扫描电子显微镜粗糙度分析。