透射電鏡高分辨圖像頻域濾波系統(tǒng)設(shè)計

馬曉麗， 劉 禮

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.永大電梯設(shè)備（中國）有限公司，上海 201615）

0 引 言

透射電子顯微鏡（TEM）是材料微觀組織與結(jié)構(gòu)表征的重要工具，其中高分辨像可直接觀察物質(zhì)的原子排列［1-3］。一般透射電鏡軟件具備高分辨像傅里葉變換和反傅里葉變換的基本功能，其主要用于研究材料的微晶結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和界面結(jié)構(gòu)等，其中文獻［4-8］中對電鏡的圖像處理算法進行了研究和報道，文獻［9-12］中對電鏡微觀組織圖像處理的定量實驗表征進行了深入分析。上海交通大學(xué)材料學(xué)院公共平臺的場發(fā)射透射電鏡JEM2100F的圖像處理軟件缺少傅里葉變換和反傅里葉變換過程中的頻域濾波功能，有時會出現(xiàn)拍攝圖片噪聲較大而影響實驗分析結(jié)果，目前面臨的問題是現(xiàn)有圖像處理軟件功能需要完善，而國內(nèi)透射電鏡及附件主要依靠進口。因此，為了節(jié)約設(shè)備購置成本和優(yōu)化設(shè)備資源，本文擬在原有透射電鏡軟件的功能基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件的圖像處理可視化編程功能［13-15］，建立透射電鏡高分辨圖像頻域濾波系統(tǒng)，研究不同頻域濾波方法對高分辨圖像質(zhì)量的影響，目的是解析和拓展現(xiàn)有透射電鏡圖像處理軟件功能，以提高測試與分析效率。

1 高分辨圖像采集與頻域濾波設(shè)計方案

根據(jù)相位襯度成像原理，電子束平行入射與樣品發(fā)生作用，使衍射波與透射波發(fā)生干涉而導(dǎo)致振幅增加或減少，從而發(fā)生圖像強度的變化即為高分辨像。本文參照標(biāo)準(zhǔn)《JY／T 0581—2020透射電子顯微鏡分析方法通則》，用JEM2100F場發(fā)射透射電鏡，在加速電壓200 kV，環(huán)境溫度22℃，濕度40%的條件下拍攝并采集得到如圖1所示硅單晶高分辨像。

圖1 單晶硅的高分辨圖像

高分辨像經(jīng)過傅里葉變換可以得到反映晶體周期結(jié)構(gòu)的衍射倒易點陣圖像，反傅里葉變換又可使衍射圖像轉(zhuǎn)換為原來的像空間圖像。在傅里葉變換和反傅里葉變換過程中，改進圖像處理算法及頻域濾波，減小圖像背底噪聲，從而改善圖像質(zhì)量。本文擬用LabVIEW軟件Ni Vision圖像處理的模塊化編程功能，針對單晶硅高分辨圖像的頻域特性，對傅里葉變換圖像選擇低通、高通、帶通、帶阻和陷波濾波器，傳遞函數(shù)選擇常用的理想、巴特沃斯和高斯類型，對比不同頻域濾波方法對高分辨圖像質(zhì)量的影響，從而建立高分辨圖像的頻域濾波系統(tǒng)，如圖2所示為高分辨圖像頻域濾波過程框架圖。圖3為透射電鏡高分辨頻域濾波系統(tǒng)顯示界面，對傅里葉變換后的圖像采用不同的頻域濾波處理，將直接影響反傅里葉變換的圖像處理結(jié)果。

圖2 高分辨圖像頻域濾波過程框架圖

圖3 高分辨頻域濾波系統(tǒng)顯示界面

2 基于LabVIEW的高分辨圖像頻域濾波系統(tǒng)設(shè)計

2.1 低通濾波和高通濾波

高分辨圖像中，邊緣、紋理、細節(jié)以及噪聲的灰度表現(xiàn)為高頻分量，而圖像變換緩慢的灰度表現(xiàn)為低頻分量。選擇低通濾波器用來平滑圖像的高頻特征，圖4所示為利用LabVIEW軟件圖像處理可視化編程模塊，得到的單晶硅高分辨圖像的低通濾波結(jié)果：巴特沃斯低通濾波后的圖像模糊程度、噪聲平滑效果介于理想低通濾波和高斯低通濾波之間；高斯低通濾波方法可以在有效抑制噪聲的前提下，較大程度地減小圖像模糊程度；理想低通濾波處理的高分辨圖像非常模糊，且含有很嚴(yán)重的振鈴現(xiàn)象，但噪聲平滑效果較好。對比3種低通濾波形式可知，選擇高通濾波器可用來銳化圖像并突出圖像細節(jié)，圖5所示為單晶硅高分辨像的高通濾波結(jié)果。由圖像處理結(jié)果可知，3種高通濾波形式均突出了圖像細節(jié)，圖像銳化效果較好，且理想高通濾波較好地保留了圖像邊緣細節(jié)。

圖5 單晶硅高分辨圖像高通濾波圖

2.2 帶阻濾波和帶通濾波

帶阻濾波是將低通和高通濾波器分別對原圖像疊加，且低通濾波器的截止頻率小于高通濾波器的截止頻率，使某一下限和上限的截止頻率范圍信號衰減，且允許低于下限和高于上限截止頻率信號通過，這種濾波疊加形式類似于并聯(lián)。圖6為單晶硅高分辨像的帶阻濾波結(jié)果，可以看到，帶阻濾波器濾除了傅里葉變換圖像的環(huán)形區(qū)域內(nèi)噪聲，但缺點是在濾除噪聲的同時把圖像中其他有用信息亦濾除，這樣使高分辨圖像信息造成一定程度的缺失。對比濾波結(jié)果可知：巴特沃斯帶阻濾波器在抑制噪聲的同時減小了圖像模糊程度；而高斯帶阻濾波器處理的圖像更為模糊，出現(xiàn)了振鈴現(xiàn)象，但對噪聲平滑效果相對前兩者較好；理想帶阻濾波器圖像模糊程度最低，但對噪聲的平滑效果最差。

圖6 單晶硅高分辨圖像帶阻濾波圖

帶通濾波是將低通和高通濾波器對圖像連續(xù)濾波，且低通濾波器的截止頻率大于高通濾波器的截止頻率，使某一下限和上限截止頻率范圍內(nèi)的信號通過，但使低于下限截止頻率和高于上限截止頻率的信號衰減，這種濾波形式類似于串聯(lián)。圖7為單晶硅高分辨像的帶通濾波結(jié)果，從圖6和圖7頻域濾波圖像結(jié)果可知，帶通濾波器與帶阻濾波器功能相反。三種濾波形式中，理想帶通濾波圖像邊緣有抖動現(xiàn)象發(fā)生，銳化效果一般；而巴特沃斯帶通濾波和高斯帶通濾波后的圖像邊緣抖動較輕，圖像銳化效果均較好且差別不大。

圖7 單晶硅高分辨圖像帶通濾波圖

2.3 陷波帶通和帶阻濾波

陷波濾波器可以使某一頻率點為中心的頻域內(nèi)信號通過或衰減，這樣可克服帶阻濾波器的缺點，在濾除周期性噪聲的同時，又可以保留圖像的有用信息。陷波濾波器必須以原點對稱的形式出現(xiàn)，以滿足傅里葉變換的對稱性特點。依據(jù)單晶硅高分辨像傅里葉變換得到衍射斑點的對稱性，采用陷波帶通濾波器，可實現(xiàn)高分辨像的柵線條紋提取。在頻域濾波中，確定傅里葉變換后對稱衍射斑點的坐標(biāo)值以及遮罩衍射斑點直徑，即得到各個方向的柵線條紋圖像，如圖8所示。

圖8 單晶硅高分辨像理想陷波帶通濾波圖

圖9所示為單晶硅高分辨像的理想陷波帶阻濾波結(jié)果，與帶通濾波和帶阻濾波處理結(jié)果類似地，陷波帶阻濾波器功能與陷波帶通濾波器功能恰好相反，頻域濾波結(jié)果為濾除特定方向的對稱衍射斑點，經(jīng)反傅里葉變換后得到對應(yīng)的像空間圖像。

圖9 單晶硅高分辨像理想陷波帶阻濾波圖

3 結(jié) 語

本文建立和完善了透射電鏡高分辨圖像頻域濾波系統(tǒng)，并通過實驗得到如下結(jié)果：

（1）相對于理想低通濾波和巴特沃斯低通濾波，高斯低通濾波可以在抑制噪聲和減小圖像模糊程度中達到較好的平衡；

（2）3種高通濾波形式均可突出圖像細節(jié)，圖像銳化效果較好，且理想高通濾波更保留了圖像邊緣細節(jié)；

（3）理想帶阻濾波、巴特沃斯帶阻濾波、高斯帶阻濾波的圖像平滑效果依次增強，但高斯帶阻濾波的圖像出現(xiàn)了振鈴現(xiàn)象；

（4）理想帶通濾波使圖像發(fā)生嚴(yán)重抖動，而巴特沃斯帶通濾波和高斯帶通濾波的圖像銳化效果相對較好；

（5）陷波帶通濾波器可實現(xiàn)特定方向的柵線條紋提取，陷波帶阻濾波則可實現(xiàn)濾除特定方向的對稱衍射斑點，以得到對應(yīng)的像空間圖像。

高分辨圖像頻域濾波系統(tǒng)的建立，解析和拓展了現(xiàn)有透射電鏡軟件功能，用戶可以選擇合適的濾波器和濾波類型，從而達到不同的圖像處理和分析目的。