Automated detection of grain boundaries (GBs) in electron microscope images of polycrystalline materials could help accelerate the nanoscale characterization of myriad engineering materials and novel materials under scientific research. Accurate segmentation of interconnected line networks, such as GBs in polycrystalline material microstructures, poses a significant challenge due to the fragmented masks produced by conventional computer vision (CV) algorithms, including convolutional neural networks. These algorithms struggle with thin masks, often necessitating post-processing for effective contour closure and continuity. Previous approaches in this domain have typically relied on custom post-processing techniques that are problem-specific and heavily dependent on the quality of the mask obtained from a CV algorithm. Addressing this issue, this paper introduces a fast, high-fidelity post-processing technique that is universally applicable to segmentation masks of interconnected line networks. Leveraging domain knowledge about grain boundary connectivity, this method employs conditional random fields and perceptual grouping rules to refine segmentation masks of any image with a discernible grain structure. This approach significantly enhances segmentation mask accuracy by correctly reconstructing fragmented GBs in electron microscopy images of a polycrystalline oxide. The refinement improves the statistical representation of the microstructure, reflected by a 51 % improvement in a grain alignment metric that provides a more physically meaningful assessment of complex microstructures than conventional metrics. This method enables rapid and accurate characterization, facilitating an unprecedented level of data analysis and improving the understanding of GB networks, making it suitable for a range of disciplines where precise segmentation of interconnected line networks is essential.


翻译:在多晶材料的电子显微镜图像中自动检测晶界(GBs)有助于加速对众多工程材料及科学研究中新型材料的纳米尺度表征。由于传统计算机视觉(CV)算法(包括卷积神经网络)生成的掩码通常呈现碎片化,对晶界等多晶材料微观结构中的互连线网络进行精确分割面临重大挑战。这些算法在处理细薄掩码时表现不佳,往往需要后处理以实现有效的轮廓闭合与连续性。该领域先前的方法通常依赖于针对特定问题定制的后处理技术,且高度依赖于从CV算法获得的掩码质量。为解决这一问题,本文提出了一种快速、高保真度的后处理技术,可普遍适用于互连线网络的分割掩码。该方法利用晶界连通性的领域知识,结合条件随机场与感知分组规则,对任何具有可辨识晶粒结构的图像分割掩码进行优化。通过对多晶氧化物电子显微镜图像中碎片化晶界的准确重建,该方法显著提升了分割掩码的精度。优化后的结果改善了微观结构的统计表征,具体体现在晶粒取向度量指标提升了51%,该指标相比传统度量方法能对复杂微观结构提供更具物理意义的评估。本方法实现了快速精确的表征,促进了前所未有的数据分析水平,增强了对晶界网络的理解,适用于一切需要精确分割互连线网络的多学科领域。

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