Разработка системы компьютерного зрения для анализа микроскопических изображений

Коррозионно-механические разрушения корпуса в районе переменной ватерлинии возникают там, где металл одновременно испытывает и химическое воздействие морской воды, и циклическую смену увлажнения/осушения. В результате защитные пленки, которые могут сформироваться в более «спокойных» зонах, разрушаются повторяющимися брызгами и насыщенными хлоридами слоями. Практическая проблема в том, что подбор параметров защиты опирается на данные, которые трудно связать с тем, что реально происходит на микроструктурном уровне поверхности стали. Поэтому сейчас особенно важно получить воспроизводимый способ количественно оценивать износ по микроскопическим признакам и тем самым обосновывать выбор защитных решений.

Работа стремится выстроить методику компьютерного зрения, которая связывает микроскопические данные с уровнем износа стали в условиях ПВЛ и позволяет выбирать параметры защиты. Для достижения цели нужно систематизировать типы морской защиты и критерии их применимости к разрушениям в зоне ПВЛ, определить, какие признаки износа должны «проявляться» в микроскопии. Далее требуется смоделировать высоту ПВЛ на основе климато-гидродинамических предпосылок и спланировать сравнение режимов эксперимента (чистый образец, длительное погружение в модельный раствор, циклическое моделирование условий ПВЛ). Затем нужно построить процедуру компьютерной предобработки и извлечения устойчивых цветовых/элементных характеристик, сопоставляя их с отчетами элементного состава. Завершающим шагом становится перевод выявленных различий в параметры износа и проверка их значимости для последующего подбора защитных параметров, включая катодную поляризацию наложенным током.

Объект исследования – поверхность судостроительной стали при воздействии морской среды в районе переменной ватерлинии. Предмет исследования – устойчивые микроскопические признаки и связи между цвето-тональными характеристиками изображений, элементным составом поверхностного слоя и степенью коррозионно-механического износа в трех экспериментальных режимах.

Чтобы связать микроскопию с выбором защиты, проект использует сочетание теоретического анализа и экспериментально-аналитической логики. Сначала проводится обзор и сравнительное сопоставление способов защиты океанотехнических объектов в зоне ПВЛ и формулируется, какие механизмы разрушения должны отражаться в микроструктурных/элементных показателях. Затем выполняется моделирование условий ПВЛ через оценку высоты зоны на основе прогностических карт волн, приливов и отливов и разрабатывается план микроскопических экспериментов с контролем экспозиции и воспроизводимости между режимами. Для компьютерной части используются методы обработки изображений и преобразование цветового пространства RGB в HSV с опорой на канал яркости Value, чтобы уменьшить влияние затемнения и неоднородного освещения. Извлечение признаков и сопоставление оттенков с элементным составом опираются на подходы распознавания микроскопических изображений с привлечением идей ИИ и нейронных сетей, а итоговая оценка износа строится на сравнении микроструктурных и элементных различий между режимами и выделении признаков, характерных именно для ПВЛ.

При проектировании методики ключевым становится связать выбор защиты с тем, что можно измерить на поверхности стали. Поэтому рассматриваются типовые решения для ПВЛ – от коррозионностойких сталей и цинкосодержащих покрытий до электрохимической защиты и защитных кожухов – и сопоставляются их механизмы с тем, какие показатели должны «видеться» в микроскопических данных. В такой оптике работа одновременно уточняет, какие химические элементы и какие изменения поверхностных пленок логично ожидать при циклическом действии морской воды, богатой кислородом и хлоридами.

Чтобы микроскопия не оставалась изолированным лабораторным результатом, вводится моделирование условий ПВЛ. Определяется высота зоны на основе временного периода наблюдений/прогноза по волновым и приливно-отливным данным, после чего выстраивается экспериментальный дизайн сравнения трех режимов: чистый образец, длительное погружение в модельный раствор морской воды и циклическое моделирование ПВЛ с чередованием экспозиции и лабораторных условий. Полученные микроскопические изображения и связанный с ними массив элементного состава формируют базу, на которой можно проверять гипотезу о различимости износа.

Дальнейший шаг – довести компьютерный анализ до уровня, где оттенок на изображении можно сопоставлять с составом поверхностного слоя. Для этого продумываются предобработка и представление данных: конвертация RGB в HSV с использованием яркостного канала снижает риск ошибок при затемнении и неравномерной освещенности. Затем система извлекает устойчивые оттенки (в том числе группы серых тонов) и привязывает каждый оттенок к элементному составу, выделяя набор элементов, характерных для условий ПВЛ, например Na и Cl. Сравнение чистого образца, длительного погружения и циклического ПВЛ позволяет сформировать параметры износа и обосновать, какие признаки пригодны для последующего подбора защитных параметров и оценки эффекта катодной поляризации наложенным током на участках с различным характером влажности/осушения. В перспективе методика опирается на расширение датасета по типам сталей и режимам морской воды, а также на повышение устойчивости компьютерного зрения к шумам и вариативности съемки для перехода к промышленному применению.