扫描探针显微镜图像处理通用软件包的设计

　　扫描探针显微镜(SPM)，特别是扫描隧道显微镜的出现，使得人们能在小至原子分辨率的尺度下在真空、大气、溶液的环境中研究物质的表面结构[1].SPM得到的是实空间下的图像，图像直观，易于分析.但是，由于目前商品化仪器软件通用性差，且很多软件无法在普通的计算机上使用，因此，设计和编写SPM 图像处理通用软件包非常必要.本文采用Visual　Basic结合C语言编写的动态连接库的方式编写了SPM 图像处理的通用软件包.该软件的设计充分考虑了科研人员的SPM 应用经验，设计了图像漂移校正、斜面校正、剖面线分析、傅里叶变换分析等多种图像处理模块.

　　1　开发软件的选择与软件的基本界面

　　开发软件选用Visual　Basic和C 语言.VisualBasic主要用于设计可视化界面和一些简单的计算，在图像的显示、打印等方面大量使用Windows　API提供的动态库.但是由于Visual　Basic的运算速度非常慢，本文采用C语言编写了文件处理、数据拷贝、傅里叶变换等部分动态库供Visual　Basic调用.这样，使得软件不仅具有友好的操作界面，且运行速度等能够与C++等开发的软件相媲美.图1为所开发软件的图例.

　　2　SPM 图像的显示

　　SPM 图像数据描述的是三维的表面形貌，对于三维图像的分析而言，需要采用灰度或彩色的二维数字图像的显示方法.二维平面上的图形要能充分地体现三维立体的效果，就要充分利用人体视觉的特点.明暗变化是一种很有效果的产生立体感的方法，物体的明暗逐渐变化意味着较亮的部分离光源近，而较暗的部分离光源远.我们正是利用人的立体视觉因素，采用了明暗变化的黑白灰度的二维数字图像显示方式.由于人的视觉对黑白灰度反应较为迟钝，一般只能分辨32个灰度级，一个经专门训练的X光照片分析专家最多也只能分辨64个黑白灰度级，而人眼对彩色的分辨却能达到上万种[2].所以人眼观察黑白灰度显示的图像时分辨率会下降，为了克服这一缺点，我们采用了伪彩色，不同的彩色对应于不同的高度.在一般的图像处理过程中，伪彩色调色板的设置需使彩色变化连续且颜色间的差异最大，这样才方便于区分图像中的细节差别.但对于一幅SPM 图，既要保证最大的颜色差异，又要使伪彩色的视觉感觉和图像形貌的起伏高低对应起来.因此大部分参考书中所介绍的伪彩色处理方法都不太合适.为此，我们自行设计的伪彩色调色板(表1).实验证明所设计伪彩色处理不但有良好的视觉效果，而且可不加转换地用黑白底片照像，所拍摄的照片与256级黑白灰度时所拍的照片相仿.

　　为了精确地分析在图像某一区域Z 高度值，我们设计了剖面线分析程序，可通过移动光标在SPM 图像中选定任意两点，并将这条线的数据点的Z 高度曲线变化显示在图像旁边.