一种表面粗糙度测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种表面粗糙度的测量方法和实现装置，通过高分辨率显微相机配有长物距显微镜头，拍摄单个点光源照射时被测物的表面图像，n≥3个点光源依次点亮后相机可拍摄n幅表面图像I1~In，采用高光黑球对光源的方向进行标定，得到所有光源的单位方向向量L1~Ln，以及世界坐标(x,y,z)与图像坐标(u,v)的变换比例系数f，通过光源的单位方向向量L1~Ln和被测物体表面二维图像I1~In计算表面深度的图像坐标值W(u,v)，通过变换比例系数f得到被测物体表面深度的世界坐标值Z(x,y)，选取合适的取样长度lr，对Z(x,y)取样得到轮廓曲线z(x)，采用高斯滤波器对轮廓曲线z(x)进行滤波，得到高斯中线w(x)，并分离出粗糙度轮廓r(x)，计算粗糙度轮廓r(x)的算术平均偏差

A method and device for measuring the surface roughness

The present invention relates to a measuring method and a realization device of surface roughness. Through a high resolution microcamera with a long distance lens, the surface image of the measured object is photographed when a single point light source is irradiated. After the n > 3 point light sources are brightened in turn, the camera can take the image of the N surface image I1~In, and the direction of the light source is carried out by high light black ball. The unit direction vector L1~Ln of all light sources, and the transformation ratio coefficient f of the world coordinates (x, y, z) and the image coordinates (U, V) are obtained, and the image coordinate value W (U, V) of the surface depth is calculated by the unit direction vector L1~Ln of the light source and the two-dimensional image I1~In on the surface of the object surface, and the surface depth of the measured object is obtained by changing the proportion coefficient. The world coordinate value Z (x, y), select the appropriate sampling length LR, sample the contour curve Z (x) to Z (x, y), use Gauss filter to filter the Z (x) of the contour curve, get the Gauss middle line w, and separate the roughness contour, calculate the arithmetic mean deviation of rough roughness contour.

【技术实现步骤摘要】
一种表面粗糙度测量方法与装置
本专利技术涉及一种表面粗糙度的测量方法和实现装置，属于光学测量领域。通过配有长物距显微镜头的高分辨率显微相机以及n≥3个不同入射角度的点光源，采集被测物不同入射角度光源照射的多张图像，根据光度立体视觉原理对被测物进行表面三维重建，并按国标的规定计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值，作为表面粗糙度的测量值。
技术介绍
表面粗糙度是机械零件表面质量评定的主要精度指标之一。随着现代科学技术的发展与进步，工业产品的质量越来越高，粗糙度测量已经由传统的抽检改为必检，对粗糙度测量方法提出了更高要求。传统的接触式测量方法存在效率低、容易损伤表面等缺点，已经无法满足实际的需求；而干涉显微镜测量法，激光共聚焦扫描显微测量方法等非接触式方法均存在设备成本极高、测量环境要求严格、操作复杂且效率低下等问题。因此，探索一种设备简单、测量效率高、具有较高精度的粗糙度测量方法成为企业的迫切需求。机器视觉检测技术具有检测效率高、获取信息量大、测量精度高、柔性好、非接触、性价比高等优点，被不少学者引入到表面三维形貌测量中，取得不错的效果。光度立体视觉是一种三维视觉检测技术，可以精细地得到零件表面三维形貌，进而可以对表面三维的各类信息与特征进行研究。光度立体视觉具有非接触、设备简单且价格低廉、检测效率高等优点，在表面三维形貌测量方面有着极大应用潜力。本专利技术根据光度立体法原理，设计多光源表面三维重建系统，对被测物体分别拍摄不同角度光照下的多张图像，应用光度立体视觉算法重构出被测表面三维深度模型，并使用国家标准规定的轮廓法提取、计算相关统计信息，最终实现表面粗糙度测量。
技术实现思路
一种利用光度立体视觉测量表面粗糙度的方法，采用3个以上点光源和高分辨率显微相机对被测物进行表面三维重建，并计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值，作为表面粗糙度的测量值；所述点光源为3个以上的不同入射角度的点光源，所有光源照射到被测物的同一位置；所述高分辨率显微相机配有长物距显微镜头，拍摄第i(1≤i≤n)个点光源照射时被测物的表面图像Ii，所有点光源依次点亮后相机可拍摄n幅表面图像I1～In，采用高光黑球对光源的方向进行标定，得到第i(1≤i≤n)个点光源单位方向向量Li，所有光源的单位方向向量L1～Ln，以及世界坐标(x,y,z)与图像坐标(u,v)的变换比例系数f，通过光源的单位方向向量L1～Ln和被测物体表面二维图像I1～In计算表面深度的图像坐标值W(u,v)，通过变换比例系数f得到被测物体表面深度的世界坐标值Z(x,y)，选取对应的取样长度lr，对Z(x,y)取样得到轮廓曲线z(x)，采用高斯滤波器对轮廓曲线z(x)进行滤波，得到高斯中线w(x)，并分离出粗糙度轮廓r(x)，计算粗糙度轮廓r(x)的算术平均偏差值作为粗糙度的测量值。本专利技术的另一个技术方案是上述的点光源照明下高光黑球的图像，提取图像上高光黑球的圆形轮廓，计算该圆形轮廓的半径r以及圆心(uo,vo)，并计算高光黑球反射亮斑的重心坐标(ud,vd)。反射亮斑处的表面法向量为：式中光源的单位方向向量为：L＝2(N·V)V-V，所述测量表面粗糙度方法的装置包括多光源球面灯罩、显微成像系统、控制模块和载物台；所述的多光源球面灯罩为半球型，固定于机座上，其内球面采用黑色不反光材质，内球面上均布3个以上点光源。增加光源数量可降低测量结果的噪声，提高测量的精度和准确性。载物台位于多光源球面灯罩球心处，载物台平面与多光源球面灯罩轴心垂直，通过微调装置固定于机座上。显微成像系统由长物距显微镜头、高分辨率相机构成，成像系统光轴与多光源球面灯罩的轴心重合，通过带有微调装置的支架固定，实现对焦。所述的控制模块控制光源的发光与相机的采集，将被测物体加载到载物台上，按顺序依次点亮多光源球面灯罩内所有光源，每次光源点亮时相机采集被测物体表面图像；控制模块同时向高分辨率相机以及多光源球面灯罩发送触发信号ti(i＝1，2，...，n)，控制多光源球面灯罩上的点光源按顺序点亮，每一时刻只点亮一个光源，所有光源依次点亮一次为一个照明循环；高分辨率相机接收触发信号ti，并在该时刻采集图像Ii，通过一个照明循环可采集图像I1～In，将I1～In存储在计算机中，用所述的表面粗糙度测量方法计算被测物表面粗糙度。本专利技术是这样实现的：定义世界坐标系为(x，y，z)，图像坐标系为(u，v)。首先通过直径为d的高光黑球对光源的方向进行标定，得到所有光源的单位方向向量L，以及世界坐标(x，y，z)与图像坐标(u，v)的变换比例系数f。然后加载被测物体到载物台，采用上述控制流程采集一个照明循环的被测表面二维图像I，计算被测表面的单位法向量N为：N＝L-1·I/|L-1·I|(1)假设图像坐标系中某点的相对深度为W(u，v)，定义其沿图像u方向和v方向的梯度分别为P(u，v)，Q(u，v)：梯度矩阵P和Q可以由下式求出：(P，Q)＝(Nu·/Nw，Nv·/Nw)(3)式中，Nu，Nv，Nw分别为被测表面单位法向量N在u，v及垂直于图像平面的分量。假设W的初始值W0(u，v)＝0，根据以下的迭代公式可求出W(u，v)的值：Wm经过多次迭代得到最优解。根据f计算世界坐标系下的实际深度Z(x,y)：根据国标GB/T1031-2009，选取对应的取样长度lr，将式(5)得到的Z(x,y)按不同y值取k段，可以得到k个轮廓曲线zi(x)(i＝1,2,…,k)。在一个取样长度lr内，轮廓上各点zi(x)绝对值的算术平均被称为轮廓算术平均偏差Ra值，计算公式如下：由于表面粗糙度是表面轮廓的短波部分，需要滤除表面轮廓的长波部分。使用特定的滤波器对原始轮廓进行处理，将长波成分从原始轮廓中剥离，从而获取粗糙度轮廓中线。国家标准GB/T6062-2009推荐采用如下的高斯滤波器对表面轮廓z(x)进行滤波。式中，λ为波长，λco为轮廓滤波器的截止波长，其数值上与取样长度相等，即λc＝lr。α是一个常数。将表面轮廓z(x)与高斯权值函数g(x)作卷积运算，得到高斯中线w(x)。将表面轮廓z(x)减去高斯中线w(x)，进而分离出粗糙度轮廓r(x)。r(x)＝z(x)-w(x)(9)通过式(8)和式(9)可以得到k个轮廓曲线zi(x)(i＝1,2,…,k)的粗糙度轮廓ri(x)(i＝1,2,…,k)，计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值如下：值即是粗糙度的测量值。附图说明图1为所述测量装置的整体构成。图1中：1为显微成像系统，包括高分辨率相机1a，长物距显微镜头1b，带有微调装置的支架1c；2为多光源球面灯罩，包括内球面采用黑色不反光材质的半球面2a，均布的n≥3个点光源2b；3为载物台；4为微调装置；5为计算机；6为控制模块；ti为触发信号；Ii为图像序列。图2为高光黑球二值图像示意图。图3为光源单位向量求取示意图。具体实施方式所述测量装置如图1所示，由显微成像系统1、多光源球面灯罩2、载物台3及其微调装置4、计算机5、控制模块6构成。多光源球面灯罩2为半球型，固定于机座上，其内球面2a采用黑色不反光材质，内球面上均布n≥3个点光源2b，安装在多光源球面灯罩的纬度环上。载物台3位于多光源球面灯罩球心处，载物台平面与多光源球面灯罩轴心垂直，通过微调装置4固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用光度立体视觉测量表面粗糙度的方法，其特征在于：采用3个以上点光源和高分辨率显微相机对被测物进行表面三维重建，并计算粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra，作为表面粗糙度的测量值；所述点光源为3个以上的不同入射角度的点光源，所有光源照射到被测物的同一位置；所述高分辨率显微相机配有长物距显微镜头，拍摄单个点光源照射时被测物的表面图像，所有点光源依次点亮后相机可拍摄n幅表面图像I1～In，采用高光黑球对光源的方向进行标定，得到所有光源的单位方向向量L1～Ln，以及世界坐标(x,y,z)与图像坐标(u,v)的变换比例系数f，通过光源的单位方向向量L1～Ln和被测物体表面二维图像I1～In计算表面深度的图像坐标值W(u,v)，通过变换比例系数f得到被测物体表面深度的世界坐标值Z(x,y)，选取对应的取样长度lr，对Z(x,y)取样得到轮廓曲线z(x)，采用高斯滤波器对轮廓曲线z(x)进行滤波，得到高斯中线w(x)，并分离出粗糙度轮廓r(x)，计算粗糙度轮廓r(x)的算术平均偏差

【技术特征摘要】
1.一种利用光度立体视觉测量表面粗糙度的方法，其特征在于：采用3个以上点光源和高分辨率显微相机对被测物进行表面三维重建，并计算粗糙度轮廓的算术平均偏差Ra，作为表面粗糙度的测量值；所述点光源为3个以上的不同入射角度的点光源，所有光源照射到被测物的同一位置；所述高分辨率显微相机配有长物距显微镜头，拍摄单个点光源照射时被测物的表面图像，所有点光源依次点亮后相机可拍摄n幅表面图像I1～In，采用高光黑球对光源的方向进行标定，得到所有光源的单位方向向量L1～Ln，以及世界坐标(x,y,z)与图像坐标(u,v)的变换比例系数f，通过光源的单位方向向量L1～Ln和被测物体表面二维图像I1～In计算表面深度的图像坐标值W(u,v)，通过变换比例系数f得到被测物体表面深度的世界坐标值Z(x,y)，选取对应的取样长度lr，对Z(x,y)取样得到轮廓曲线z(x)，采用高斯滤波器对轮廓曲线z(x)进行滤波，得到高斯中线w(x)，并分离出粗糙度轮廓r(x)，计算粗糙度轮廓r(x)的算术平均偏差值作为粗糙度的测量值。2.如权利要求1所述的一种利用光度立体视觉测量表面粗糙度的方法，其特征在于：所述的点光源照明下高光黑球的图像，提取图像上高光黑球的圆形轮廓，计算该圆形轮廓的半径r以及圆心(u...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐科，周鹏，吕煜，颜志成，王磊，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11