基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法技术

一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法，具体测量方案包括：1、通过内窥镜，获取已知内表面三维形貌孔的图像亮度信息，2、根据内窥镜光源发光强度，确定照射到孔内表面各点的辐射辐照度，3、通过图像亮度信息，确定孔内表面各点反射入镜头方向的反射辐射率，4、根据入射辐照度和反射辐射率，确定孔内表面BRDF值；通过孔内表面BRDF测量方法测量孔零件内表面，效率高且通用性强，能够实现孔内表面双向反射分布函数的测量，准确描述孔内表面反射特性并可应用于基于机器视觉的孔内表面质量检测。的孔内表面质量检测。的孔内表面质量检测。

【技术实现步骤摘要】
基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法


[0001]本专利技术涉及机械加工制造
，尤其涉及一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法。

技术介绍

[0002]孔类零件是机械加工及生产制造中最为常见的零件形式，长期以来，针对孔类零件的质量，尤其是孔内表面质量的检测，一直是困扰企业的难题。反射特性是指物体表面在接收到光照射后，物体表面对光能镜、漫反射的分布规律，获取特定光照条件下物体表面反射图像并借助反射特性实现物体形貌重建的方法已广泛应用于机器视觉、质量检测、遥感探测等领域，获取孔内表面的反射特性是实现基于机器视觉的内表面质量检测的关键。
[0003]材料表面的反射特性受表面三维形貌、波长及介电常数等多种因素影响，通常采用点光源的入射辐照度与观察方向的反射辐射率的比值即双向反射分布函数(BRDF)来描述物体表面的反射特性。
[0004]BRDF测量方法包括直接测量法和间接测量法，直接测量法通过专用设备从不同入射和反射角度分布获取辐照度和辐射率进行求解；间接测量法可以通过被测样品和标准板输出电压的比例确定BRDF，也可通过褶皱表面散射截面OCS值逆向求解，不同学者采用的间接测量方法不一而足。现有文献及专利中的BRDF相关测量方法仅实现了材料外表面的BRDF测量，无法实现对孔、洞、腔结构内表面的BRDF测量。专利申请CN201210191168.6公开了一种双向反射分布函数绝对测量装置，通过六自由度串联式机器人在直径为1500mm的中空分度盘上实现入射角和反射角的自由变化，专利申请 CN201811258058.0公开了一种BRDF自动测试系统及测试方法，通过电动位移台，使得放置于其上的样品可在三维空间自由移动和旋转，间接实现了入射角和反射角的自由变化；专利申请 CN200610096153.6公开了一种室外高光谱BRDF自动测量方法，通过设置方位圆轨道和天顶弧轨道实现入射角和反射角的自由变化。但上述专利申请采用的BRDF测量方法均属于直接测量法，被测对象都为外表面，同时要求具有较大空间以实现不同角度的测量，无法应用于孔、洞、腔等结构的内表面和不具备全角度测量的外表面。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法，通过内窥图像亮度和内表面三维形貌信息测量内表面BRDF值，效率高且通用性强，能够实现孔内表面双向反射分布函数的测量，准确描述孔内表面反射特性并可应用于基于机器视觉的孔内表面质量检测。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法，具体测量步骤包括：
[0008]步骤1、通过内窥镜获取已知内表面三维形貌孔的图像亮度信息；
[0009]步骤2、根据内窥镜光源发光强度，确定照射到孔内表面各点的辐射辐照度；
[0010]步骤3、通过图像亮度信息，确定孔内表面各点反射入镜头方向的反射辐射率；
[0011]步骤4、根据步骤2得到的入射辐照度和步骤3得到的反射辐射率，确定孔内表面BRDF值。
[0012]所述步骤1具体为：
[0013]1)将可移动升降平台1固定于光学工作台2上，内窥镜探头3 向下固定于工作台悬臂4前端，将孔零件5垂直放于可移动升降平台 1上并用夹具6将其固定，调节可移动升降平台1的水平方向并观察内窥镜显示器7，当图像中心与孔零件5的孔轴线重合时，调节可移动升降平台1的垂直方向，使内窥镜探头3深入孔零件5内部，然后获取孔零件4内部表面图片即内窥图像8；
[0014]2)得到内窥图像8后，首先对其进行灰度转换和中值滤波降噪；然后采用边缘检测算法提取内窥图像边缘信息；再采用Hough变换方法确定内窥图像中心9；
[0015]3)以内窥图像中心9为圆心，截取宽度为h像素的孔内表面圆环图像10，采用双线性插值算法，将圆环图像10转化为孔内表面展开图像11，最终获得图像数字亮度信息。
[0016]所述步骤2具体为：
[0017]内窥镜探头3前端面中心为内窥镜镜头12，周围均匀分布多颗 LED作为内窥镜光源13，内窥镜光源13距内窥镜镜头12的距离 1
‑
3mm；当内窥镜镜头12的主光轴与孔轴线重合时，设内窥镜镜头中心位置为空间坐标原点O，内窥镜光源13到内窥镜镜头中心O的距离为Δ，当m个点光源以相同发光强度I0照射向孔内表面Q(x,y,z) 点时，其入射方向矢量可分别表示为内表面作为二次光源将接收到的光能进行镜面反射和漫反射，其中镜面反射方向的能量无法进入内窥镜镜头，仅有接收方向的漫反射部分的光能在内窥镜感光平面14上成像为点q(x
’
,y
’
,z
’
)，并最终转换为内窥镜显示器8 上的数字图像亮度；根据发光强度余弦定理可知Q点的入射辐照度E 可表示为公式(1)：
[0018][0019]其中，α1、α2…
α
m
分别为Q点法线方向与光源入射方向与光源入射方向的夹角，l1、l2…
l
m
分别为点光源到孔零件5内表面Q点的光程，可表示为
…
、
[0020]孔零件5内表面各点空间坐标(x，y，z)及法线方向(n
x
，n
y
， n
z
)可通过已知的孔内三维形貌建立曲面方程获得，任何已知其内表面形貌的孔都可建立曲面方程，并使用Matlab软件绘制孔内表面点云分布图，然后使用pcnormals函数获取各点法向量(n
x
，n
y
，n
z
)；通过曲面建模得到孔零件5内表面各点坐标(x，y，z)和法线方向)；通过曲面建模得到孔零件5内表面各点坐标(x，y，z)和法线方向后，根据矢量关系可知：
[0021][0022][0023]…
[0024][0025][0026]将上面公式(2
‑
1)
……
公式(2
‑
m)带入公式(1)，孔零件5 内表面Q点接收到的入射辐照度可表示为：
[0027][0028]所述步骤3具体为：
[0029]在光学成像系统中，物体表面任意点在镜头接收方向的反射辐射率L和该点在感光平面的入射辐照度E'间存在如公式(4)所示的定量关系：
[0030][0031]其中，E'为内窥镜感光平面12上的入射辐照度，即图像亮度，τ为光学系统的透过率，d为透镜直径，f为内窥镜焦距，为镜头接收方向与内窥镜镜头12主光轴方向的夹角，可表示为通过图像亮度信息求得孔零件5内表面各点的反射辐射率L如公式(5) 所示：
[0032][0033]所述步骤4具体为：根据BRDF的定义镜头接收方向的辐射率L 与光源入射方向的辐照度E的比值即为物体表面的双向反射分布函数BR本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法，其特征在于：具体步骤包括：步骤1、通过内窥镜，获取已知内表面三维形貌孔的图像亮度信息；步骤2、根据内窥镜光源发光强度，确定照射到孔内表面各点的辐射辐照度；步骤3、通过图像亮度信息，确定孔内表面各点反射入镜头方向的反射辐射率；步骤4、根据步骤2得到的入射辐照度和步骤3得到的反射辐射率，确定孔内表面BRDF值。2.根据权利要求1所述的一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法，其特征在于：所述步骤1具体为：1)将可移动升降平台(1)固定于光学工作台(2)上，内窥镜探头(3)向下固定于工作台悬臂(4)前端，将孔零件(5)垂直放于可移动升降平台(1)上并用夹具(6)将其固定，调节可移动升降平台(1)的水平方向并观察内窥镜显示器(7)，当图像中心与孔零件(5)的孔轴线重合时，调节可移动升降平台(1)的垂直方向，使内窥镜探头(3)深入孔零件(5)内部，然后获取孔零件(4)内部表面图片即内窥图像(8)。2)得到内窥图像(8)后，首先对其进行灰度转换和中值滤波降噪；然后采用边缘检测算法，提取内窥图像边缘信息；再采用Hough 变换方法，确定内窥图像中心(9)；3)以内窥图像中心(9)为圆心，截取宽度为h像素的孔内表面圆环图像(10)，采用双线性插值算法，将圆环图像(10)转化为孔内表面展开图像(11)，最终获得图像数字亮度信息。3.根据权利要求1所述的一种基于内窥图像亮度和孔内表面法向分布的内表面BRDF测量方法，其特征在于：所述步骤2具体为：内窥镜探头(3)前端面中心为内窥镜镜头(12)，周围均匀分布多颗LED作为内窥镜光源(13)，内窥镜光源(13)距内窥镜镜头(12)的距离1
‑
3mm；当内窥镜镜头(12)的主光轴与孔轴线重合时，设内窥镜镜头中心位置为空间坐标原点O，内窥镜光源(13)到内窥镜镜头中心O的距离为Δ，当m个点光源以相同发光强度I0照射向孔内表面Q(x,y,z)点时，其入射方向矢量可分别表示为内表面作为二次光源将接收到的光能进行镜面反射和漫反射，其中镜面反射方向的能量无法进入内窥镜镜头，仅有接收方向的漫反射部分的光能在内窥镜感光平面(14)上成像为点q(x
’
,y
’
,z
’
)，并最终转换为内窥镜显示器(8)上的数字图像亮度；根据发光强度余弦定理可知，Q点的入射辐照度E可表示为公式(1)：其中，α1、α2…
α
m
分别为Q点法线方向与光源入射方向与光源入射方向的夹角，l1、l2…
l
m
分别为点光源到孔零件(5)内表面Q点的光程，可表示为分别为点光源到孔零件(5)内表面Q点的光程，可表示为孔零件(5)内表面各点空间坐标(x，y，z)及法线方向(n
x
，n
y
，n
z
)可通过已知的孔内三维形貌建立曲面方程获得，任何已知其内表面形貌的孔都可建立曲面方程，并使用Matlab软件绘制孔内表面点云分布图，然后使...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛强，李程，蔡乐平，申亮，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：