一种电极材料接触界面斑点特征提取方法技术

本发明专利技术涉及一种电极材料接触界面斑点特征提取方法。实验系统可原位实时拍照捕捉电极材料与蓝宝石平板的接触界面中接触斑点随着接触压力的形成与演化的图像。开发的接触斑点特征提取方法包括原始图像采集、图像预处理和特征提取三个步骤。首先，裁剪采集的原始图像以保留有效接触区域；然后，进行图像滤波和图像增强等预处理操作达到减少噪声信号干扰的作用，并突出接触斑点轮廓；最后，通过图像分割处理环节区分接触斑点和非接触区域，进一步统计接触斑点总数、各接触斑点的像素点数和最小外接矩形的长宽比以量化斑点的形状特征并实现真实接触面积的累积计算。本发明专利技术适用于粗糙表面电极材料接触界面的斑点特征提取及演化分析。分析。分析。

【技术实现步骤摘要】
一种电极材料接触界面斑点特征提取方法


[0001]本专利技术涉及电极
，具体为电极材料接触界面原位观测系统与斑点特征提取方法。

技术介绍

[0002]现有技术中，接触界面离线观测方法通过第三体获取接触面积的数值和分布情况，无法实时连续观测接触面积变化，在线测量方法受限于观测技术，测量分辨率也仅能达到微米量级，以上问题导致接触界面的观测研究更多停留在对接触轮廓的分析。考虑到电极材料的电接触性能主要由各接触斑点的形状和尺寸特征决定，因此，如何提取接触区域内部斑点的特征和分布情况，是实现接触区域演化分析和量化评估的关键。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提供了电极材料接触界面原位观测系统与斑点特征提取方法。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术的一种电极材料接触界面原位观测系统，包括隔振底板1、两个三维调整机构2
‑
1和2
‑
2、工业相机及显微镜头模组3、电动滑台4、力传感器5、试样夹持机构6、蓝宝石平板及其支架7、黑色亚克力罩8。
[0006]两个三维调整机构2
‑
1和2
‑
2均由XYZ三轴正交的手动组合滑台构成，分别用于调整工业相机和电动滑台在空间中的相对位置以实现物距调节和图像显示位置调整等功能。
[0007]试样夹具末端连接力传感器并固定在电动滑台前端，夹具内部的螺旋弹簧可实现触点试样与蓝宝石平板的柔性接触。
[0008]高分辨率工业相机通过高倍显微镜头透过蓝宝石平板可实现接触界面中接触斑点的实时观察。由于真正发生接触的区域已被压平，同轴光源发出的垂直于接触面的光线将会原路返回进入镜头中，此时明亮的区域是接触斑点。
[0009]所述一种电极材料接触界面斑点特征提取方法是按照以下步骤实现的：
[0010]步骤一、弧面触点与蓝宝石平板受压接触过程中，接触区域中离散的接触斑点会向四周扩展，可通过微调工业相机和镜头位置使初始接触区域位于采集图像中心，同时，为减少非接触区域对图像处理的干扰并缩短后续处理所需时间，需对原始图像进行裁剪处理。
[0011]步骤二、获取的接触界面图像包含散粒噪声、热噪声、暗噪声、光量子噪声和量化噪声等。以上噪声均具有随机性、叠加性、高频性和分布无规则的特点。因此，需对图像进行图像滤波处理。在滤除噪声的过程中，为了既保证图像质量不模糊，还可保留较多图像细节，每个像素点的灰度值都由其本身和邻域内的原灰度值经过加权平均获得，设计的滤波器函数为
[0012][0013]式中(x,y)——待处理像素的横纵坐标；
[0014]σ——标准方差，决定了滤波器函数窗口大小。
[0015]可引入均方差MSE和峰值信噪比PSNR两个指标对滤波效果定量评估，MSE和PSNR的定义如下：
[0016][0017][0018]式中MAX——图像灰度最大值，通常取255；
[0019]p、q——图像中横向和纵向像素数。
[0020]步骤三、由于电极材料受压在接触界面产生的接触斑点的尺寸极小，通常为微米甚至纳米量级，为了便于后期对接触斑点的分割识别，需对图像进行图像增强处理。设计的图像增强算法流程如下：通过将接触界面图像分为多个大小相等且不重叠的连续小区域，依次计算每个小区域的直方图并记录其灰度级和数量，根据小区域的面积和灰度级计算剪切上限灰度阈值，统计所有超过上限阈值的像素点并将其重新分布给对应小区域的直方图，并对每个小区域进行直方图均衡化处理并求取小区域的灰度映射函数，采用双线性插值算法重新计算每个小区域像素点的灰度值，完成接触界面图像的增强。引入图像对比度，定量评价图像增强效果和清晰程度
[0021][0022]式中δ(i,j)＝|i
‑
j|——相邻像素的灰度差；
[0023]P
δ
(i,j)——相邻像素灰度差为δ的概率分布。
[0024]通过计算中心像素点与周围八个像素点的局部对比度，并累加可得全局对比度。对比度越大表明图像由黑到白的渐变层次越多，色彩表现越丰富。
[0025]步骤四、接触界面图像分割可进一步将接触斑点从图像中分离。为了实现接触斑点的提取，且保证图像分割结果不受亮度的影响，确定最佳全局阈值的计算过程如下：
[0026]设图像中灰度级为i的像素数为n
i
，其概率分布p
i
为
[0027][0028]式中N——总像素点数；
[0029]假设图像被阈值k分为C1和C2两部分，每部分发生的概率P1(k)、P2(k)及其平均灰度值m1(k)、m2(k)和整个图像的平均灰度m
G
分别为
[0030][0031][0032][0033][0034][0035]C1和C2两部分的类间方差σ2可写为
[0036][0037]当类间方差σ2取得最大值时，对应的k
*
为最佳阈值，且图像可被分割为
[0038][0039]步骤五、由于二值化图像确定的接触斑点形状各异，可通过最小外接矩形的长宽比量化接触斑点的形状特征，长宽比R(S)可由下式计算
[0040][0041]式中L
MER
(S)、W
MER
(S)——连通区域最小外接矩形的长边和短边。
[0042]步骤六、将离散接触斑点像素之和代表的面积作为真实接触面积。真实接触面积等于接触斑点像素总数与单个像素实际面积的乘积，而单个像素实际面积等于单个像素原始尺寸与镜头放大倍数的商的平方，在确定了单个像素原始尺寸、镜头放大倍数以及斑点像素总数的基础上，可计算得到真实接触区域的面积。
[0043]真实接触面积S
r
与接触斑点像素总数N
r
和单个像素实际面积S
p
的关系可写为
[0044]S
r
＝N
r
×
S
p
[0045]其中单个像素实际面积S
p
可由单个像素原始尺寸l
p
和镜头放大倍数K计算
[0046][0047]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0048]本专利技术提供了一种电极材料接触界面斑点特征提取方法，所提出的接触斑点特征提取方法可实现纳米量级接触斑点的尺寸和形状特征提取，有助于电极材料受压变形情况下接触面积和接触斑点的形成与演化分析。
附图说明
[0049]图1是接触界面原位观测系统机械结构示意图。
[0050]图2是接触斑点特征提取流程图。
[0051]图3是增强接触斑点对比度的流程。
[0052]图4是接触压力0.163N，曲率半径1.5mm触点的接触界面原始图像。
[0053]图5是接触斑点提取过程图像。
具体实施方式
[0054]下面结合附图对本专利技术进一步说明：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明的一种电极材料接触界面原位观测系统，其特征在于，包括隔振底板1、两个三维调整机构2
‑
1和2
‑
2、工业相机及显微镜头模组3、电动滑台4、力传感器5、试样夹持机构6、蓝宝石平板及其支架7、黑色亚克力罩8。2.根据权利要求1的一种电极材料接触界面原位观测系统，其特征在于，两个三维调整机构2
‑
1和2
‑
2均由XYZ三轴正交的手动组合滑台构成，分别用于调整工业相机和电动滑台在空间中的相对位置以实现物距调节和图像显示位置调整等功能。3.根据权利要求1的一种电极材料接触界面原位观测系统，其特征在于，试样夹具末端连接力传感器并固定在电动滑台前端，夹具内部的螺旋弹簧可实现触点试样与蓝宝石平板的柔性接触。4.根据权利要求1的一种电极材料接触界面原位观测系统，其特征在于，高分辨率工业相机通过高倍显微镜头透过蓝宝石平板可实现接触界面中接触斑点的实时观察。由于真正发生接触的区域已被压平，同轴光源发出的垂直于接触面的光线将会原路返回进入镜头中，此时明亮的区域是接触斑点。5.一种利用权利要求1～4所述的电极材料接触界面原位观测系统进行的接触斑点特征提取方法，其特征在于，所述一种电极材料接触界面斑点特征提取方法是按照以下步骤实现的：步骤一、弧面触点与蓝宝石平板受压接触过程中，接触区域中离散的接触斑点会向四周扩展，可通过微调工业相机和镜头位置使初始接触区域位于采集图像中心，同时，为减少非接触区域对图像处理的干扰并缩短后续处理所需时间，需对原始图像进行裁剪处理。步骤二、获取的接触界面图像包含散粒噪声、热噪声、暗噪声、光量子噪声和量化噪声等。以上噪声均具有随机性、叠加性、高频性和分布无规则的特点。因此，需对图像进行图像滤波处理。在滤除噪声的过程中，为了既保证图像质量不模糊，还可保留较多图像细节，每个像素点的灰度值都由其本身和邻域内的原灰度值经过加权平均获得，设计的滤波器函数为式中(x,y)——待处理像素的横纵坐标；σ——标准方差，决定了滤波器函数窗口大小。可引入均方差MSE和峰值信噪比PSNR两个指标对滤波效果定量评估，MSE和PSNR的定义如下：如下：式中MAX——图像灰度最大值，通常取255；p、q——图像中横向和纵向像素数。步骤三、由于电极材料受压在接触界面产生的接触斑点的尺寸极小，通常为微米甚至纳米量级，为了便于后期对接触斑点的分割识别，需对图像进行图像增强处理。设计的图像
增强算法流程如下：通过将接触界面图像分为多个大小相等且不重叠的连...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，任万滨，何育斌，韩乙铖，古知昊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：