硬度试验压痕直径的图像测量及实现

第二届全国信息与电子工程学术交流会暨第十三届四川省电子学会曙光分会学术年会论文集１０７

布氏硬度试验压痕直径的图像测量及实现

王莹’季立江李代生，

（中国工程物理研究所总体工程研究所，四川绵阳，６２１９００）

摘要简述了压痕尺寸图像测量系统的构成．在分析压痕图像特点的基础上，提出了一种

实用的图像分割算法，实现了对压痕尺寸的精确测量．实验证明，该算法满足对布氏硬度计压痕

直径的测量要求．

关键词布氏硬度试验方法图像测量图像分割澳４量误差

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１引言

金属材料的布氏硬度试验方法是金属材料硬度测量的常用方法，这种方法需要对压痕直径进行精确测量。传统的压痕测量方法是在显微镜下用肉眼进行观测，由于观测者的不同，以及眼睛疲劳会产生人为误差，且测量效率不高，一致性差。随着机器视觉及图像处理技术的发展，使通过图像传感器（ＣＣＤ）获得压痕图、运用图像处理技术获得压痕尺寸的图像测量方法成为可能，这种方法消除了人为误差，大大提高了测量效率。

２图像测量系统组成

图像测量就是在测量被测对象时．把图像当作检测和传递信息的手段或载体，从图像中提取有’作者简介：王莹，（１９７９一，，男，河南省南阳市人，在读硕士，助理工程师，主要从事传感器及测试技术的研究与应用开发．

１０８布氏硬度试验压痕直径的图像测量及实现用信息，从而完成测量。它是近年来在测量领域中形成的新的测量技术。由于其非接触、信息量丰富、相对成本低和能实现快速自动化测量等优点，广泛席用于实时、在线的精密测量。

图像测量系统一般由图像获取硬件装置和图像处理软件及计算机组成。图像获取装置包括：图

像传感器（ＣＣＤ相机）和图像采集设备、照明光源、摄像镜头、及组台安装这些器件的机械装置。图像处理软件完成对图像获取的控制、图像处理、特征信息的提取和测量、及结果的存储和输出。计算机是图像处理软件运行的载体。

压痕尺寸图像测量系统包括：面阵ＣＣＤ相机，镜头，照明光源，工作台和计算机。

３压痕图像分析

３．１布氏硬度压痕理论尺寸

布氏硬度试验方法使用合金钢球形压头．在试样上残留的压痕为圆形，测量残余圆形压痕的直

径可以计算出布氏硬度。根据试样硬度的不同，共有ｌｍｍ、２．５ｍｍ、５ｍｍ和ｌＯｍｍ四种直径的球形压头可选择，有效的压痕直径对应为０．２４ｍｍ～０．６ｍｍ、０．６ｍｍ～１．５ｍｍ、１．２ｎｌｍ～３ｍｍ和２４ｍｍ～６ｍｍ，因此对应的压痕深度为０．０１４ｍｍ～０．１ｍｍ、Ｏ．０３６ｍｍ～０．２５ｒａｍ、Ｏ．０７３ｍｍ～０．５ｍｍ｝Ｈ０．１４６ｍｍ～ｌｍｍ。布氏硬度试验方法要求试样的表面粗糙度小于０．８，试样表面非常光亮，而压痕非常浅，因此对压痕

。

图像的获取装置提出了比较高的要求。【ｌＪｆ２ｌ

。

对于压痕图像来说，残余压痕圆的轮廓是需要得到的有用信息，试样的残余压痕深度很浅．将

图ｌ是用三坐标测量机的图像测头拍摄的几组压痕的灰度图片。

（ａ）顶都环形光源（ｂ）项部平行光

（ｃ）顶部平行光Ａ（ｄ）顶部平行光Ｂ

圈１压痕的几组灰度图片３．２压痕图像分析３．２．１压痕灰度图像会导致压痕图像对比度差，因此图像获取装置的光源、ＣＣＤ摄像头的景深和聚焦精度对压痕图像的质量有至关重要的影响。

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图像测头所用摄像头的分辨率７６８ｘ５７２，视场１．２ｎ－ａｎＸＯ．９ｒａｍ。图中（ａ）是用顶部环形光源拍摄的压痕图片，这幅图片虽然可看出压痕边缘，但是是无法用图像处理技术进一步处理的：（ｂ）是改用顶部平行光源对同一个压痕拍摄的图片，这幅图片压痕中心有亮斑，边缘有杂纹，但可以进行处理。（ｃ）和（ｄ）是通过改变光源的强度对同一个压痕用顶部平行光源拍摄的图片，可看出当光源强度减弱时，试样加工时的刀痕及其它加工缺陷的特征被显现出来，但图像清晰；光源强度较大时，压痕轮廓特征变得显著，但杂散光斑增多。图像噪声加大。

３．２．２直方图分析

图１中压痕灰度图的直方图如图２中所示。用环形光源的灰度直方图中灰度值除有一高峰值外都比较均匀，所以无法将压痕轮廓分离出来。从用平行光源的灰度直方图可看出，用平行光照明时，所得灰度图近似为＝值图片，高灰度值像素的灰度值集中在一个值上，而低灰度值像素的灰度值分散在一个小区间上，且随着光源强度的增加，高灰度值的像素数和低灰度值的像素数基本平衡（压痕圆面积占图片面积的近四分之三，此外又考虑到压痕中心的亮斑）；但当光源强度较弱时，高灰度值的像素数急剧减少，低灰度值像素数增多，中间灰度值像素数与高灰度值像素数在数目上有了可比性。

结合压痕灰度图。可以确定分散在小区间上的低灰度值像素位于压痕轮廓圆内部，而集中在一个值上的高灰度值像素则主要分布在压痕外部的比较光亮的平面上。

ｉ

Ｌ

０∞∞∞∞啪珊椭啪瑚瑚珊瑚蕊

（ｃ）图Ｉ中（ｃ）的直方图

图２压痕灰度图片的直方图分析

４图象处理

４１图像分割

图像分割，是将图像划分成或分割成具有相近特征的区域，找出其中感兴趣的目标。图像分割的方法有多种，按算法分类，有阂值法、界限检测法、匹配法、跟踪法等９１１４］。

布氏硬度试验压痕直径的图像测量及实现

压痕图像处理的核心就是图像分割，根据压痕图像的特点，使用闽值法。通过确定合适的闽值将压痕圆从图片中分离出来。

由压痕灰度直方图分析可看出，压痕灰度图主要由两部分构成：一部分是位于压痕圆内部的低灰度值像素．一部分是位于压痕外部光亮平面上的高灰度值像素。但是，由于试样表面并不是理想的均匀光亮表面，还存在细微的刀痕．且硬度计钢球压后也会留下一些划痕。因此，压痕的轮廓并不是理想的圆形，且随着光源强度的变化，除比较集中的低灰度值和高灰度值像素之外，还存在数目不等的中间灰度值像素。通过试验和分析证实，光源强度的变化直接影响了集中于小区间上的低灰度值像素的灰度值大小；而且中间灰度值像素对图像分割闽值的确定有重大影响．其影响程度也随光源强度的变化而变化。当光源强度较弱时．低灰度值和中间灰度值像素数目占像素总数的绝大部分，图像压痕圆的特征不能凸现出来。图像分割闽值不易确定。但光源强度适当较强时，高、低灰度值像素分界清楚，由于划痕及其他表面缺陷的干扰减弱，中间灰度值像素数占总像素数的比例大大减小（相当于信噪比增大），闰像的分割闽值可以较为准确的确定。通过分析和实验验证，确定了一种基于低灰度值区间加适当修正值的闺值分割方法。

４２目标区域处理

阂值分割后的图像如图３中（ａ）所示。可看到分割后的图片中还存在杂散的划痕和中心亮斑的图案，因此，编写了消除杂散斑和填充压痕圆的程序，处理斤的压痕圆图片如图３中所示。

（ａ）阚值分割后的二值图（ｂ）去除杂散斑后的二值图

（ｃ）处理后的压痕圆二值图（ｄ）提取的压痕圆轮廓

图３压痕图片的二值化处理

４．３压痕圆拟合

得到压痕圆轮廓后，采用最小二乘法进行压痕圆轮廓的圆拟和运算，以达到提高精度的目的。

算法如下：

圆的方程描述为：

（ｘ一Ⅱ）２＋（ｙ一６）２＝，２

Ｏ）４（

第二届全国信息与电子工程学术交流会暨第十三届洲川省电子学会曙光分会学术年会论文集１ｌｌ取残差为：

（２）毛＝（‘一ｄ）２＋（咒一６）２一，２

式中，ｆ∈Ｅ，Ｅ表示所有轮廓点的集合，（ｔ，Ｙｉ）为压痕圆轮廓点的坐标。因此，残差平方和为：

Ｑ＝∑‘２＝∑［（玉－ａ）２＋（Ｍ—ｂ）２－ｒ２］２

根据晟ｄ，－乘法原理有：（３）

望：罢：罢：ｏ’一＝一＝一＝Ｉａ６ａ，．Ｊ，＾、

、’７

ａ

解上式三个方程即可计算得到圆心坐标和半径值ｏ”。为了简化运算过程在程序中使用矩阵进行运算，提高了运算效率。拟含后的效果如图４所示。

５系统综合分析

通过控制光源强度，综合分析压痕图片的特点，提出了计算压痕圆直径的算法，经过验证，用此算法测得的压痕直径的误差在０．３％ＦＳ以内，完全满足硬度计压痕吲直径测量的要求。

上述结果是在崩较强的项部平行光源，固定焦距镜头，和分辨率为７６８×５７２的通用面阵ＣＣＤ摄像头条件Ｆ做出的，系统安装在一个较精密的机械工作台上。由于摄像头的视场不大，加上工作台的机械精度较高，图像畸变和摄像装置的机械误差对测量的影响很小。

图４压痕图片的处理效果图

６结论

由于测量目的各不相同，并没有通用的图像测量算法，本文提出的压痕尺寸的图像测量算法，较好地完成了布氏硬度计压痕直径的测量。但是图像测量系统中对测量精度的影响因素很多，本文只讨论了光源、杂散斑等的影响，其他的如摄像系统机械装置、镜头、ＣＣＤ电荷噪声等等，还有待

进一步研究。

１１２布氏硬度试验压痕直径的图像测量及实现

参考文献

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ＧＢ／Ｔ２３１２－２００２金属布氏硬度试验第２部分：硬度计的检验与校准．

ＷｉｌｌｉａｍＫＰｒａｔｔ著．邓鲁华，等译数字图像处理．北京：机械工业出版社，２００５．

杨淑莹编著ＶＣ＋＋图像处理程序设计．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，２００５

卢开所．几何形状图像测量天津：天津大学硕士论义．２００４３．

布氏硬度试验压痕直径的图像测量及实现

作者：

作者单位：王莹， 季立江， 李代生中国工程物理研究所总体工程研究所,四川,绵阳,621900

相似文献(2条)

1.期刊论文 王莹. 廖俊必. 季立江. 李代生. WANG Ying. LIAO Jun-bi. JI Li-jiang. LI Dai-sheng 基于图像分割技术的压痕直径图像测量 -兵工自动化2007,26(2)

在分析布氏硬度试验压痕图像基础上,提出基于属性直方图的图像分割算法.利用工业CCD相机获取压痕图像,通过图像分割、目标区域处理、压痕圆拟合等步骤完成图像处理,由此实现对压痕尺寸的自动精确测量.实验证明,该算法满足布氏硬度试验对压痕直径的测量要求.

2.学位论文 王莹 布氏硬度计压痕的图象测量方法研究 2007

布氏硬度试验方法是金属硬度检测中最广泛和常用的硬度检测方法之一。但是布氏硬度试验压痕尺寸主要靠人工测量，大大影响了测量效率，并带入了人为误差。随着图像传感器技术及图像测量技术的发展，图像测量的分辨率和精度也越来越高，使采用图像测量技术进行布氏硬度试验压痕尺寸测量，从而提高硬度测量效率和精度，并提高硬度计的智能化水平成为可能。

针对布氏硬度试验压痕的特点，本文对压痕图像测量系统的实现、和图像处理方法进行了详细的分析和研究。

首先，论述了布氏硬度试验方法的原理和测量方法的发展情况，压痕尺寸图像测量系统研究、开发的必要性和可行性。接着，论述了图像测量的技术原理，并对组成图像测量系统的各个部分：图像采集、图像处理和特征量的测量进行了详细分析，并分析了图像测量系统中的误差来源。

针对布氏硬度试验压痕的特点，论述了压痕图像测量方法的可行性，分析了光源照明方式对压痕图像获取的影响。进行了压痕图像处理的试验和研究分析，对比研究了图像滤波、图像分割、轮廓提取和压痕圆拟合的各种图像处理方法，提出了适用于压痕图像的中值滤波、基于灰度直方图的阈值分割和二值化处理、及边缘提取和压痕圆拟合的图像处理算法。

根据实用性和低成本的系统开发要求，进行了压痕图像测量系统的试验系统的组建和研究，并针对试验过程中出现的各种实际问题进行了反复试验和算法的改进，包括图像分割阈值的选取方法、二值图像的圆形滤波、和压痕轮廓圆的逼近和拟合算法。

试验系统取得了较好测量效果，满足国家标准对测量系统的要求，为压痕图像测量系统的工程化研制积累了经验。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6211516.aspx

授权使用：中国计量科学研究院文献馆(中国计量科学研究院文献馆)，授权号：0725e440-8ed6-4fcf-ac81-9e3800ab748a

下载时间：2010年11月24日