基于数字图像处理的光切法槽深测量方法研究.docx

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1、基于数字图像处理的光切法槽深测量方法研究hesp导语：在窄浅槽的深度测量方面，常用的测量方法受到很多的限制。1前言在无损探伤的研究中，往往要预先制作标准试样，以供设备研制的测试和标定。标准试样是一定规格的槽或者孔，有关国家标准对其深度尺寸有较高的要求。测量刻槽深度的方法有多种，如机械仪表测量、超声波测量、脉冲热像检测和白光干预测量法等。脉冲热像对槽深度的定量检测通常利用热像时间序列先求得峰值时间，进而求得槽深度，但该法不合适窄槽的测量1，也不合适准确测量深度小的缺陷2。机械仪表测量通常采用游标卡尺、深度百分表或者千分表，操纵简单，但测量的精度不高。超声波测量是在槽的两侧外表相近部位,分别配置超

2、声波纵波发射探头和接收探头，接收探头接收到的回波中含有槽深度信息，按此回波的传播时间来测量裂缝的深度，该方法测量精度高，但超声波测量经过费事，适用范围小3。白光干预测量法是利用迈克尔逊光路构造产生相干光，采用白光光源测量物体外表的三维轮廓，具有高测量精度和高灵敏度的特点，测试经过快速准确，但该方法对底部比拟粗糙的刻槽不合适4。在底部较粗糙的窄浅槽深度测量方面，上述测量方法受到了很大的限制。如今，数字图像处理技术已经非常成熟，同时CCD的成像质量越来越高。用光切法和CCD获取光带在槽轮廓处形成的图像，再用计算机软件对图像进展处理，不仅操纵特别简便，而且测量精度较高。2光切法测量原理光切法的主要设

3、备是双管显微镜，其加装CCD后的测量光路如图1所示。双管显微镜有两个光管，一个为照明管，另为观测管。两管轴线互成90。光源4发出的光经聚光镜3聚焦成平行光，经狭缝2后形成细光带，再由物镜1聚焦后，成45角投射在工件8的外表上。细光带与槽的长度方向垂直。光带以与光源成90角的方向反射，经物镜7和目镜6聚焦后以供观测5。在目镜后加装CCD5，以便产生数字图像传送给计算机进展处理。1照明管物镜2狭缝3聚光镜4光源5摄像头6观测管目镜7观测管物镜8带窄槽的工件在未开槽的工件外表上，光带成像是一条完好的光带，但开槽后由于槽底部与工件上外表不在一个高度上，形成的反射光带与上外表的反光会错开一定间隔，光带不

4、再是连续的。b3CCD摄取图像/b3.1CCD成像原理电荷藕合器件图像传感器CCDChargeCoupledDevice是在P或者N型硅基体上，生成一层SiO2绝缘层厚度约0.1m，再于绝缘层上淀积一系列间隙相隔很小小于0.3m的金属电极栅极，每个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个MOS电容器，CCD实际上是由一系列MOS电容器构成的MOS阵列。由于这些MOS电容器彼此靠得很近，它们之间可以发生耦合，使被注入到MOS电容器中的电荷可以有控制地从一个电容器移位到另一个电容器。这种电荷转移经过是电荷耦合的经过6。生成的电荷通过模数转换器芯片转换成数字信号，再传输给计算机，并借助计算机的

5、处理手段，根据需要来修改图像。CCD通常以像素为单位。3.2光源的选择CCD应用系统可大致分为摄像和检测两种类型，不同类型对照明光源有不同要求。摄像是为了真实地记录景物的构造、状态和颜色，光源一般是日光或者大功率氙灯。检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。对于前者，只要选用白炽灯或者卤钨灯作为照明光源就可以了；而对于后者，应选用激光照明，它能知足单色性好、相干性好、光束准直度高等方面的要求7。在实际测量中，采用了白炽灯光经黄绿色滤光片后所得的光作为光源，既有效地缩小了光的波长范围，又保证

6、了光照度，效果较好。3.3摄取图像在调好双管显微镜的光源聚焦后，再调整好显微镜的目镜，用肉眼观察光带的成像质量。在获得较好的成像质量后，安装好带有CCD的摄像头并摄取图像。前后需摄取两幅图像，一幅是工件完好外表的光带图像，还有一幅是槽及其相近工件外表的光带图像。实际测量一个电火花加工EDM获得的刻槽的光带图像。该工件是不锈钢管，其外圆柱面OD面上刻有纵向槽的长度方向与钢管中心线平行槽。先旋转钢管，在完好的部位拍摄一幅图像，如图2a所示。此图像是不锈钢管OD面反射光带的图像，用作槽图像的参照，便于较好地读取槽底部和其对应钢管外表的间隔。钢管OD面和刻槽底部的反射光带共同形成的图像。a钢管外表的光

7、带图像b钢管槽的光带图像b4数字图像处理/b在实际应用中，不锈钢管外表受光洁度的影响，形成的光带轮廓不是很明晰。尤其是电火花加工的缘故，槽底部的外表粗糙度较大，槽底形成的光带短小、模糊。在图像质量不高的情况下，有必要用数字图像处理技术对获得的图像进展处理，以提取感兴趣的信息8。4.1图像阈值分割由于图像只由光带和暗背景两局部组成，因此首先对图像进展阈值分割处理可获得较好的图像效果。选用迭代阈值图像分割方法，先进展直方图灰度值统计，设定初始阈值为127，分别计算图像中小于127和大于127的两组平均灰度值，再进展迭代计算，直至两个阈值相等，根据计算的阈值对图像进展二值化处理8。4.2滤波处理滤波

8、处理使图像轮廓平滑，图像质量得到改善。中值滤波既能去除图像中的噪声，又能保持图像中一些物体的边沿9。选用99中值滤波方法，读取图像后循环获得各点像素值，并对以各点为中心的99窗口所包括的像素值进展排序，得到中间值，以此替换各点的像素值8。4.3转为灰度图像把彩色图像转换为灰度图像，便于下步的粗化处理。详细处理方法是比拟各像素点的R、G、B分量值，取最大值作为该像素点的灰度值8。a钢管OD面光带b钢管槽光带此时的图像虽较明晰，但轮廓较粗，边沿不整洁，不利于读数，因此有必要进展进一步的处理。4.4粗化处理粗化处理是为了获得图像的“骨架，即图像轮廓的中轴线。先对灰度图像进展灰度值取补，然后再对图像细

9、化处理，即先定义一个55的构造元素，计算55的构造元素中各个位置上的值，从第3行第3列开场起，判定每一像素点是否同时符合被删除的4个条件，并依次对其进展处理8。循环执行判定是否删除，直到没有点可以删除为止。a钢管OD面的光带骨架b钢管槽的光带骨架4.5图像的叠合明晰地看到光带图像是圆弧状的，为便于观察槽底部图像与加工前钢管外外表图像的差异。4.6部分放大后加网格上方的小斑点即为槽底部的图像，下方程度线即钢管外表未加工处的图像。为便于读数，把图像中间局部放大一倍，然后添加网格，分度为6微米/格。b5结语/b在对不锈钢管的刻槽深度测量的实际应用中，该方法测量的精度较高，尤其合适刻槽底部具有一定粗糙

10、度的窄浅槽深度的高精度测量，同时也可用作对刻槽宽度的测量。在开发出适宜的应用程序后，该方法既可以实现数字图像的自动处理，也可以在自动处理图像的效果不好时，用手动的方式进展分步处理，必要时还可增加亮度调节和比照度调节以及其他滤波处理等环节。还可以在保证钢管挪动平稳性的前提下，实现对单个刻槽不同部位深度的连续测量，便于完全把握刻槽的深度信息。在改变显微镜的放大倍数的情况下，也可以测量较大的刻槽深度。b参考文献：/b1王永茂,王飒爽,马宁等.缺陷深度脉冲热像检测新方法J.无损检测,2004,263,124-126.2王永茂,郭兴隆,李日华等.缺陷大小和深度的红外检测J.无损检测，2003，259，458-461.3王亚峰.裂纹深度非破坏测量方法J.计量技术，2006,7,39-40.4薛晨阳3,孔繁华,张文栋等.利用白光干预原理测量MEMS深槽构造J.传感技术学报J,2006,195.5谢铁邦,李柱,席宏卓.互换性与技术测量第三版M.武汉：华中理工大学出版社,1998.6刘笃仁等.传感器原理及应用技术M.西安：西安电子科技大学出版社2003.7王庆有等.CCD应用技术M.天津：天津大学出版社，20008杨淑莹.VC+图像处理程序设计第2版M.北京：清华大学出版社,北京交通大学出版社,2005.9夏良正等.数字图像处理修订版M南京：东南大学出版社，1999