基于分層聚焦采集圖像和三維重建的刀具磨損檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于分層聚焦采集圖像和三維重建的刀具磨損檢測(cè)方法，通過(guò)CCD顯微鏡對(duì)刀具磨損區(qū)域進(jìn)行分層聚焦采集圖像，后期通過(guò)對(duì)分層圖像的亮度方差作比較的方法確定每張分層圖像的清晰區(qū)域，保留所有分層圖像的清晰區(qū)域，去除模糊區(qū)域，不同圖層的清晰區(qū)域?qū)?yīng)實(shí)際磨損區(qū)域的不同深度區(qū)域，將對(duì)應(yīng)不同深度區(qū)域的各圖層中的清晰部分像素用不同的灰度替代，并用MIMICS軟件對(duì)所得的圖像進(jìn)行三維重建，將不同灰度的像素用不同的色彩進(jìn)行替代，最終得到了刀具磨損區(qū)域的彩色三維形貌圖，不同的顏色對(duì)應(yīng)刀具磨損區(qū)域的不同深度，使得刀具磨損區(qū)域的三維形貌更加一目了然，從而更加便于對(duì)刀具磨損的檢測(cè)和評(píng)估。
【專利說(shuō)明】基于分層聚焦采集圖像和三維重建的刀具磨損檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械工程領(lǐng)域，特別是一種基于分層聚焦采集圖像和三維重建的刀具 磨損檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在金屬切削加工中，刀具/工件界面處的表面負(fù)荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑 移而產(chǎn)生的能量和摩擦，轉(zhuǎn)化為熱量，而通常這些熱量的80%都被切屑帶走（這一比例的變 化取決于幾個(gè)要素--尤其是切削速度），其余大約20%的熱量則傳入刀具之中，熱量和溫 度是刀具磨損的根本。
[0003] 隨著汽車、航空航天、能源、醫(yī)學(xué)、新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，刀具正在向復(fù)合化、 特殊化、1?速化、1?精密、品種多?；融厔?shì)發(fā)展。除了刀具工藝技術(shù)水平的提1?，刀具磨損 情況定時(shí)檢測(cè)不可或缺。刀具磨損后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并導(dǎo)致切削 力加大、切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，不能繼續(xù)正常切削。因此，刀具磨損直接影響加工效 率、質(zhì)量和成本。
[0004] 刀具磨損對(duì)工件表面加工質(zhì)量有著重要的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)刀具磨 損狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，這些研究主要包括以下方面：（1)對(duì)刀具在切削過(guò)程中 產(chǎn)生的切屑進(jìn)行測(cè)量，目前尚處于理論研究階段；（2)監(jiān)視特定的機(jī)床參數(shù)，用來(lái)判斷刀具 的磨損情況，操作較為容易，但是精度不高；（3)直接對(duì)刀具進(jìn)行觀測(cè)，該方法操作雖然實(shí) 現(xiàn)較難，但是精度較高。
[0005] 刀具的磨損區(qū)域集中在微米級(jí)的研究范圍，因而對(duì)于測(cè)量提出了更高的要求。目 前，由于三維測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用限制，通過(guò)圖像處理的刀具磨損分析一直局限在二維形貌的 分析上，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的制定也僅限于平面二維參數(shù)方面的度量，比如：前刀面的月牙洼磨損深 度KT，刀尖磨損最大值VC，主溝槽磨損量VN，后刀面磨損寬度VB。而對(duì)于刀具磨損程度的 更深程度的認(rèn)識(shí)需要了解磨損區(qū)域的三維形貌。
[0006] 刀具磨損區(qū)域的三維重建屬于顯微三維表面重構(gòu)的范疇。傳統(tǒng)的三維重建方法比 如雙目視覺(jué)的方法，由于顯微照片的背景和結(jié)構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)單、對(duì)比度低、光學(xué)畸變等原因難以 確定特征點(diǎn)并進(jìn)行有效的匹配；結(jié)構(gòu)光三維重建方法又由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，標(biāo)定困難等原 因推廣較難。國(guó)內(nèi)外對(duì)刀具磨損區(qū)域的三維重建的研究都鮮有報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種基于分層聚焦采集圖像和三維重建的刀具 磨損檢測(cè)方法，對(duì)CCD拍攝得到的分層聚焦圖像進(jìn)行處理并進(jìn)行三維重建后得到刀具具體 磨損區(qū)域的形貌。
[0008] 本發(fā)明公開了基于分層聚焦采集圖像和三維重建的刀具磨損檢測(cè)方法，包括如 下步驟： (1)將CXD顯微鏡置于被測(cè)刀具磨損區(qū)域上方，刀具兩側(cè)放置SCHOTT肖特冷光源，。調(diào) 節(jié)顯微鏡的堅(jiān)直高度，使得其清晰成像的區(qū)域?yàn)榈毒吣p區(qū)域的最底端，采集此時(shí)捕捉到 的圖像。
[0009] (2)微調(diào)顯微鏡的物鏡使其上移一個(gè)微小的距離ΔΑ，（為保證檢測(cè)的精度，ΔΑ的 取值應(yīng)在0. Imm以下)，保存清晰區(qū)域變化后的成像。
[0010] (3)重復(fù)以上移動(dòng)顯微鏡的物鏡使其清晰成像區(qū)域發(fā)生變化，并保存相應(yīng)的圖像 的操作，直到顯微鏡所顯示的清晰區(qū)域已經(jīng)是刀具磨損區(qū)域的最上端為止，形成N層圖像； (4) 移除刀具，在原放置刀具的位置放置一個(gè)標(biāo)尺，調(diào)整CXD顯微鏡的高度，使得標(biāo)尺 的成像達(dá)到最為清晰，并進(jìn)行圖像采集，通過(guò)標(biāo)尺的實(shí)際尺寸和標(biāo)尺圖像所占像素區(qū)域，計(jì) 算圖像中每個(gè)像素所代表的實(shí)際尺寸； (5) 在圖像上選取一個(gè)像素區(qū)域?yàn)棣铅枝?(Π 為大于2的奇數(shù)）的區(qū)域，求得該區(qū)域的亮 度的方差￡5。
[0011] (6)求得mas(￡)l，￡)2……為Λ，即在第《層該坐標(biāo)區(qū)域的三個(gè)顏色分量的亮 度的方差之和達(dá)到最大值，因此判定在第《層的坐標(biāo)為(M)處的像素為清晰點(diǎn)。
[0012] (7)判斷完所有像素后，保留各層圖像中判斷為清晰的點(diǎn)，去除各層圖像中被判 斷為模糊的區(qū)域，并將對(duì)應(yīng)不同深度區(qū)域的圖層的清晰部分用不同的灰度進(jìn)行替代，去除 模糊點(diǎn)時(shí)用純白色來(lái)替代原色； (8) 將經(jīng)過(guò)步驟（7)處理后的圖像導(dǎo)入MMICS軟件中進(jìn)行三維重建，用MMICS (Materialise，s interactive medical image control system.模塊化結(jié)構(gòu)的軟件）的相 同灰度自動(dòng)選擇的功能，將所有圖像中相同灰度的部分選中，并用不同的色彩替代不同灰 度的像素，最終得到刀具磨損區(qū)域的三維形貌圖，且不同的顏色區(qū)域?qū)?yīng)不同的實(shí)際磨損 區(qū)域的不同深度； (9) 在得到的刀具磨損表面的三維形貌中，根據(jù)每個(gè)像素所代表實(shí)際尺寸以及被判斷 為清晰區(qū)域的像素所在圖層的高度，即可得到刀具被磨損掉區(qū)域的體積。
[0013] 通過(guò)微調(diào)C⑶顯微鏡以獲得刀具磨損區(qū)域清晰區(qū)域處于不同高度的圖像。
[0014] 在求圖像上(?為大于2的奇數(shù)）的區(qū)域的亮度方差時(shí)，將彩色圖像的三個(gè)顏 色分量獨(dú)立開來(lái)，分別求的三個(gè)顏色分量亮度的平均值為Sa , Ga , 5a ,緊接著再求三個(gè)顏 色亮度的方差：

【權(quán)利要求】
1. 1、基于分層聚焦圖像采集和三維重建的刀具磨損檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下 步驟： (1) 將CXD顯微鏡置于被測(cè)刀具磨損區(qū)域上方，刀具兩側(cè)放置肖特冷光源，調(diào)節(jié)顯微鏡 的堅(jiān)直高度，使得其清晰成像的區(qū)域?yàn)榈毒吣p區(qū)域的最底端，采集此時(shí)捕捉到的圖像； (2) 微調(diào)顯微鏡的物鏡使其上移一個(gè)微小的距離ΔΛ,保存清晰區(qū)域變化后的圖像； (3) 重復(fù)步驟（2)，直到顯微鏡所顯示的清晰成像的區(qū)域已經(jīng)是刀具磨損區(qū)域的最上端 為止，形成N層圖像； (4) 移除刀具，在原放置刀具的位置放置一個(gè)標(biāo)尺，調(diào)整CXD顯微鏡的高度，使得標(biāo)尺 的成像達(dá)到最為清晰，并進(jìn)行圖像采集，通過(guò)標(biāo)尺的實(shí)際尺寸和標(biāo)尺圖像所占像素區(qū)域，計(jì) 算圖像中每個(gè)像素所代表的實(shí)際尺寸； (5) 將步驟（1)至步驟（3)所得到的所有圖像上選取一個(gè)像素區(qū)域?yàn)椤鼎枝堑淖? 標(biāo)區(qū)域，^為大于2的奇數(shù)，求得該ηχη的坐標(biāo)區(qū)域的在所有N層圖像上亮度的方差D\,D2......DN (6) 求得最大值max(￡31,D2…為1? ,即在第《層該nXil坐標(biāo)區(qū)域的三個(gè)顏色 分量的亮度的方差之和達(dá)到最大值，判定在第《層的坐標(biāo)處的像素為清晰點(diǎn)，記該點(diǎn)坐標(biāo) 為(U); (7) 判斷完所有圖像上所有像素后，保留各層圖像中判斷為清晰的點(diǎn)，去除各層圖像中 被判斷為模糊的區(qū)域，并將對(duì)應(yīng)不同深度區(qū)域的圖層的清晰成像的區(qū)域用不同的灰度進(jìn)行 替代，去除模糊的區(qū)域時(shí)用純白色來(lái)替代原色； (8) 將經(jīng)過(guò)步驟（7)處理后的圖像導(dǎo)入MMICS軟件中進(jìn)行三維重建，用MMICS的相同 灰度自動(dòng)選擇的功能，將所有圖像中相同灰度的部分選中，并用不同的色彩替代不同灰度 的像素，最終得到刀具磨損區(qū)域的三維形貌圖，且不同的顏色區(qū)域?qū)?yīng)不同的實(shí)際磨損區(qū) 域的不同深度； (9) 在得到的刀具磨損表面的三維形貌中，根據(jù)每個(gè)像素所代表實(shí)際尺寸以及被判斷 為清晰成像的區(qū)域的像素所在圖層的高度，即可得到刀具被磨損掉區(qū)域的體積。
2. 如權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于：通過(guò)微調(diào)CXD顯微鏡以獲得刀具磨損區(qū)域 清晰成像的區(qū)域處于不同高度的圖像。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：在求圖像上ηXW的區(qū)域的亮度方差時(shí)，將 彩色圖像的三個(gè)顏色分量獨(dú)立開來(lái)，分別求的三個(gè)顏色分量亮度的平均值i?a , (? ,Sa,緊 接著再求三個(gè)顏色亮度的方差:
X和y分別表示被判斷像素在圖像中的坐標(biāo)，A1X-V)表示在坐標(biāo)為(U)處的像素的紅 色分量的亮度值，G<X另表示在坐標(biāo)為Od)處的像素的綠色分量的亮度值，B(Ui)表示 在坐標(biāo)為(Ui)處的像素的藍(lán)色分量的亮度值； 求得三個(gè)顏色分量亮度的方差之后再求其和D= + ⑦+D(S)。
4.如權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于：用MMICS對(duì)圖像進(jìn)行三維重建，將各圖層 中所有保留點(diǎn)的二維坐標(biāo)分別作為x，y軸的坐標(biāo)，所在圖層的位置作為z軸的坐標(biāo)，構(gòu)建三 維坐標(biāo)圖，即可得到刀具磨損表面的形貌。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104463887SQ201410791679
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】袁鐵軍, 孟龍暉, 張秀麗 申請(qǐng)人:鹽城工學(xué)院