一种表面粗糙度测量方法与装置与流程

本发明涉及一种表面粗糙度的测量方法和实现装置，属于光学测量领域。通过配有长物距显微镜头的高分辨率显微相机以及n≥3个不同入射角度的点光源，采集被测物不同入射角度光源照射的多张图像，根据光度立体视觉原理对被测物进行表面三维重建，并按国标的规定计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值，作为表面粗糙度的测量值。

背景技术：

表面粗糙度是机械零件表面质量评定的主要精度指标之一。随着现代科学技术的发展与进步，工业产品的质量越来越高，粗糙度测量已经由传统的抽检改为必检，对粗糙度测量方法提出了更高要求。传统的接触式测量方法存在效率低、容易损伤表面等缺点，已经无法满足实际的需求；而干涉显微镜测量法，激光共聚焦扫描显微测量方法等非接触式方法均存在设备成本极高、测量环境要求严格、操作复杂且效率低下等问题。因此，探索一种设备简单、测量效率高、具有较高精度的粗糙度测量方法成为企业的迫切需求。

机器视觉检测技术具有检测效率高、获取信息量大、测量精度高、柔性好、非接触、性价比高等优点，被不少学者引入到表面三维形貌测量中，取得不错的效果。光度立体视觉是一种三维视觉检测技术，可以精细地得到零件表面三维形貌，进而可以对表面三维的各类信息与特征进行研究。光度立体视觉具有非接触、设备简单且价格低廉、检测效率高等优点，在表面三维形貌测量方面有着极大应用潜力。

本发明根据光度立体法原理，设计多光源表面三维重建系统，对被测物体分别拍摄不同角度光照下的多张图像，应用光度立体视觉算法重构出被测表面三维深度模型，并使用国家标准规定的轮廓法提取、计算相关统计信息，最终实现表面粗糙度测量。

技术实现要素：

一种利用光度立体视觉测量表面粗糙度的方法，采用3个以上点光源和高分辨率显微相机对被测物进行表面三维重建，并计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值，作为表面粗糙度的测量值；所述点光源为3个以上的不同入射角度的点光源，所有光源照射到被测物的同一位置；所述高分辨率显微相机配有长物距显微镜头，拍摄第i(1≤i≤n)个点光源照射时被测物的表面图像ii，所有点光源依次点亮后相机可拍摄n幅表面图像i1～in，采用高光黑球对光源的方向进行标定，得到第i(1≤i≤n)个点光源单位方向向量li，所有光源的单位方向向量l1～ln，以及世界坐标(x,y,z)与图像坐标(u,v)的变换比例系数f，通过光源的单位方向向量l1～ln和被测物体表面二维图像i1～in计算表面深度的图像坐标值w(u,v)，通过变换比例系数f得到被测物体表面深度的世界坐标值z(x,y)，选取对应的取样长度lr，对z(x,y)取样得到轮廓曲线z(x)，采用高斯滤波器对轮廓曲线z(x)进行滤波，得到高斯中线w(x)，并分离出粗糙度轮廓r(x)，计算粗糙度轮廓r(x)的算术平均偏差值作为粗糙度的测量值。

本发明的另一个技术方案是上述的点光源照明下高光黑球的图像，提取图像上高光黑球的圆形轮廓，计算该圆形轮廓的半径r以及圆心(uo,vo)，并计算高光黑球反射亮斑的重心坐标(ud,vd)。反射亮斑处的表面法向量为：

式中光源的单位方向向量为：

l＝2(n·v)v-v，

所述测量表面粗糙度方法的装置包括多光源球面灯罩、显微成像系统、控制模块和载物台；所述的多光源球面灯罩为半球型，固定于机座上，其内球面采用黑色不反光材质，内球面上均布3个以上点光源。增加光源数量可降低测量结果的噪声，提高测量的精度和准确性。

载物台位于多光源球面灯罩球心处，载物台平面与多光源球面灯罩轴心垂直，通过微调装置固定于机座上。

显微成像系统由长物距显微镜头、高分辨率相机构成，成像系统光轴与多光源球面灯罩的轴心重合，通过带有微调装置的支架固定，实现对焦。

所述的控制模块控制光源的发光与相机的采集，将被测物体加载到载物台上，按顺序依次点亮多光源球面灯罩内所有光源，每次光源点亮时相机采集被测物体表面图像；控制模块同时向高分辨率相机以及多光源球面灯罩发送触发信号ti(i＝1，2，...，n)，控制多光源球面灯罩上的点光源按顺序点亮，每一时刻只点亮一个光源，所有光源依次点亮一次为一个照明循环；高分辨率相机接收触发信号ti，并在该时刻采集图像ii，通过一个照明循环可采集图像i1～in，将i1～in存储在计算机中，用所述的表面粗糙度测量方法计算被测物表面粗糙度。

本发明是这样实现的：

定义世界坐标系为(x，y，z)，图像坐标系为(u，v)。首先通过直径为d的高光黑球对光源的方向进行标定，得到所有光源的单位方向向量l，以及世界坐标(x，y，z)与图像坐标(u，v)的变换比例系数f。

然后加载被测物体到载物台，采用上述控制流程采集一个照明循环的被测表面二维图像i，计算被测表面的单位法向量n为：

n＝l^-1·i/|l^-1·i|

(1)

假设图像坐标系中某点的相对深度为w(u，v)，定义其沿图像u方向和v方向的梯度分别为p(u，v)，q(u，v)：

梯度矩阵p和q可以由下式求出：

(p，q)＝(nu·/nw，nv·/nw)(3)

式中，nu，nv，nw分别为被测表面单位法向量n在u，v及垂直于图像平面的分量。

假设w的初始值w⁰(u，v)＝0，根据以下的迭代公式可求出w(u，v)的值：

w^m经过多次迭代得到最优解。根据f计算世界坐标系下的实际深度z(x,y)：

根据国标gb/t1031-2009，选取对应的取样长度lr，将式(5)得到的z(x,y)按不同y值取k段，可以得到k个轮廓曲线zi(x)(i＝1,2,…,k)。在一个取样长度lr内，轮廓上各点zi(x)绝对值的算术平均被称为轮廓算术平均偏差ra值，计算公式如下：

由于表面粗糙度是表面轮廓的短波部分，需要滤除表面轮廓的长波部分。使用特定的滤波器对原始轮廓进行处理，将长波成分从原始轮廓中剥离，从而获取粗糙度轮廓中线。国家标准gb/t6062-2009推荐采用如下的高斯滤波器对表面轮廓z(x)进行滤波。

式中，λ为波长，λco为轮廓滤波器的截止波长，其数值上与取样长度相等，即λc＝lr。α是一个常数。将表面轮廓z(x)与高斯权值函数g(x)作卷积运算，得到高斯中线w(x)。

将表面轮廓z(x)减去高斯中线w(x)，进而分离出粗糙度轮廓r(x)。

r(x)＝z(x)-w(x)(9)

通过式(8)和式(9)可以得到k个轮廓曲线zi(x)(i＝1,2,…,k)的粗糙度轮廓ri(x)(i＝1,2,…,k)，计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值如下：

值即是粗糙度的测量值。

附图说明

图1为所述测量装置的整体构成。图1中：1为显微成像系统，包括高分辨率相机1a，长物距显微镜头1b，带有微调装置的支架1c；2为多光源球面灯罩，包括内球面采用黑色不反光材质的半球面2a，均布的n≥3个点光源2b；3为载物台；4为微调装置；5为计算机；6为控制模块；ti为触发信号；ii为图像序列。

图2为高光黑球二值图像示意图。

图3为光源单位向量求取示意图。

具体实施方式

所述测量装置如图1所示，由显微成像系统1、多光源球面灯罩2、载物台3及其微调装置4、计算机5、控制模块6构成。

多光源球面灯罩2为半球型，固定于机座上，其内球面2a采用黑色不反光材质，内球面上均布n≥3个点光源2b，安装在多光源球面灯罩的纬度环上。

载物台3位于多光源球面灯罩球心处，载物台平面与多光源球面灯罩轴心垂直，通过微调装置4固定于机座上。

显微成像系统1由高分辨率相机1a和长物距显微镜头1b构成，成像系统光轴与多光源球面灯罩轴心重合，通过带有微调装置的支架1c固定，实现对焦，显微镜头物距1b大于多光源球面灯罩2的1/2直径，避免干扰照明光路。

所述测量装置的控制流程为：

控制模块6同时向高分辨率相机1a以及多光源球面灯罩2发送触发信号ti，控制多光源球面灯罩2上的点光源2b按顺序点亮，每一时刻只点亮一个光源，所有光源依次点亮一次为一个照明循环；高分辨率相机1a接收触发信号ti，并在该时刻采集图像ii，通过一个照明循环可采集图像i1～in，将i1～in存储在计算机5中，用于后续计算。

采用高光黑球进行光源标定的过程如下：

拍摄点光源照明下高光黑球的图像，提取图像上高光黑球的圆形轮廓，如图2中虚线所示，计算该圆形轮廓的半径r以及圆心(uo,vo)，并计算高光黑球反射亮斑的重心坐标(ud,vd)，如图2中箭头所指处。反射亮斑处的表面法向量为：

式中由于相机距离较远，视场范围较小，因此反射光方向向量v近似垂直向上。根据图3所示的几何关系，可推导得出光源的单位方向向量为：

l＝2(n·v)v-v(12)

以ra25μm的表面粗糙度标准样块测量为例，加载标准样块到载物台3，采用上述控制流程采集一个照明循环的图像i。根据式(1)计算被测表面的单位法向量n，根据式(3)计算深度梯度p(u,v),q(u,v),根据式(4)和式(5)计算图像坐标系下的相对深度w(u，v)和世界坐标系下的实际深度z(x,y)。通过以上方法可以得到标准样块的表面三维重构图。根据国标gb/t1031-2009，选取取样长度lr＝16mm。在表面加工纹理方向上，随机的在标准样块表面三维重构图上对于其垂直方向的轮廓取样10次，得到10条轮廓曲线，根据式(8)可以得到轮廓曲线的高斯中线，根据式(9)分离出粗糙度轮廓曲线，根据式(10)计算粗糙度轮廓的算术平均偏差值如表1所示。

表1ra25μm粗糙度标准样块的粗糙度计算值