一种基于机器视觉的双相机布氏硬度测量装置和测量方法与流程

本发明属于布氏硬度测量领域，尤其涉及一种基于机器视觉方法的双相机布氏硬度测量装置和测量方法。

背景技术：

材料机械性能对各种机械和建筑工程的设计及加工具有特别重要的意义，对于各种机械部件或建筑构件而言，都要求具有一定的特性。“硬度”所表示的不是一个确定的物理量，目前没有发现任何一种测量硬度的方法和某一个物理性质有着确定量的关系，硬度试验在日常的生产和科研当中，尤其是机械制造领域和材料科学研究当中都得到了广泛的应用。硬度一定程度上反应了材料的力学性能，对各种机械设计及加工有着举足轻重的作用。目前我国已经标准化的硬度试验方法一共有6种：布氏硬度试验、维氏硬度试验、里氏硬度实验、洛氏硬度实验、肖氏硬度试验和努氏硬度试验。其中，布氏硬度主要是由1900年的瑞典学者布纳瑞（j.a.brinell）提出来的，这种测量方法压痕较大，因而其硬度值在实验过程中受材料不均匀的影响较小，具有较高的检测精度，测量结果也相对比较集中，能够比较客观实际的反应出材料的力学性能，所以是目前比较常用的方法之一。其主要方法是：用球形压痕表面积来对硬度进行评定，压痕表面积主要用测量得到的压痕平均直径来计算，用一定条件下的试验力除以球形压痕的表面积所得到的数值作为布氏硬度值。

目前，我国大部分地方对布氏硬度的测量还借助的传统的光学显微镜进行人工测量，首先使用手持打磨机对试样进行打磨抛光，然后用一定规格的钢球加压压入试样表面，然后操作人员通过光学显微镜测量读出压痕直径，这种测量方法不仅误差极大，受人为因素影响较大，而且自动化程度极地，测量效率和精度也不高。

近年来，由于图像处理技术的大力发展，以及其在非接触测量领域内的绝对优势，图像处理技术已经渗透到了各个领域，包括高精度测量，缺陷检测，目标识别与定位等等，基于机器视觉的布氏硬度测量系统不仅仅使得测量硬度更加直观，并且与有效的图像处理算法相结合后还可使测量精度大大提高，减小人为因素，稳定性提高，抗干扰能力增强。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供一种基于机器视觉方法的双相机布氏硬度测量装置和测量方法。

本发明采取以下技术方案：一种基于机器视觉方法的双相机布氏硬度测量装置，包括基座，基座上设置有工作台，工作台上安装有水平x方向驱动装置以及水平y方向驱动装置，工作台上方安装有大视野摄像机和小视野摄相机，大视野摄像机和小视野摄相机固定在竖直方向驱动装置上。

竖直方向驱动装置包括安装在基座上的垂直立柱，垂直立柱上安装有竖向设置的丝杠，丝杠两端安装在轴承座上，丝杠一端通过同步带与电机i连接，丝杠上安装有丝杠螺母，丝杠螺母与l型连接板固定，垂直立柱上还设置有竖向设置的滑轨ii，l型连接板背部安装在滑轨ii并可沿滑轨ii滑动，大视野摄像机和小视野摄相机通过相机平衡调节机构安装在l型连接板下端。

水平y方向驱动装置包括设置在y方向移动台，y方向移动台底部设置有两个第一y方向移动滑轨，两个第一y方向移动滑轨的外侧分别设置有与其啮合的第二y方向移动滑轨，二y方向移动滑轨固定在基座上；所述的水平x方向驱动装置包括工作平台底部并排设置的两个第一x方向移动滑轨，两个第一x方向移动滑轨的外侧分别设置有与其啮合的第二x方向移动滑轨，第二x方向移动滑轨安装在y方向移动台上，水平y方向驱动装置和水平x方向驱动装置上分别设置有一组驱动结构，驱动结构包括电机、光杠和滑动轴承座，电机驱动光杠，光杠另一端固定，光杠上设置滑动轴承座，滑动轴承座与工作平台/y方向移动台固定。

基座上设置有y方向移动槽，第一y方向移动滑轨设置在y方向移动槽内；y方向移动台上设置有x方向移动槽，第一x方向移动滑轨设置在x方向移动槽内。

相机平衡调节机构包括与l型连接板固定的第一安装板，第一安装板上安装有球形凹槽，球形凹槽内放置有可以随意旋转的球状体，球形凹槽上还设置有螺旋钮，球状体上设置有连接杆，连接杆与第二安装板连接，第二安装板上安装大视野摄像机和小视野摄相机。

一种基于机器视觉方法的双相机布氏硬度测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

s100～首先启动电机通过同步带使得丝杠进行工作，将l型连接板带动升至一个适合大视野摄像机采集图像的高度，然后把带有压痕的标准布氏硬度块放在工作台上，利用大视野摄像机对布氏硬度块进行图像采集，所采集的图像称为第一图像，采集完成后，根据布氏硬度块不同的材料选用不同的载荷和钢球直径，重新对布氏硬度块进行压痕制造，新压痕制造完成后，重新将布氏硬度块放在工作台上，利用大视野摄像机再次对布氏硬度块进行图像采集，所采集的图像称为第二图像。

s200～对大视野摄像机获得的第一图像和第二图像分别进行图像增强。

s300～对大视野摄像机获得的第二图像进行图像旋转矫正，使其变换成第一图像位置。

s400～帧差定位；将经过旋转校正获取新增压痕后的第二图像与增加压痕前的第一图像进行差分，得出第二图像的具体位置，公式如下；

上式中为将获取压痕后的第二图像旋转所得的结果，为获取压痕前的第一图像，所得目标检测结果图像为。

s500～通过大视野摄像机完成新增压痕的第二图像定位识别后，通过工作平台移动将小视野摄像机的视野中心移动至压痕圆中心，小视野摄像机开始进行单个压痕的精准轮廓提取，最后实现小视野摄像机对单个压痕圆的图像采集。

s600～对小视野摄相机获得的图像进行灰度转换和小波去噪预处理。

s700～对小视野摄相机获得的图像进行边缘提取，得到压痕圆的边缘轮廓。

s800～对提取的压痕轮廓进行圆的拟合，并确定压痕圆的直径大小。

s900～对极大压痕圆进行圆弧轮廓检测，从检测到的边缘中提取三个特征点的坐标进行计算，由此确定圆的方程，得到压痕圆的半径和圆心位置。

s1000～通过相机标定将测量得到的圆直径像素值换算成实际长度值，根据布氏硬度hb的计算公式，进而计算得到布氏硬度值；

式中，f为规定的检测用力，d为规定的检测钢球直径，d为施加规定力并保持一定时间后的被测物留下的压痕直径。

所述的步骤s300包括，

s301～分别对获取第一图像和第二图像，完成图像增强后进行傅里叶变换得到相应的频谱图，空域中图像的旋转变换可以直接反映在傅里叶变换频谱中，通过分析频谱图的特征来确定图像的旋转角度。

s302～计算两幅图像的x和y方向的梯度图，并对图像的边缘图像求和。

s303～对两幅图像进行二值化以保留图像频率变化中最明显的直线特征；

s304～利用霍夫变换定位到频谱图中的直线，并分别获取两幅图像中直线的角度和，从而确定需要校正的图像角度为；完成对频谱图的二值化之后，需对频谱图中的特征信息进行直线检测，确定直线的角度信息来确定图像需要较正的角度。

s305～通过仿射变换对图像进行角度校正。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明较大程度上减少了人为干预测量的影响，标准硬度块经压力机打好压痕后，由大视野摄像机进行自动识别定位出新增压痕，然后用小视野摄像机进行压痕圆拟合，进而换算出布氏硬度。

2、本发明的测量精度高。通过小视野摄像机对单个压痕圆的图像进行采集，并进行高精度拟合，从而得到高精度的测量结果。

3、本发明可以一次性对多个压痕圆进行测量。由大视野摄像机定位完成后，小视野摄像机逐个采集单个压痕圆的图像，最终得到多组压痕圆的布氏硬度值。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构侧视图；

图3为大、小视野相机装置视图；

图4为驱动装置示意图；

图5为相机平衡调节机构视图；

图6为水平x方向驱动装置视图；

图7为第一y方向移动滑轨与第二x方向移动滑轨视图；

图中1-电机，2-同步带，3-丝杠，4-丝杠螺母，5-l型连接板，6-基座，7-电机，8-光杠，9-滑动轴承座，10-x方向移动槽，11-第二y方向移动滑轨，12-工作台，14-布氏硬度块，15-大视野摄像机，16-小视野摄像机，17-相机平衡调节机构，18-滑轨，19-垂直立柱，20-控制器盒，21-调平底座，22-y方向移动台，23-x方向移动槽，24-第一x方向移动滑轨，25-第二x方向移动滑轨，26-第一y方向移动滑轨，17.1-第一安装板，17.2-球形凹槽，17.3-螺旋钮，17.4-球状体，17.5-第二安装板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

一种基于机器视觉方法的双相机布氏硬度测量装置，包括基座6，基座6上设置有工作台12，工作台12上安装有水平x方向驱动装置以及水平y方向驱动装置，工作台12上方安装有大视野摄像机15和小视野摄相机16，大视野摄像机15和小视野摄相机16固定在竖直方向驱动装置上。

竖直方向驱动装置包括安装在基座6上的垂直立柱19，垂直立柱19上安装有竖向设置的丝杠3，丝杠3两端安装在轴承座上，丝杠3一端通过同步带与电机i1连接，丝杠3上安装有丝杠螺母4，丝杠螺母4与l型连接板5固定，垂直立柱19上还设置有竖向设置的滑轨ii18，l型连接板5背部安装在滑轨ii18并可沿滑轨ii18滑动，大视野摄像机15和小视野摄相机16通过相机平衡调节机构17安装在l型连接板5下端。

水平y方向驱动装置包括设置在y方向移动台22，y方向移动台22底部设置有两个第一y方向移动滑轨26，两个第一y方向移动滑轨26的外侧分别设置有与其啮合的第二y方向移动滑轨11，第二y方向移动滑轨11固定在基座6上；所述的水平x方向驱动装置包括工作平台12底部并排设置的两个第一x方向移动滑轨24，两个第一x方向移动滑轨24的外侧分别设置有与其啮合的第二x方向移动滑轨25，第二x方向移动滑轨25安装在y方向移动台22上，水平y方向驱动装置和水平x方向驱动装置上分别设置有一组驱动结构，驱动结构包括电机7、光杠8和滑动轴承座9，电机7驱动光杠8，光杠8另一端固定，光杠8上设置滑动轴承座9，滑动轴承座9与工作平台12/y方向移动台22固定。

基座6上设置有y方向移动槽10，第一y方向移动滑轨26设置在y方向移动槽10内；y方向移动台22上设置有x方向移动槽23，第一x方向移动滑轨24设置在x方向移动槽23内。

如图6所示。在大视野摄像机定位完成后，工作平台驱动系统发出指令，平台x、y方向移动电机接收到转动指令。以工作平台12的x方向移动为例，电机7转动时，带动光杠8转动，经滑动轴承座9的连接作用，带动工作平台12实现x方向的移动。滑动轴承座9的内侧与光杠8连接，外侧与工作平台12连接。x方向移动滑轨24为一对儿，两者相互啮合，内侧一个滑轨与工作平台12固定，外侧一个滑轨与y方向移动台22固定，同时内侧的滑轨放置在x方向移动槽23内。工作平台12的两侧各有一对儿滑轨，空间布置相同，用来进行x方向的移动。

在工作平台12进行x方向移动时，相互啮合的两组滑轨中与工作平台相固定的两个滑轨也会在移动槽内移动，确保工作平台12的x方向移动的准确性。

x、y方向的移动机理相同，y方向移动滑轨11，内侧的滑轨固定在y方向移动台22上，外侧的滑轨固定在基座6上，y方向移动槽10也在基座6上。

相机平衡调节机构17包括与l型连接板5固定的第一安装板17.1，第一安装板17.1上安装有球形凹槽17.2，球形凹槽17.2内放置有可以随意旋转的球状体17.4，球形凹槽17.2上还设置有螺旋钮17.3，球状体17.4上设置有连接杆，连接杆与第二安装板17.5连接，第二安装板17.5上安装大视野摄像机15和小视野摄相机16。螺旋钮17.3内端不抵在球状体17.4上。

一种基于机器视觉方法的双相机布氏硬度测量装置的测量方法，包括以下步骤，

s100～首先启动电机1通过同步带2使得丝杠3进行工作，将l型连接板5带动升至一个适合大视野摄像机15采集图像的高度，然后把带有压痕的标准布氏硬度块14放在工作台12上，利用大视野摄像机15对布氏硬度块14进行图像采集，所采集的图像称为第一图像，采集完成后，根据布氏硬度块14不同的材料选用不同的载荷和钢球直径，重新对布氏硬度块进行压痕制造，新压痕制造完成后，重新将布氏硬度块14放在工作台12上，利用大视野摄像机15再次对布氏硬度块14进行图像采集，所采集的图像称为第二图像。

s200～对大视野摄像机15获得的第一图像和第二图像分别进行图像增强；由于被测表面上存在极小压痕圆，它的直径小于1mm，可能会导致漏检的情况，因此，需要对图像进行增强处理，改善图像的视觉效果，突出图像中压痕的轮廓特征，使极小压痕圆的轮廓更加明显。选择图像直方图均衡化方法来增强压痕图像的对比度，不仅有效地改善了图像的细节，该算法计算量小，易于实现，处理简单有效，适用于需要在线实时检测的场合，该方法实现的公式可表示为：

其中输入图像中第个灰度级出现的频率表示为，并且，因此得到的曲线图像就是输入图像的灰度直方图。同时，增强函数的区间内的单值单增函数，并且满足，因此，可以求得经过增强后的输出图像各像素点的灰度值为：

在上面的公式中，即为输出图像的像素点的值，同样其中。

s300～对大视野摄像机15获得的第二图像进行图像旋转矫正，使其变换成第一图像位置；提出一种基于傅里叶变换的图像旋转匹配方法。根据傅里叶变换的特殊性质，通过对傅里叶变换频谱图进行滤波、边缘检测、二值化、特征提取定位、角度计算、旋转校正等操作，实现图像的角度校正，校正后的待测图像与参考图像处于同一方向，使得后续对图像进行差分时能够精准地定位到新增压痕的位置。详细步骤如下：

s301～分别对获取第一图像和第二图像，完成图像增强后进行傅里叶变换得到相应的频谱图，空域中图像的旋转变换可以直接反映在傅里叶变换频谱中，通过分析频谱图的特征来确定图像的旋转角度。

s302～计算两幅图像的x和y方向的梯度图，并对图像的边缘图像求和：频谱图中亮度值代表了原图像中频谱变换的强弱，因此可以通过确定频谱图中的明显的直线特征来进行图像校正。为使图像角度校正更加精确，在进行傅里叶变换之前，需要提取频谱图像的特征信息，首先，通过求解图像的x和y方向上的梯度图像并对它们求和，获得图像的所有边缘信息，再通过二值化操作保留需要的特征信息，根据特性信息的提取确定图像较正的角度。

s303～对两幅图像进行二值化以保留图像频率变化中最明显的直线特征；

s304～利用霍夫变换定位到频谱图中的直线，并分别获取两幅图像中直线的角度和，从而确定需要校正的图像角度为；完成对频谱图的二值化之后，需对频谱图中的特征信息进行直线检测，确定直线的角度信息来确定图像需要较正的角度；霍夫变换的直线检测是通过统计学的方法实现的，通过遍历图像空间找到投票统计得到的局部极大值点，并且认为该点就是被检测图像中直线的斜率以及截距，对于任意点都有经过它的直线为：

其中b为该直线的截距，k为该直线的斜率，上述公式可以表示成极坐标形式：

由上式可以看出每一条直线对应于空间中都有唯一的一个，通过检测出两条直线的角度和并确定需要旋转图像的角度为：。

s305～通过仿射变换对图像进行角度校正。

s400～帧差定位；将经过旋转校正获取新增压痕后的第二图像与增加压痕前的第一图像进行差分，得出第二图像的具体位置，公式如下；

上式中为将获取压痕后的第二图像旋转所得的结果，为获取压痕前的第一图像，所得目标检测结果图像为。

s500～通过大视野摄像机15完成新增压痕的第二图像定位识别后，通过工作平台12移动将小视野摄像机16的视野中心移动至压痕圆中心，小视野摄像机16开始进行单个压痕的精准轮廓提取，最后实现小视野摄像机16对单个压痕圆的图像采集；整个平台12坐标指示的是小视野摄像机16的视野中心。如图3大、小视野相机装置视图所示，大视野摄像机15与小视野摄像机16之间存在相对位置。通过位置计算把此相对位置反映在大视野摄像机15所采集的图像中，可以把小视野摄像机16的视野中心反映到大视野摄像机15的视野中。即，在大视野摄像机15所采集的图像中能够定位到小视野摄像机16的视野中心，而平台12坐标显示的是小视野摄像机16的视野中心，通过计算在大视野摄像机15采集的图像中单个压痕圆的圆心与小视野摄像机16视野中心的像素距离，再通过大视野摄像机15采集布氏硬度块14图像时的像素当量，计算出压痕圆圆心的平台12坐标值，最后通过工作平台12移动将小视野摄像机16的视野中心移动至压痕圆中心，实现小视野摄像机16对单个压痕圆的图像采集。

s600～对小视野摄相机16获得的图像进行灰度转换和小波去噪预处理；尽可能降低外部环境对布氏硬度压痕测量精度的影响，为后续压痕轮廓提取奠定基础：根据本系统中布氏硬度图像的特点以及项目的需求，本系统选用haar小波进行小波分解，haar小波具备正交性、紧支性并且线性相位，在进行小波分解和重构过程中能够准确高效地捕捉到噪声信息，并且haar小波分解计算过程简单，能够提高图像处理的效率，保证系统的在线实时测量的需求。

在此基础上，提出一种改进的自适应小波阈值，根据图像分解层数不同设置不同的阈值，改进的小波阈值如下：

其中，为噪声方差，n表示信号的长度，j为分解层数，随着j的增加，阈值t相对减小，相比传统小波阈值，改进的新阈值具有自适应性，能够满足各层噪声分布情况差异的需求。为了同时解决硬阈值去噪在阈值点处不连续的问题以及软阈值存在的偏差现象，现提出一种改进的小波阈值去噪函数，公式如下：

其中，为经过阈值去噪后得到的新的小波系数，t为上文中改进方法得到的阈值，n为调节参数，为去噪前的小波系数。改进的小波阈值函数中，当调节参数时，得到，即输入的结果为原始小波系数，当时，得到的阈值函数接近改进前的软阈值函数。因此，可以调节n的值使改进的阈值函数在传统的硬阈值和软阈值之间变化，从而获得最佳的去噪效果。

s700～对小视野摄相机16获得的图像进行边缘提取，得到压痕圆的边缘轮廓；选用canny算子对压痕圆进行提取，相比较于其他传统边缘检测算子，canny算子在进行边缘检测时，错误率较低，每个边缘点都能被很好的定位，并且可以通过高、低阈值的设置去除图像的伪边缘。

s800～对提取的压痕轮廓进行圆的拟合，并确定压痕圆的直径大小；采用最小二乘法，该方法通过确定最小化误差的平方和找到一组数据的最佳匹配函数。实现上述拟合过程，得到压痕圆，求出压痕圆直径的像素值。

s900～对极大压痕圆进行圆弧轮廓检测，从检测到的边缘中提取三个特征点的坐标进行计算，由此确定圆的方程，得到压痕圆的半径和圆心位置；由于测量系统的硬件限制，当压痕圆的直径操作3mm时，使用小视野相机拍摄压痕时只能采集到压痕圆的部分圆弧，针对上述情况，本系统采用三点法来测量圆弧的半径，首先对采集到的压痕图像进行图像去噪处理，然后进行边缘检测，从检测到的边缘中提取三个特征点的坐标进行计算，由此确定圆的方程，得到压痕圆的半径和圆心位置。

s1000～通过相机标定将测量得到的圆直径像素值换算成实际长度值，根据布氏硬度hb的计算公式，进而计算得到布氏硬度值；

式中，f为规定的检测用力，d为规定的检测钢球直径，d为施加规定力并保持一定时间后的被测物留下的压痕直径。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明专利进行的进一步详细说明，但并不能认为本发明的具体实施仅局限于这些说明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和替换等，均应在本发明的保护范围内。