一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法

本发明属于计算机视觉，具体涉及一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法。

背景技术：

1、工业物体的基本机械加工方法主要包括车削、铣削、刨削、磨削等，在加工过程中利用刀具和物体表面之间产生的往复运动来达到“车铣刨磨”工件表面的目的。物体在与刀具的往复运动中会形成各向异性的表面，具体表现为粗糙度沿物体表面的不同方向存在差异。表面各向异性和物体结合面的接触特性息息相关，会对物体的摩擦磨损、接触阻尼、传热导电、密封性能、机械性能等产生影响，因此测量物体表面粗糙度各向异性在实际工程中有着重要价值。

2、现有的测量方法主要分为触摸法、剖切法和计算机视觉方法，其中触摸法是有经验的操作工人通过手工触摸进行测量，这种方法依靠工作人员的经验可靠性不高；剖切方法是将物体沿不同方向进行切割，通过研究切割断面进行测量，这种方法实施难度大，且切割过程中可能改变剖切表面的几何形态使得测量结果不准确；现有计算机视觉方法通过对目标表面进行三维重建开展测量，但大量工业物体表面光滑且纹理稀疏，这使得物体表面的特征点检测困难、三维重建结果精度低、可靠性差。

3、基于红外偏振成像的测量方法是一种非接触式方法，这种方法基于如下实验发现：当测试线模块的角度与被测物体真实痕迹方向越接近时，测试线模块提取出的法向量离散程度越低，法向量平均余弦相似度越接近“1”；当测试线模块的角度与被测物体真实痕迹方向越偏离时，测试线模块提取出的法向量离散程度越高，法向量平均余弦相似度越接近“0”。因此通过建立物体表面沿不同方向的法向量分布信息和粗糙度信息的关联模型，即可利用模型计算出待测表面的粗糙度各向异性参数，该方法对被测零件表面无伤害，且具有成本低、精度高、测量系统小型化的优点。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，首先获取粗糙度对比样块表面四个偏振角度的红外图像，通过求解斯托克斯矢量计算出红外辐射的偏振参数；其次从粗糙度对比样块中选择一个样块并提取出该样块内区域作为待测区域；然后建立分别含有不同方向测试线的空间滤波器180个，分别提取出180组法向量，再分别计算该组测试线上全部法向量与法向量平均值的余弦相似度并取均值；最后依次获取不同方向上法向量的平均余弦相似度，根据二维组构张量模型得到被测表面的粗糙度各向异性参数。本发明与传统触摸、剖切、计算机视觉测量方法相比具有可靠性高、非接触、特征提取准确的优势，同时红外偏振检测设备体积小、重量轻、测量系统布置简单，更加适用于实际工况环境中。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

3、步骤1：获取粗糙度对比样块表面四个偏振角度的红外图像，通过求解斯托克斯矢量计算出红外辐射的偏振参数；

4、步骤2：从粗糙度对比样块中提取出a×a像素规模的区域a作为待测区域；由步骤1得到的偏振参数计算出区域a中法向量的方向角和天顶角分布信息，得到区域a中法向量的分布信息；

5、步骤3：建立分别含有不同角度测试线的空间滤波器模块180个，每个空间滤波器模块的像素规模为a′×a′，a′<a；

6、步骤4：将180个空间滤波器模块分别与区域a做空间滤波运算，分别提取出180组法向量；

7、步骤5：计算每组法向量的平均值，再分别计算该组全部法向量与法向量平均值的余弦相似度并取均值；根据二维组构张量模型得到被测表面的粗糙度各向异性参数。

8、进一步的，所述步骤1具体方法为：

9、利用分焦平面红外偏振相机或在普通红外相机前安装并旋转线偏振片的方式，获取粗糙度对比样块表面0°、45°、90°、135°四个偏振角度的红外图像，根据斯托克斯矢量计算粗糙度对比样块表面的偏振相角和偏振度信息；

10、进一步地，所述通过求解斯托克斯矢量计算出红外辐射的偏振参数的方法具体如下：

11、将光的偏振态的斯托克斯矢量表达式写作如下形式：

12、s0＝0.5*(i0+i45+i90+i135)

13、s1＝i0-i90

14、s2＝i45-i135

15、其中，i0、i45、i90、i135分别表示0°、45°、90°和135°偏振方向所拥有的辐射强度；

16、根据斯托克斯参量，进一步解算得到偏振参数：偏振度dolp和偏振相角aop，计算公式如下所示：

17、

18、

19、取斯托克斯参量s3＝0。

20、进一步地，所述得到区域a中法向量的分布信息具体如下：

21、方位角θ用下式计算：

22、

23、红外辐射偏振度dolp与天顶角的几何表达式为：

24、

25、其中：

26、

27、

28、式中：n表示物体折射率的实部，k表示物体折射率的虚部。

29、目标表面由z＝f(x,y)表示，则物体表面上任一点的法向量由下面公式表示为：

30、

31、进一步的，所述步骤3中的不同角度为0°，1°，...，179°。

32、进一步的，所述步骤5中根据不同角度上法向量平均余弦相似度的最大值得到物体痕迹方向的具体方法为：依次获取0°，1°，...，179°方向上的法向量平均余弦相似度，绘制出测试线方向-法向量平均余弦相似度的雷达图，并根据二维组构张量模型得到物体的粗糙度各向异性参数。

33、进一步地，所述在二维组构张量模型tij表示为：

34、

35、

36、其中，a2、b2是二维组构张量的分量用以表示粗糙度方向分布的各向异性程度，m表示含有该角度测试线的空间滤波器，n表示总的空间滤波器数量，δθ是0°，1°，...，179°方向上的法向量平均余弦相似度，通过上述公式得到a2、b2的值，继而通过计算得到物体表面粗糙度的各向异性参数。

37、本发明的有益效果如下：

38、传统粗糙度各向异性参数测量方法主要有触摸、剖切和计算机视觉方法，其中触摸法依靠工作人员的经验可靠性低，剖切法在切割过程中可能改变剖切表面的几何形态使得测量结果不准确，计算机视觉方法在面对表面光滑且纹理稀疏工业物体时特征点检测困难、测量结果结果精度低。本发明与传统触摸、剖切和计算机视觉方法相比具有可靠性高不依赖人员主观经验、非接触式避免了切割过程对测量结果的影响、特征提取准确的优势，同时红外偏振检测设备体积小、重量轻、测量系统布置简单，更加适用于实际工况环境中。

技术特征：

1.一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，所述步骤1具体方法为：

3.根据权利要求1所述的一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，所述通过求解斯托克斯矢量计算出红外辐射的偏振参数的方法具体如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，所述得到区域a中法向量的分布信息具体如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，所述步骤3中的不同角度为0°，1°，...，179°。

6.根据权利要求1所述的一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，所述步骤5中根据不同角度上法向量平均余弦相似度的最大值得到物体痕迹方向的具体方法为：依次获取0°，1°，...，179°方向上的法向量平均余弦相似度，绘制出测试线方向-法向量平均余弦相似度的雷达图，并根据二维组构张量模型得到物体的粗糙度各向异性参数。

7.根据权利要求1所述的一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，其特征在于，所述在二维组构张量模型tij表示为：

技术总结
本发明公开了一种基于法向量统计特性的粗糙度各向异性参数测量方法，首先获取粗糙度对比样块表面四个偏振角度的红外图像，通过求解斯托克斯矢量计算出红外辐射的偏振参数；其次从粗糙度对比样块中选择一个样块并提取出该样块内区域作为待测区域；然后建立分别含有不同方向测试线的空间滤波器180个，分别提取出180组法向量，再分别计算该组测试线上全部法向量与法向量平均值的余弦相似度并取均值；最后依次获取不同方向上法向量的平均余弦相似度，根据二维组构张量模型得到被测表面的粗糙度各向异性参数。本发明具有可靠性高、非接触、特征提取准确的优势，同时红外偏振检测设备体积小、重量轻、测量系统布置简单，更加适用于实际工况环境中。

技术研发人员：赵永强,郭阳,林曦,姚乃夫
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12