基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具磨损检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具磨损检测方法，通过CCD显微镜对刀具磨损区域进行分层聚焦采集图像，后期通过对分层图像的亮度方差作比较的方法确定每张分层图像的清晰区域，保留所有分层图像的清晰区域，去除模糊区域，不同图层的清晰区域对应实际磨损区域的不同深度区域，将对应不同深度区域的各图层中的清晰部分像素用不同的灰度替代，并用MIMICS软件对所得的图像进行三维重建，将不同灰度的像素用不同的色彩进行替代，最终得到了刀具磨损区域的彩色三维形貌图，不同的颜色对应刀具磨损区域的不同深度，使得刀具磨损区域的三维形貌更加一目了然，从而更加便于对刀具磨损的检测和评估。
【专利说明】基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具磨损检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机械工程领域，特别是一种基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具 磨损检测方法。
【背景技术】
[0002] 在金属切削加工中，刀具/工件界面处的表面负荷以及切屑沿刀具前刀面高速滑 移而产生的能量和摩擦，转化为热量，而通常这些热量的80%都被切屑带走（这一比例的变 化取决于几个要素--尤其是切削速度），其余大约20%的热量则传入刀具之中，热量和温 度是刀具磨损的根本。
[0003] 随着汽车、航空航天、能源、医学、新材料、新技术的不断发展，刀具正在向复合化、 特殊化、1?速化、1?精密、品种多兀化等趋势发展。除了刀具工艺技术水平的提1?，刀具磨损 情况定时检测不可或缺。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削 力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效 率、质量和成本。
[0004] 刀具磨损对工件表面加工质量有着重要的影响。近年来，国内诸多学者对刀具磨 损状态检测技术进行了大量研究，这些研究主要包括以下方面：（1)对刀具在切削过程中 产生的切屑进行测量，目前尚处于理论研究阶段；（2)监视特定的机床参数，用来判断刀具 的磨损情况，操作较为容易，但是精度不高；（3)直接对刀具进行观测，该方法操作虽然实 现较难，但是精度较高。
[0005] 刀具的磨损区域集中在微米级的研究范围，因而对于测量提出了更高的要求。目 前，由于三维测量设备的应用限制，通过图像处理的刀具磨损分析一直局限在二维形貌的 分析上，磨钝标准的制定也仅限于平面二维参数方面的度量，比如：前刀面的月牙洼磨损深 度KT，刀尖磨损最大值VC，主沟槽磨损量VN，后刀面磨损宽度VB。而对于刀具磨损程度的 更深程度的认识需要了解磨损区域的三维形貌。
[0006] 刀具磨损区域的三维重建属于显微三维表面重构的范畴。传统的三维重建方法比 如双目视觉的方法，由于显微照片的背景和结构关系简单、对比度低、光学畸变等原因难以 确定特征点并进行有效的匹配；结构光三维重建方法又由于系统结构复杂，标定困难等原 因推广较难。国内外对刀具磨损区域的三维重建的研究都鲜有报道。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具 磨损检测方法，对CCD拍摄得到的分层聚焦图像进行处理并进行三维重建后得到刀具具体 磨损区域的形貌。
[0008] 本发明公开了基于分层聚焦采集图像和三维重建的刀具磨损检测方法，包括如 下步骤： (1)将CXD显微镜置于被测刀具磨损区域上方，刀具两侧放置SCHOTT肖特冷光源，。调 节显微镜的坚直高度，使得其清晰成像的区域为刀具磨损区域的最底端，采集此时捕捉到 的图像。
[0009] (2)微调显微镜的物镜使其上移一个微小的距离ΔΑ，（为保证检测的精度，ΔΑ的 取值应在0. Imm以下)，保存清晰区域变化后的成像。
[0010] (3)重复以上移动显微镜的物镜使其清晰成像区域发生变化，并保存相应的图像 的操作，直到显微镜所显示的清晰区域已经是刀具磨损区域的最上端为止，形成N层图像； (4) 移除刀具，在原放置刀具的位置放置一个标尺，调整CXD显微镜的高度，使得标尺 的成像达到最为清晰，并进行图像采集，通过标尺的实际尺寸和标尺图像所占像素区域，计 算图像中每个像素所代表的实际尺寸； (5) 在图像上选取一个像素区域为ηχη (Π 为大于2的奇数）的区域，求得该区域的亮 度的方差￡5。
[0011] (6)求得mas(￡)l，￡)2……为Λ，即在第《层该坐标区域的三个颜色分量的亮 度的方差之和达到最大值，因此判定在第《层的坐标为(M)处的像素为清晰点。
[0012] (7)判断完所有像素后，保留各层图像中判断为清晰的点，去除各层图像中被判 断为模糊的区域，并将对应不同深度区域的图层的清晰部分用不同的灰度进行替代，去除 模糊点时用纯白色来替代原色； (8) 将经过步骤（7)处理后的图像导入MMICS软件中进行三维重建，用MMICS (Materialise，s interactive medical image control system.模块化结构的软件）的相 同灰度自动选择的功能，将所有图像中相同灰度的部分选中，并用不同的色彩替代不同灰 度的像素，最终得到刀具磨损区域的三维形貌图，且不同的颜色区域对应不同的实际磨损 区域的不同深度； (9) 在得到的刀具磨损表面的三维形貌中，根据每个像素所代表实际尺寸以及被判断 为清晰区域的像素所在图层的高度，即可得到刀具被磨损掉区域的体积。
[0013] 通过微调C⑶显微镜以获得刀具磨损区域清晰区域处于不同高度的图像。
[0014] 在求图像上(?为大于2的奇数）的区域的亮度方差时，将彩色图像的三个颜 色分量独立开来，分别求的三个颜色分量亮度的平均值为Sa , Ga , 5a ,紧接着再求三个颜 色亮度的方差：
【权利要求】
1. 1、基于分层聚焦图像采集和三维重建的刀具磨损检测方法，其特征在于，包括如下 步骤： (1) 将CXD显微镜置于被测刀具磨损区域上方，刀具两侧放置肖特冷光源，调节显微镜 的坚直高度，使得其清晰成像的区域为刀具磨损区域的最底端，采集此时捕捉到的图像； (2) 微调显微镜的物镜使其上移一个微小的距离ΔΛ,保存清晰区域变化后的图像； (3) 重复步骤（2)，直到显微镜所显示的清晰成像的区域已经是刀具磨损区域的最上端 为止，形成N层图像； (4) 移除刀具，在原放置刀具的位置放置一个标尺，调整CXD显微镜的高度，使得标尺 的成像达到最为清晰，并进行图像采集，通过标尺的实际尺寸和标尺图像所占像素区域，计 算图像中每个像素所代表的实际尺寸； (5) 将步骤（1)至步骤（3)所得到的所有图像上选取一个像素区域为《χη的坐 标区域，^为大于2的奇数，求得该ηχη的坐标区域的在所有N层图像上亮度的方差D\,D2......DN (6) 求得最大值max(￡31,D2…为1? ,即在第《层该nXil坐标区域的三个颜色 分量的亮度的方差之和达到最大值，判定在第《层的坐标处的像素为清晰点，记该点坐标 为(U); (7) 判断完所有图像上所有像素后，保留各层图像中判断为清晰的点，去除各层图像中 被判断为模糊的区域，并将对应不同深度区域的图层的清晰成像的区域用不同的灰度进行 替代，去除模糊的区域时用纯白色来替代原色； (8) 将经过步骤（7)处理后的图像导入MMICS软件中进行三维重建，用MMICS的相同 灰度自动选择的功能，将所有图像中相同灰度的部分选中，并用不同的色彩替代不同灰度 的像素，最终得到刀具磨损区域的三维形貌图，且不同的颜色区域对应不同的实际磨损区 域的不同深度； (9) 在得到的刀具磨损表面的三维形貌中，根据每个像素所代表实际尺寸以及被判断 为清晰成像的区域的像素所在图层的高度，即可得到刀具被磨损掉区域的体积。
2. 如权利1要求所述的方法，其特征在于：通过微调CXD显微镜以获得刀具磨损区域 清晰成像的区域处于不同高度的图像。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于：在求图像上ηXW的区域的亮度方差时，将 彩色图像的三个颜色分量独立开来，分别求的三个颜色分量亮度的平均值i?a , (? ,Sa,紧 接着再求三个颜色亮度的方差:
X和y分别表示被判断像素在图像中的坐标，A1X-V)表示在坐标为(U)处的像素的红 色分量的亮度值，G<X另表示在坐标为Od)处的像素的绿色分量的亮度值，B(Ui)表示 在坐标为(Ui)处的像素的蓝色分量的亮度值； 求得三个颜色分量亮度的方差之后再求其和D= + ⑦+D(S)。
4.如权利1要求所述的方法，其特征在于：用MMICS对图像进行三维重建，将各图层 中所有保留点的二维坐标分别作为x，y轴的坐标，所在图层的位置作为z轴的坐标，构建三 维坐标图，即可得到刀具磨损表面的形貌。
【文档编号】G06T17/00GK104463887SQ201410791679
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】袁铁军, 孟龙晖, 张秀丽 申请人:盐城工学院