（机械电子工程专业论文）基于图像处理技术的维氏硬度检测方法的研究.pdf

摘要 通过分析国内外维氏硬度测量的发展现状，根据维氏硬度的测量原理和特点，制 定了基于图像处理技术的维氏硬度检测的设计方案。方案采用c c d 图像处理技术实现 了维氏硬度的客观测量，排除了人工测量误差，提高了测量的精度和重复性。 本文详细介绍了维氏压痕检测系统的设计过程，并根据设计思路选择合适的光源、 镜头、摄像机、采集卡等部件。对拍摄的维氏压痕图像采用自适应阈值算法求得最佳 阈值，并对压痕图像进行二值化处理，边缘检测，用最d x - - 乘法拟合出压痕的边缘直 线，从而得到维氏压痕的对角线长，并由此计算出材料的维氏硬度值。整个测量系统 的程序由v c + + 编写。最后经过实验证明该设计方案准确、可行，设备结构合理，性能 可靠，各项技术指标均达到课题任务书的要求。 关键词：维氏硬度图像处理边缘检测c o d 摄像机维氏压痕 a b s t r a c t t h i st o p i ca n a l y z e st h es i t u a t i o no fv i c k e r sh a r d n e s sm e a s u r e m e n ta th o m ea n d a b r o a d a c c o r d i n g t ot h em e a s u r et h e o r ya n df e a t u r e so fv i c k e r sh a r d n e s s ，t h i st o p i cd e s i g n s ap r o j e c to fv i c k e r sh a r d n e s sm e a s u r e m e n tb a s i n go ni m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s u s i n g c c d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t h i sp r o j e c tc a nm e a s u r eo b j e c t i v e l y m e a n w h i l e ，i tc a n e l i m i n a t ea r t i f i c i a lm e a s u r ee r r o ra n di m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e p e t i t i o no ft h e m e a s u r e m e n t t h i st o p i ce l a b o r a t e so nt h ed e s i g np r o c e s so ft h ev i c k e md e p r e s s i o nm e a s u r i n gs y s t e m ， c h o o s e sa p p r o p r i a t ei n s t r u m e n t s ，s u c ha sl i g h ts o u r c e ，s h o t ，o p t i c a ld e v i c e ，c a r n e r a , a n d c a p t u r eb o a r da n ds oo n u s i n gs e l f - a d a p t i n gt h r e s h o l dv a l u ea l g o r i t h m ，t h i st o p i cc a l c u l a t e s t h eo p t i m a lt h r e s h o l dv a l u eo ft h ef i l m e dv i c k e r sd e p r e s s i o ni m a g e a tt h es a m et i m e ，t h i s t o p i cd e a l st h ed e p r e s s i o ni m a g ew i t hi m a g eb i n a r y z a t i o nm e t h o da n de d g em e a s u r e m e n t ， f i t t i n g st h ee d g es t r a i g h tl i n ew i t ht h el e a s ts q u a r e sm e t h o d t h e nt h i st o p i cg e t st h ed i a g o n a l l i n eo fv i c k e r si m p r e s sa n dt h ev i c h e r sh a r d n e s so ft h i sm a t e r i a l t h ew h o l em e a s u r e m e n t s y s t e mi sc o m p i l e dw i t hv c + + e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep r o j e c ti sa c c u r a t ea n df e a s i b l e ， t h es t r u c t u r ei ss u i t a b l ea n dt h ep e r f o r m a n c ei sr e l i a b l e a l lt h et e c h n i q u eq u a l i f i c a t i o n sa r e u pt ot h er e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t k e y w o r d s ：v i c k e r sh a r d n e s s i m a g ep r o c e s s i n ge d g em e a s u r e m e n t c c dc a m e r av i c k e r si m p r e s s 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于图像处理技术的维氏硬度检 测方法的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： _ l 月r gh 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：年上月盔 指导导师签名：硅燃 型年三月盥日 1 1 引言 第一章绪论弟一早硒比 维氏硬度试验是在1 9 2 4 年由r ls m i t h 和g es a n d l a n d 合作首先提出的，以后由 英国的v i c k e r s a r m s t r o n g 公司在1 9 2 5 年第一个制造出这种硬度计，因而简称为维氏硬 度。 按i s o 标准，维氏硬度可根据试验力划分为：维氏硬度、小负荷维氏硬度和显微 维氏硬度。和其他的硬度试验相比，维氏硬度所获得的压痕具有相似的几何形状，对 任一性质的材料所得到的硬度值是相同的，它压痕清晰，测量精度高，是常用硬度试 验中较准确的一种试验方法。它广泛应用于材料的研究，特别适用于表面处理后的试 样，如氮化、渗碳、渗钒、渗硼、三元共渗，以及各种表面镀层试样的硬度测定。通 过对试样断面硬度梯度的测量，可了解镀、渗层的深度以及扩散程度。还可用于测定 金相组织的硬度，如铬钢中的铁素体与铬碳化物的硬度有较大的区别，以此来鉴别合 理的金相类型和性质1 1 j 【2 1 。 数字图像处理技术自上个世纪五十年代兴起以来，一直受到人们的广泛重视并不 断地得到发展。尤其在进入上个世纪八十年代后，随着计算机技术的飞速发展以及人 们在视觉学、数学、光学等学科领域的深入研究，使图像处理技术在理论上得到扩展， 算法上得到改进，技术上更加成熟，从而在软件和硬件两方面进一步蓬勃发展起来。 利用计算机图像处理技术中纹理分析与模式识别技术，可充分提取出图像中的信息， 对图像进行处理，有效地分析与识别图像，进而描述和解释图像。另外，由于计算机 和相关学科的发展，采用计算机进行智能化分析与识别是当今科技发展的一大前沿课 题，是生产实践的需要【3 l - 1 1 0 1 。 近年来，图像处理技术渗入到硬度检测领域的各个方面，特别是维氏硬度检测方 面，改变了传统的手工操作流程，大大提高了工作效率，解决了手工检测重复性差的 难题。 1 2 课题研究的意义 随着科学技术的进步，对机械零件的制造质量要求越来越高。除尺寸精度、表面 粗糙度外，对零件的性能也提出了更高的要求。零件的性能主要是指化学性能、物理 性能和机械性能。而机械性能则包括强度、延伸性、硬度等f 1 1 1 。 硬度是许多机械性能的一种整体综合指标。通过对硬度的测量能够了解诸多的机 械性能。可以想象在未来的机械制造中，硬度测量将成为一道重要的工序，使原来只 在实验室内进行的工作变成在线检测，成为上述先进制造技术中的一个重要环节。 受社会老龄化的影响，现在从事硬度检验的人员中，高龄者比过去增多了，预期 今后还将继续增多。另一方面，大凡硬度检验都是单纯的重复操作，这使检验者感到 精神上枯燥乏味。特别是维氏硬度检验，大多是连续的多点测量，由于长时间地用肉 眼观测，不仅眼睛很疲劳，而且不少人感到肩膀酸痛，身体不舒服，这就更加强了测 量时的难受感。在这种状况下，不仅由于眼睛的疲劳使测量精度和重复性可能下降， 还会影响工作效率使其明显地降低。为此，人们迫切希望能够开发出高精度、高效率、 重复性好的维氏硬度测量方法。 近年来，图像处理技术渗入到硬度检测领域的各个方面，特别是维氏硬度检测方 面，改变了传统的手工操作流程，大大提高了工作效率，解决了手工检测重复性差的 难题。但目前市场上基于图像处理技术的维氏硬度计大多都是应用于小负荷和显微维 氏硬度测量，其检测范围小，精度差。为了测量范围较宽的维氏硬度值，现需要研制 载荷大、精度高的基于图像处理技术的维氏硬度计【1 2 j - i 刎。 基于此种要求，本文采用c c d 光学成像测量技术、自动加载控制技术、图像处理 技术，研制出硬度测量范围为2 0 0 2 9 0 0 h v ，试验力为5 、1 0 、2 0 、3 0 、5 0 公斤力5 个等 级的基于图像处理技术的维氏硬度计。 1 3 维氏硬度检测的国内外发展概况翻h 3 0 1 几百年来，人们发明了许多传统的硬度测量方法，例如静压试验法、划痕法、回 跳法、切割法、犁槽法、磨损法等。其中以静压试验法发展最为成熟，常见的布氏、 维氏、洛氏、努氏硬度法等均属这种类型。硬度试验除了求得材料的硬度外，还是推 定其它机械特性值的一种手段，得到广泛的应用。 自维氏硬度计问世以来，其原理结构没有多大变化。早先的维氏硬度计主要是手 动加载，手动转塔，用光学显微镜进行观察读数的，但其精度较低、效率低、重复性 差、人为因素影响较大。 随着科学技术的不断发展，高新技术的不断推出，计算机、激光、高精度传感器 等先进技术已应用于显微维氏硬度计的制造。进入上个世纪八十年代，世界各国主要 硬度试验机厂商都相继推出了由微机和传感器控制的数显式显微维氏硬度计。 现在的维氏硬度检测更趋向自动化、智能化，向着高效、高精度方向发展。 沃伯特是世界上著名的材料性能测试设备生产商，总部位于德国，在德国、美国 设有生产及研发中心和硬度标定实验室。她具有近百年的历史，率先在2 0 世纪3 0 年 代将硬度测试应用于研究和生产领域，在世界上享有很高的声誉，被称为硬度计之父。 国内著名生产研制维氏硬度计的厂家有：莱州华银试验仪器有限公司( 山东莱州市 试验机总厂) ，她是生产金属、非金属材料硬度计的专业公司，已有四十余年的生产历 史。研制成功了一大批光、机、电、微机一体化的高新技术产品，达到了国外同类产 2 品先进水平。h v s 1 0 0 0 型数显显微维氏硬度计、h r s 1 5 0 型数显洛氏硬度计等产品实 现了显示、打印自动化。三种产品被国家列为替代进口产品。产品畅销全国，并出口 至美国、欧共体、东南亚等5 0 多个国家和地区，是国内最大的硬度计设计、生产、销 售公司，出口量位居全国前列。上海研润光机科技有限公司前身是国家仪器技术研究 所，上海精密仪器仪表有限公司等。 1 4 图像处理技术的发展概况 图像对我们并不陌生，它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获 得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。人类传递、交换、获取 信息主要有三个渠道，它们是语言、文字和图像。在人类接受的信息中，听觉信息占 2 0 ，视觉信息占6 0 以上，其他如味觉、触觉、嗅觉总的加起来不过占2 0 。从信 息论的角度来看，“图像 所包含的信息量最大，不仅有灰度，还有色彩；不仅有平面， 还有立体等，其内容极为广泛。在许多场合里，没有任何其他形式比图像所传递的信 息更丰富和真切。所以，作为传递信息的重要媒体和手段之一图像信息是十分重要的。 数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，当时通过海底电缆从英国伦敦到美国 纽约传输了一幅照片，它采用了数字压缩技术。就1 9 2 0 年的技术水平来看，如果不压 缩，传一幅图像要一星期时间，压缩后只需要了3 小时。1 9 6 4 年美国的喷气推进实验 室处理了太空船“徘徊者七号 发回的月球照片，这标志着第三代计算机问世后数字 图像处理概念开始得到应用。其后，数字图像处理技术发展迅速，目前已经成为工程 学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等 领域各学科之间学习和研究的对象。2 0 世纪7 0 年代初，由于大量的研究和应用，数字 图像处理已具有自己的技术特色，并形成了较完善的学科体系，从而成为一门独立的 新学科。随着计算机的发展，数字图像技术近年来得到极大的重视和长足的进展，出 现了许多有关的新理论、新方法、新算法、新手段和新设备，并已经逐步建立了一个 整体框架一图像工程。图像应用技术的发展将更加深入、广泛和迅速，成为2 1 世纪信 息时代的一门重要的高新科学技术【3 l j 。 图像处理科学对人类具有重要意义：图像是人们从客观世界获取信息的重要来源， 图像信息处理是人类视觉延续的重要手段，图像处理技术对国计民生有重要意义。如 今图像处理技术己给人类带来了巨大的经济和社会效益。不久的将来它不仅在理论上 会有更深入的发展，在应用上亦是科学研究、社会生产乃至人类生活中不可缺少的强 有力的工具。图像处理技术发展到今天，技术已日趋成熟，在各个领域的应用取得了 巨大的成功和显著的经济效益。如在工程领域、工业生产、军事、医学以及科学研究 中的应用己十分普遍。通过分析资源卫星得到的照片可以获得地下矿藏资源的分布及 埋藏量；利用红外线、微波遥感技术可侦查到隐蔽的军事设施；x 射线、c t 已广泛应 用于临床诊断，由于它可得到人体内部器官的断层图像。因此，可准确地确定病灶位 3 置，为诊断和治疗疾病带来了极大的方便。至于在工业生产中的设计自动化及产品质 量检验中更是大有可为。在安全保障及监控方面图像处理技术更是不可缺少的基本技 术，类似的应用例子随处可见。至于在通信及多媒体技术中图像处理更是重要的关键 技术。因此，图像处理技术在国计民生中的重要意义是显而易见的。正因为如此，图 像处理理论和技术受到了各界的广泛重视，科学工作者经过不懈的努力，己取得了令 人瞩目的成就，并正在向更加深人及更高的层次发展【3 2 j 。 数字图像处理技术空前的发展形势可谓方兴未艾，展望在该领域中需进一步研究 的问题，有如下五个方面： ( 1 ) 在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。如在航天遥感、气象云图处理 方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾之一。 ( 2 ) 加强软件研究，开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研 究成果，创造新的处理方法。 ( 3 ) 加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如：人的视觉特性、心理 学特性等的研究如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。 ( 4 ) 加强理论研究，逐步形成图像处理科学自身的理论体系。 ( 5 ) 时刻注意图像处理领域的标准化问题。图像的信息量大、数据量大，因而图像信 息的建库、检索和交流是一个极严重的问题。就现有的情况看，软件、硬件种类繁多， 交流和使用极为不便，这成了资源共享的严重障碍。应及早建立图像信息库，统一存 放格式，建立标准子程序，统一检索方法。 图像处理技术未来发展大致可归纳为如下四点： ( 1 ) 图像处理的发展将向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方 向发展。 ( 2 ) 图像、图形相结合朝着三维成像或多维成像的方向发展。 ( 3 ) 硬件芯片研究。 ( 4 ) 新理论与新算法研究。 图像处理特别是数字图像处理科学经历初创期、发展期、普及期及广泛应用几个 阶段，如今已是各个学科竞相研究并在各个领域广泛应用的一门科学。今天，随着科 技事业的进步以及人类需求的多样化发展，多学科的交叉、融合已是现代科学发展的 突出特色和必然途径，而图像处理科学又是一门与国计民生紧密相连的一门应用科学， 它的发展与应用与我国的现代化建设联系之密切、影响之深远是不可估量的。图像处 理科学无论是在理论上还是实践上都存在着巨大的潜力【3 3 】。 1 5 课题的研究内容 本课题的研究内容主要从以下几方面展开： ( 1 ) 简要介绍维氏硬度计的工作原理；根据任务书的要求，制定总体设计方案；对维 4 氏硬度计进行结构设计。 ( 2 ) 对维氏压痕检测系统进行研究和设计；设计光路并根据需要选择相关必要的器件。 ( 3 ) 对维氏压痕图像处理方法的研究；详细介绍了维氏压痕边缘的提取，采样图像尺 寸的标定及维氏硬度的自动计算等方法1 3 4 1 。 ( 4 ) 维氏硬度测量软件的设计及操作步骤的介绍。 ( 5 ) 对设计的整套维氏硬度测量系统进行实验验证，并做出了相应的误差分析。 在后面的几章里将分别介绍这几方面的研究。在这几方面中，系统的总体方案设 计、维氏压痕检测系统设计、图像处理技术是实现本系统功能的关键技术，是本文论 述的重点。 5 第二章维氏硬度测量系统的总体设计 2 1 关于维氏硬度检测的概述 2 1 1 维氏硬度的检测原理 依据国家维氏硬度检定规程，维氏硬度试验是用相对两面夹角为1 3 6 。的金刚石正 四棱锥形压头，如图2 1 所示，在一定负荷f 的作用下，压入被试金属表面，经规定 的保荷时间后，卸除载荷，在试样上压出一个正方形压痕，如图2 2 所示，测量压痕 两对角线d 1 与d 2 的长度，算出平均值( d l + d 2 ) 2 ，计算压痕凹面面积s ，以f s 的 数值表示试样的维氏硬度值，并以符号h v 表示。 f 。 l 图2 - 1 金刚石压头图2 - 2 维氏压痕 维氏硬度值按式( 2 1 ) 计算： h v ：一f 。0 1 8 9 1 f sd 2 ( 2 1 ) 式中：h v 一维氏硬度符号； 卜试验力，单位：n ； d 一压痕两对角线d 1 、d 2 的算术平均值，单位：m m 。 从式( 2 1 ) 可知，只要负荷f 和压痕对角线平均值己知，即可算出材料的维氏硬 度值。 国家标准规定维氏硬度压痕对角线长度范围为0 0 2 0 - 1 4 0 0 m m 。 2 1 2 维氏硬度的表示方法 维氏硬度表示为i - i v ，维氏硬度符号h v 前面的数值为硬度值，后面为试验力值。 标准的试验保持时间为1 0 - - 一1 5 s 。如果选用的时间超出这一范围，在力值后面还要注上 6 保持时间。例如： 6 0 0 h v 3 0 表示采用2 9 4 2 n ( 3 0 k g ) 的试验力，保持时间1 0 - - 1 5 s 时得到的硬度值 为6 0 0 。 6 0 0 h v 3 0 2 0 表示采用2 9 4 2 n ( 3 0 k g ) 的试验力，保持时间2 0 s 时得到的硬度值为 6 0 0 。 2 1 3 维氏硬度试验的分类和试验力的选择 根据金属维氏硬度测量规程的有关规定，维氏硬度试验按试验力大小细分为 三种试验，即：维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。见表2 1 。 表2 - 1 维氏硬度试验的三种方法 试验力范围n 硬度符号试验名称 f 4 9 0 3 h v 5维氏硬度试验 1 9 6 1 f 4 9 0 3h v 0 2 h v 5 小负荷维氏硬度试验 0 0 9 8 0 7 f 1 9 6 1h v 0 0 1 h v 0 2 显微维氏硬度试验 维氏硬度试验可选用的试验力值很多，见表2 2 。 表2 - 2 推荐的维氏硬度试验力 维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验显微维氏硬度试验 硬度符号试验力n硬度符号试验力n硬度符号试验力n h v 54 9 0 3h v 0 21 9 6 1h v o 0 10 0 9 8 0 7 h v l o 9 8 0 7h v o 32 9 4 2h v 0 0 1 50 1 4 7 1 h v 2 01 9 6 1h v o 54 9 0 3 h v o 0 2 0 1 9 6 1 h v 3 02 9 4 2h v l9 8 0 7h v 0 0 2 50 2 4 5 2 h v 5 04 9 0 3h v 21 9 6 1h v 0 0 50 4 9 0 3 h v l o o 9 8 0 7h v 32 9 4 2h v 0 10 9 8 0 7 注：1 维氏硬度试验可使用大于9 8 0 7 n 的试验力； 2 显微维氏试验力为推荐值。 试验力的选择要根据试样种类、试样厚度和预期的硬度范围而定。标准规定，试 样或试验层的厚度至少为压痕对角线长度的1 5 倍。试验后试样背面不应出现可见的变 形痕迹。 2 1 4 维氏硬度试验的优点和缺点 维氏硬度试验的压痕是正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试 验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度计 优越。 7 维氏硬度试验测量范围广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从 很软的材料( 几个维氏硬度单位) 到很硬的材料( 3 0 0 0 个维氏硬度单位) 都可测量。 维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的 材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内 具有一个统一的标尺。这一点又比洛氏硬度试验优越。 在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果 会得到近似的硬度值。例如，当硬度值为6 0 0 以下时，h v - h b ，如图2 3 所示。 维氏硬度试验的试验力可以小到1 0 酉，压痕非常小，特别适合测试薄小材料。 r 一 ； ( ； ； 氯 ； h v 杉 j | 。 l 。 ； 7 i i 嘲猢0 0 05 0 07 0 08 0 0 嘲确0 跫 图2 - 3h v 与h b 硬度值的吻合图 维氏硬度试验效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高， 通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时，通常只在实验室中使用。 2 。1 5 维氏硬度计的应用 维氏硬度试验主要用于材料研究和科学试验方面。小负荷维氏硬度试验主要用于 测试小型精密零件的硬度，表面硬化层硬度和有效硬化层深度，镀层的表面硬度，薄 片材料和细线材的硬度，刀刃附近的硬度，牙科材料的硬度等，由于试验力很小，压 痕也很小，试样外观和使用性能都可以不受影响。显微维氏硬氏试验主要用于金属学 和金相学研究。用于测定金属组织中各组成相的硬度，用于研究难熔化合物脆性等。 显微维氏硬度试验还应用于极小或极薄零件的测试，零件厚度可薄至3 z m 3 5 1 。 8 瞧的嘧皤吩雠鼹聪0孵鞠碍鞠翳诣弱班 2 2 维氏硬度测量系统的设计方案 2 2 1 系统的组成及方案 维氏硬度测量系统主要由维氏硬度计主机、维氏压痕检测系统和维氏压痕图像处 理系统三个部分组成。 系统工作时，由计算机控制负荷加载系统自动施加、保持、卸除试验力，产生压 痕，启动维氏压痕测量系统对压痕进行拍照。压痕图像通过显微物镜，摄像机及图像 采集卡送入计算机进行图像处理。在这里我们采用v c + + 软件来进行压痕图像处理。经 过图片预处理( 包括滤波、灰度均衡、二值化处理) 、边缘提取、边缘细化、曲线拟合、 尺寸测量等过程，便可得到维氏压痕的对角线长和硬度值。将此数据与标准数据进行 对比，由此判断材料的合格与否。整个系统框图如图2 - 4 所示。 2 2 2 系统测量的具体过程 图2 4 系统总体框图 本系统的具体测量过程为： ( 1 ) 图像输入设备用c c d 摄像机，c c d 摄像机将图像信号变为电荷信号。 ( 2 ) 图像数字化设备用图像采集卡，把电信号转换成计算机能处理的数字信息并将其 存入计算机。 ( 3 ) 计算机是整个图像处理系统的中心。无论是c c d 摄像头还是图像采集卡，都需 要与计算机相连。而且，采集进来的图像信息都要通过计算机运行各种程序来进行处 理、分析、判断和控制。用相应的图像处理软件对所采集到的维氏压痕图像进行预处 9 理、二值化、边缘检测、轮廓提取及对角线长和硬度计算等1 3 6 1 1 3 7 1 。 ( 4 ) 最后将数据处理结果显示、制表并打印出来。 操作系统采用w i n d o w sx p ，编程工具采用v c + + 6 0 ，程序设计采用模块式结构。 维氏硬度测量系统的软件结构方案采用模块化，系统的程序功能模块关系如图2 5 所 示。 ( 1 ) 主程序模块：是应用程序的总体框架，由它连接各个功能模块。它包括系统初始 化程序，工作循环程序等。 ( 2 ) 主机控制模块：基本功能是实现对维氏硬度计主机的加载控制，对光源照明的亮 度控制及对摄像机的控制。 ( 3 ) 维氏压痕图像采集处理模块：基本功能是实现维氏压痕图像的采集，压痕图像的 处理，包括图像二值化、阈值分割、边缘检测、拟合直线等。 ( 4 ) 数据处理模块：完成对压痕对角线长的计算及维氏硬度计算。 ( 5 ) 显示、存储、打印模块：将数据处理结果显示、存储、打印出来，以备技术与管 理、检定人员及时处理。 图2 - 5 系统的程序功能模块 2 3 测量系统的机械整体结构 该测量系统的机械结构主要由大杠杆、油缸、砝码、转动臂、压头、试台、升降 手轮、升降手柄和变荷手柄组成。其结构示意图如图2 - 6 所示。试验时，旋转升降手 柄，使试台载着试样上升，同时在电脑显示屏中进行观察，直到出现清晰的试样表面 为止；扳动手柄，旋转转动头，使压头轴线与试台轴线重合；通过调节变荷手柄确定 载荷大小，采用砝码加力、杠杆放大的原理进行加载。 1 0 2 02 12 22 3 图2 - 6 维氏硬度测量系统结构示意图 1 底座螺栓2 一液晶显示板 3 升降手轮4 _ 试台 5 压头6 1 0 x 物镜 卜光源8 一照明座9 一调节螺钉 1 0 一测微计手轮1 1 相机连接线 1 2 相机1 3 - - 上盖 1 4 按钮1 5 测微计微动手轮1 卜手柄1 卜2 0 x 物镜 1 8 变荷手柄 1 9 一升降手柄 2 卜大杠杆2 1 油缸 2 卜砝码2 3 后盖2 卜转动臂2 5 r s 2 3 2 串口 2 6 - - 电源插孔2 7 一保险丝盒 2 8 电源开关 第三章维氏压痕检测系统的设计 本章阐述了维氏压痕检测系统的设计，详细介绍了为采集压痕图像提供照明的光 源系统的设计，着重介绍了镜头、c c d 图像传感器和图像采集卡的选择。 3 1 维氏压痕检测系统的设计方案 本文所设计的维氏压痕检测系统涉及的技术方面大约包含以下六种：照明技术与光 源；光学系统与镜头；光电图像传感器与摄像机；图像采集与图像采集卡；图像处理 算法与程序设计。上述每种技术都对某个机器视觉检测系统的成功与否起着至关重要 的作用。国内外机器视觉方面的企业或人员，都会集中研究这六类技术中的某一类或 几类。每一方面的技术都是一门专门的技术，都值得系统学习和深入研究。 图像的获取实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理 的数据。一般利用光源、光学系统、相机、图像采集卡、图像处理单元获取被测物体 的图像。图像获取是机器视觉检测系统的第一步，也是最为关键的一步，因为得到的 图像质量将直接影响到后期的图像处理算法设计，也会影响到系统的稳定性及可靠性。 本文采用的检测系统主要由光学成像部分、数据传输部分、数据采集部分、数据 处理部分以及结果输出和存储部分组成。具体结构如图3 1 所示。 图3 - 1 维氏压痕检测系统结构图 下面我们分别介绍并选择构成维氏压痕检测系统的各个部件。 3 2 照明光源系统的设计 3 2 1 照明系统的光路设计 照明系统的作用在于使被测物得到充分的照明和使显微镜所成的像有足够的亮 度，并使光束充满物镜的孔径角。照明系统设计总的要求是：合理的利用光源的能量 1 2 均匀照明全视场不引起显微镜性能降低。 为了像面获得足够的照度并使照度分布均匀，设计照明系统时应考虑三个问题， 即照明系统提供的光能量问题、光能量利用率问题和能量在像平面分布问题。 照明系统提供的光能量与光源的发光强度、光源的尺寸和聚光镜的孔径角有关。 当光源的发光强度一定时，光源面积越大，聚光镜的孔径角越大，照明系统提供的光 能量就越多，即照明系统所提供的光能量大小是由其拉赫不变量决定的，照明系统所 提供的光能量能否全部进入成像系统取决于两者之间的衔接关系。为了使照明系统和 成像系统很好地衔接起来，在光学计算中，应使照明系统的拉赫不变量大于或等于成 像系统的拉赫不变量。 本文设计的照明光路如图3 2 所示，由光源1 发出的光线经双透镜聚光镜2 、滤光 镜3 、吸光方棱镜4 和显微物镜6 照明被测物7 ，并由被测物反射，经6 、4 到达5 ( c c d ) 感光面。 54 32 1 3 2 2 光源的介绍和选择 图3 - 2 照明系统光路图 ( 1 ) 光源的介绍 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至 少3 0 的应用效果。一个稳定的、可靠的检测系统不能仅仅局限于在试验室的严格条 件下才能应用，而应该在真正的工业制造环境中，在不断变化的环境光和其他工况条 件下，对于不同的材料、不同的机器都可以实时摄取到高质量、高对比度的图像。基 于这种情况，选择合适的，能够克服这些因素的光源非常重要。维氏压痕检测系统与 其它传感器的工作情况不同，它对光线的依赖性很大，往往需要很好的照明条件，使 物体形成的图像最为清晰，复杂程度最低，得到最多的有用信息，消除不必要的阴影、 1 3 低反差和镜面反射等。在目前的检测系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成 败的关键，起着非常重要的作用，并不是简单的照亮物体而己。光源与照明方案的配 合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可 能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化 不应该影响成像的质量。在视觉检测应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射 光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理、物体的几何形状等 要素。光源设备的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特 性也必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。总之，应该根 据实际的任务，选择和设计不同的光源形式，以达到物体成像的最佳状态。 ( 2 ) 光源的选择 在目前的图像识别检测系统中常用的光源有以下几种： 荧光灯：即日常起居使用的荧光灯。 卤素灯+ 光纤导管：这是由一个卤素灯泡，在一个装置( 通常称为灯箱) 中发光。再 由光纤导管将卤素灯所产生的强光转向，对被测物进行照明。 l e d 光源：即由多个发光二极管以某种特定的形状，综合对被测物进行照明。这 是目前最普遍采用的照明方式。 其中我们主要介绍目前图像识别检测系统中最常用l e d 光源，l e d 光源凭借下面 几个显著特点成为最适合机器视觉检测系统应用的专用光源： 形状的自由度 一个l e d 光源是由许多单个l e d 发光管组合而成的，因而比其他光源可做成更 多的形状，更容易针对用户的情况，设计光源的形状和尺寸。 使用寿命长 为了使图像处理单元得到精确的，重复性好的测量结果，照明系统必须保证相当 长的时间内能够提供稳定的图像输入。l e d 光源在连续工作1 0 0 0 0 到3 0 0 0 0 小时后， 亮度衰减，但远比其他型式的光源效果好。此外，用控制系统使其间断工作，可抑制 发光管发热，寿命将延长一倍。 应答速度快 l e d 发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要求保证多个光源之间或 一个光源不同区域之间的工作切换。采用专用电源给l e d 光源供电时，达到最大照度 的时间小于1 0 u s 。 可自由选择颜色 除了光源的形状以外，欲得到稳定图像输入的另一方面就是选择光源的颜色。甚 至相同形状的光源，由于颜色的不同得到的图像也会有很大的差别。实际上，如何利 用光源颜色的技术特性得到最佳对比度的图像效果一直是光源开发的主要方向。 综合性运转成本低 选用低廉而性能没有保证的产品，初次投资的节省很快会被日常的维护、维修费 1 4 用抵消。其他光源不仅耗电是l e d 光源的2 1 0 倍，而且几乎每月就要更换，浪费了维 修工程师许多宝贵的时间。而且投入使用的光源越多，在器件更换和人工方面的花费 就越大，因此选用寿命长的光源从长远看是很经济的。 3 3 镜头的选择 光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。镜头 是维氏压痕检测系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用，它对成像质量的 几个最重要的指标都有影响，包括分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类 繁多，而且质量差异也很大，因此在进行维氏压痕检测系统设计时要重视镜头的选型， 才能够得到理想的图像。 ( 1 ) 图像识别检测系统中常用镜头分类 根据有效像场的大小划分 每个镜头都有一个清晰像场，在这个区域内可以使无限远处的景物结成清晰影像。 照相机或摄像机的靶面一般都位于清晰像场之内，这一限定范围称为有效像场。由于 视觉系统中选用的摄像机靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时一定要注意镜头的 有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影 像。 根据焦距分类 根据焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。依据焦距的长短，定焦 距的镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头、超长焦镜头五大类。 需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准，而是以像角的大小 为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不相同。变焦 镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定的范围内灵活改变。变焦距 镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头又可分为手动 变焦和电动变焦两大类。 变焦镜头由于可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视场的情况下非常 方便，所以在摄影领域内应甩非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂， 所以最大相对孔径不能做的太大，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中 也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正，所以其成像质量无法和同档次的定 焦距镜头相比。 实际中常用的镜头的焦距从4 r a m 到1 0 0 0 m m ，如何选择合适焦距的镜头是在图像 识别系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像 公式即牛顿公式和高斯公式来推导，对于图像识别系统的常见设计模型，一般根据成 像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的。 放大率：磊，h h ；l l 1 5 物距：l = f ( 1 + 1 m ) 像距：l 7 一厂( 1 + 朋) 焦距：f 一0 + l m ) 物高：h = 矗m ； 仁一f ) 厂 像高：h 一m h h ( l7 一f ) ， 根据镜头接口类型划分 镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括c 接口、c s 接口、f 接口、v 接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，一般可以 找到各种常用接口之间的转换口。 特殊用途的接口 显微镜头( m i c r o ) ，一般是指成像比例大于1 0 ：1 的拍摄系统所用，但由于现在的 摄像机的像元尺寸已经做到3 微米以内，所以一般成像比较大于2 ：1 时也会选用显微镜 头。 微距镜头( m a c r o ) ，一般是指成像比例为一的范围内的特殊设计的镜头。在对图 像质量要求不是很高的情况下，一般可以采用在镜头和摄像机之间加近摄接圈的方式 或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像效果。 远心镜头( t e l e p h o n i c ) ，主要是纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以 在一定物距范围内，使得到图像放大倍率不随物距的变化而变化，这对被测物不在同 一物面上的情况是非常重要的应用。在现在的机器视觉检测系统中，如果需要进行精 确测量，一般选用远心镜头。 紫外镜头( u l t r a v i o l e t ) 和红外镜头( i n f r a r e d ) ，一般镜头是针对可见光范围内的 使用设计的，紫外镜头和红外镜头是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。 ( 2 ) 镜头主要参数及对成像质量的影响 以上介绍了不同类型的镜头，即使对于同一类型的镜头其成像质量也有着相当大 的差距，这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的，同时也导致 不同档次的镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。 像差是影响图像质量的重要方面，常见的像差有如下六种：球差、慧差、像散、 场曲、色差、畸变。其中畸变与另外五个之间的根本区别是，畸变像差只影响影像的 几何形状，而不影响影像的清晰度。 在评价镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断。 分辨率( r e s o l u t i o n ) ：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细 节的能力。分辨率的单位为“线对毫米 ( 1 p m m ) 。 明锐度( a c u t a n c e ) ：也称对比度，是指图像中最亮和最暗部分的对比度。 1 6 景深( d o f ) ：在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够 结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间的纵 深距离，也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。 最大相对孔径与光圈系数：相对孔径是指该镜头的入射光孔直径( d ) 与焦距( f ) 之比，相对孔径= d f 。相对孔径的倒数称为光圈系数。一般镜头的光圈系数是可以调 节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在镜头上，如1 ：1 2 或1 2 。如果拍摄现场 的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的镜头。 ( 3 ) 镜头各参数间的相互影响关系 焦距大小的影响情况 焦距越小，景深越大：焦距越小，畸变越大；焦距越小，渐晕现象越严重，使像 差边缘的照度降低。 光圈大小的影响情况 光圈越大，图像亮度越高；光圈越大，景深越小；光圈越大，分辨率越高；光圈 越大，球差和慧差越严重；光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀。 像场中央与边缘 一般像场中心较边缘分辨率高；一般像场中心较边缘光场照度高。 光波长度影响 在相同摄像机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像分辨力 越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光做为 照明光源，对提高系统精度有很大的作用。 ( 4 ) 为特殊应用场合定制光路 在一些特殊的机器视觉检测系统设计中，需要应用一些标准光学元件( 如反光镜、 凸透镜等) 进行光路设计，甚至有些应用场合还需要使用一些非标准的光学元件。 3 4c c d 图像传感器的选择 严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄像头与镜头大部分是分 开购买的，在各商家列出的闭路电视监控器材清单中的摄像机通常都是不带镜头的( 一 体化摄像机除外) ，因此在实际应用中，应根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离， 及监控现场的实际环境及用户要求，为摄像机配合适的镜头。现在世界上有很多公司 都在生产c c d 摄像机，这其中比较著名的有德国的b a s l e r 公司、丹麦的j a i 公司、加 拿大的d a l s a 公司等。 以下文字将着重介绍c c d 图像传感器的工作原理、如何确定c c d 图像传感器及 所选c c d 图像传感器一些性能的介绍。 1 7 3 4 1o c d 的基本工作原理 c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 是由一系列排的很紧密的m o s 电 容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此， c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。以下将分别从这几 个方面讨论c c d 器件的基本工作原理。 ( 1 ) m o s 电容器 c c d 是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个m o s ( 金属一氧化物一半导体) 电容器。但工作原理与m o s 晶体管不同。 c c d 中的m o s 电容器的形成方法是这样的：在p 型或n 型单晶硅的衬底上用氧化的 办法生成一层厚度约为1 0 0 - 1 5 0 r i m 的s i o ，绝缘层，再在s i o ，表面按一定层次蒸镀一金 属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压( 栅极电压) ，即形成了一 个m o