应用模糊集结合数学形态学提取布氏硬度压痕圆.pdf

仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第6 期 应用模糊 集结合数学形态学提取布 氏硬 度压痕 圆 李丹丹 1 郭一通 2 于达 仁 1 1 哈尔滨工业大学能源学院 黑龙江 哈尔 滨 l5 0 0 0 1 2 哈尔滨工业大学企业处 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 本文描述 了一种应用模糊集结合数学 形态学对布 氏硬度压痕 图像进行压痕 圆提取的新算法 该方法应用数学形态学理论对 像边缘进行 有效的提取边缘提取 针对灰值 图像的特点 在选择结构元素时兼顾了结构元素的形状特征和灰度特征 从而 保证了最佳的提取结果 在边缘提取之前为了提高压痕 阔像的质量 使图形的可用信息分离出来 还应用模糊集理论对图像进 行增强 该方法 的有效性 已经在压痕 图像 的处理过程 中得到 证实 关键词 边缘提取 嗣检测 模糊集 数学形态学 布 氏硬度 中圈分类 号 T P 3 9 1 4 l 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 6 0 0 5 9 0 5 Ro u n d Co n t o u r E x t r a ct i o n o f Br i n e l l Ha r d n e s s I n d e n t I ma g e B a s e d O n F u z z y Se t s a n d Mo r p h o l o g y LI Da n d a n GU0 Yi t o n g YU Da r e n 1 S ch o o l o f E n e r g y S cie n ce a n d E n g in e e ri n g Ha r b i n I n s t it u t e o f T e ch n o lo g y Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 C h in a 2 E n t e r p ri s e De p a r t me n t Ha r b in I n s t i t u t e o f T e ch n o lo g y Harb in 1 5 0 0 0 1 C h in a Ab s t r a ct T h is p a p e r d e s cr i b e d a n e w a lg o r i t h m f o r r o u n d co n t o u r e x t r a ct io n o f in d e n t ima g e o n me t a l s u r f a ce a fte r Br in e l l h a r d n e s s t e s t M o r p h o lo g ic a l t h e o r y is e mp lo y e d t o e x t r a ct r o u n d co n t o u r o f in d e n t ima g e e f f e ct iv e ly Ba s e d o n c h a r a ct e r is t ic o f g r a y s ca le ima g e s t r u ct u r a l e le me n t is ch o s e n a cc o r d in g t o it s s h a p e f e a t u r e a n d g r a y s c a l e f e a t u r e in o r d e r t o a cq u i r e b e t t e r r e s u lt Be f o r e t h e s t a g e o f co n t o u r e x t r a ct io n f u z z y t h e o r y wa s e mp lo y e d t o e n h a n ce in d e n t ima g e Va l id it y o f t h is a pp r o a ch is d e mo n s t r a t e d us in g s e v e r a l in d e n t ima g e s Ke y wo r d s c o n t o u r e x t r a ct io n r o u n d d e t e ct io n mo r ph o lo g y f u z z y s e t s b r in e ll h a r d n e s s t e s t 1 引言 当前对于 零部件硬度 的检 测 应用较广 的是 布 氏硬 度计 布氏硬度检测试验是压人硬度试验之一种 其测 量值用 HB表示 该试验一般 采用直径 l0毫 米的球形 钢压头 用一定的负荷 试验力 压 入被测材料表 面 保 持负荷一 定时间后 卸 除试验力 测量 材料 表面 留下的 压痕之直径 布 氏硬度值 的计 算公式为 lj 1 瑚 D 4 D d 1 D f 一 一 1 其 中 尸为负荷 千克力 D为压头直径 毫米 d 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 2 0 为压痕直径 毫米 布 氏硬度检测方法测量数值稳定 准确 但是现 有的布氏硬度计对于压痕直径的测量都是通过 2 O倍的 读数 显微 镜对 工 件压 痕进 行 人工 观测 并读 取读 数 然 后对照 表格 查找 出工件 硬度值 这一 人工观 测过程 导 致 硬度 值 的结 果 可能 会有 人 为误差 同时 还 降低 了测 量 效 率 本文 中采用分辨率为 0 0 0 5 ram 的 C C D镜头对压痕 表面进行拍摄 由图 l 所示的压痕图像中我们可以看 出 应 用 图像处 理技 术 可 以实现 对压 痕直 径 的 自动 测 量 实际上将硬 度测量 转化为 图像边 缘提取和 圆识 别检 测 的过 程 T e ch n i q u e s o f A u t o ma t i on A p p li ca t i o n s f 59 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第6 期 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 I n s t r u me n t at i On an d Me a s ur me n t 由于 布 氏硬度 计 测量 的 试件 表 面不 一 定是 理 想 的 光 滑平面 虽然我 们在拍摄 过程 中尽量 从光 照和 阴影遮 挡 等方面做 了很多努力 但 是实 际的拍摄 影像 往往 仍然 含有较多的噪声成分 这些噪声为边缘提取造成 了一 定难度 为 了顺 利的边缘提取 在边 缘提 取之前 必须尽 量改善 图像 质量 尽 量 消除或尽 量减小 这 些噪声 使 图 像增 强 本 文 中采用模糊算 法对压 痕 图像进 行增 强 增强 后 的图像质量获得了改善 对比度得到了拓展 部分噪声 也得到了抑制 在视觉效果上 图像明显清晰了 而从 图像处理 的角度 出发 图像 的对 比度 的扩展 以及噪声 的 抑制 也有利 于进一 步 的轮廓提取 由于压痕 图像 固有的特 点 增强 图像 仍 然有大量 的 不利于轮廓提取的灰度信息 对于压痕圆的轮廓提取 必须滤除掉无关的灰度信息 才能够避免提取到错误的 轮廓 传 统的处理方法诸如低 通滤 波 中值滤 波等在滤 除无关灰度信 息的过程 中均会损 害 图像边 缘 数学 形态 学 的 引入 很 好 的解决 了这 个 问题 形态 学处理 以几何 为基础 它着 重研 究 图像 的几何 结构 应用数学形态学处理 图像可考察 图像各个部分 问的相互 关系 从而 了解 图像 的结 构特征 特别 是在从 二值数学形态学扩展到灰度数学形态学的过程中 图像 处 理 过程 中使用 的 结构 元 素 不 但可 以设定 形 态 大 小 还 可 以携 带灰度 信息 这一 点对 于我们 的边 缘提 取 有 着至 关重要的作用 引 数学形态学滤波是对数学形态学两种基本算法腐 蚀和膨胀的结合运用 数学形态学滤波的效果在很大程 度上 取决 于 结构 元素 的选 取 结 构 元素 的尺 寸如 果 选 择 的过 小 将 无法有 效的滤 除无关灰度 信息 结构元 素 的 尺寸如果选择 的过大 则将极大 的损害 图像 的边缘 信 息 在本 文 中 采用 了交变序 列滤 波器 这 样 不仅能 够 利用 无关灰度信 息的尺 寸 还能够利 用无 关灰 度信息 的 灰度特征 实际实验结果证明 应用适当的灰度结构元 素进行 滤波处理 在 效果上 比使用 单一 的二值 结构元 素 有 很大 的改 善 经 过数 学 形 态学 滤 波 得 出 的 图像 选 取 适 当 的 阈 值 对 图像 进 行 二值 化 然后 计 算 图像 的数 学 形 态学 梯 度 即可有 效 的提 取 图像 边 缘 在对 压痕 图像 的 处理 过程 中 提取 出来的轮廓边缘可以清晰的分辨 出压痕 圆 之 后再应用 简化的 Ho u g h变 换 即可实现压痕 圆的 提取 从而得 出压 痕 圆的直 径 进一 步计 算 出被测 元件 的 表 面硬 度 实验 中使用 的模 糊增 强算 法 在 本 文的 第二 部 分 中 进行了简要地介绍 而在第三部分 中则重点描述了 自 适 应的数学 形态学边 缘提取算 法 其 中简要描述 了结构 元 素尺 寸 以及 灰度 的选 取 方式 第 四部分 中给 出了仿 真 的结果 并 针对 结果 的优点 以及 尚存 的缺陷 给出 了分 析 最 后 本文 还概 括 了此算 法 的性 能 2 应用模糊增强算法进行图像增强 级 作为感 兴趣的模糊特征 令 表示 图像 中第 力点像 素的灰度值 表示最大灰度值 则模糊特征可由下 式提取得到 i 1 式 中 是模糊 参数 l 8 l 0 Q 2 5 c 竺 I1 8 1 P D X 0 7 5 4 9 X 1 x x x 0 x Q 2 5 x Q 2 5 x Q 5 x Q 5 x Q 7 5 4 x Q 7 5 x 1 将该 式应 用于模 糊特 征平 面 有 P P P P 0 P 0 2 5 0 2 5 P 0 5 0 5 P 0 7 5 5 0 7 5 P 1 仪 器 仪 表 与 检 测 技 术 ln s t r u m e n t a t i o n a nd Me as u r me n t 其 可定 义为对 丁 的多次递归调用 当 一 o o 时 p 产生 值 图像 不难看 出 对 做有限次递 归 啊用后 图像可显 著增 强 本 史中采用的模糊增强算法 由下述 1 r 3 部分组成 1 对平滑处理后 的图像按 式 进行模糊特征提 取 得到图像模糊特征平而 i X J 2 模糊特 征平 1 f L 对模 糊特征 按 式 进行 对 比 发 增 强 变 换 得 到 已 增 强 的 模 糊 特 征 一 P u P 4 i l J 3 对新的模糊特征平面按 式 进 行逆变换 得 出相 的 已 增 强 的 输 出 图 像 X F P 3 应用数学形态学算法进行边缘提取 在边缘 检测 图像 处理 中有多种 悌度 其边缘 检测 的 基本原 都堪于 卜 面的考虑 如果在某 一 点处 的梯 度值 大 刚表示在该 点处 像 的明嘴变 化迅速 从而可 能有 边缘通过 是存灰度 图像 巾 扶度 变化无处 不在 检 测 出的很 多边 缘 部不足 我 们想要 的边 缘 因此在 边缘 检测之前 要 对 图像 中的 无关灰 度信息进 行滤 除 灰值了 运 算可用于过 滤最人 噪声 而闭运算 可 以滤 掉信 下方 的噪声 尖峰 在 一般情 况 卜 噪声 往往 由信 号上下凸起的尖峰组成 只要这些噪声是很好分离的 则可 以利 用 开运 算和 闭运 算的迭 代运 算或 闭运 算和 开 运算的迭代运算将其消除 阡 闭 Oc 运算的形式为 O C 厂 厂 o g 一 6 其 l 厂为 原 图 像 为 以 原 点 为 中心 的 稿 平 结 构 元 素 与二 值情 况相似 适 当地选 择结 构元素的 尺寸是 很 关键的 向埘 我f 想要处理 的压 痕 图像 信 号中混杂 有不 j 的噪声 脉冲 并月 噪声之 间并没有很好地 分 离 此我 们选用 文变 序列 滤波器 即使用 逐渐增 加 寸的结 构 索 交替地 做开 闭运 算 通过实 验 f 1 观察 可 以看 到结 构元素选 择对 图像 滤 波效果的影响 由于我们要提取的就是压痕圆 因此在 形状 采 川圆盘 型结 构元素 该 种结 构元 素具 有各 向 同 一性 有 利 r 保 证提取边缘 的闭滑 而在交变 序列滤 波 采用不同 尺寸的 组结构元 索时 结 构元素 的尺寸选 择 为 2 1 其 中j l 2 3 4 选择 奇数是为了对称 使结 构元素 的 f 1 心 位于 像素 位置 在 图像 处理 的过 程 中 我 仃 J 注意 到 如 果采用 单一 自动化 技术与应用 2 0 1 1年第 3 0卷第 6期 的 二 值结构元素 即使把取j 的 限为 4 仍然无法在滤 除 无关信 息 的过程 中取 得理 想 的效 果 观 察 增强 后的 图形 可 以看到元件 被测表面 的材质一致性 决定 了无 关 信息 的灰 度分 侑是 类似 的 这 使得我们 利用结构元素 的 灰发 信息 成为 可能 选取合 适的灰 度值 作 为闵盘型结 构元素 的灰度值 经过交变序列滤波 即可获得滤除尢关灰度后的压痕圆 图像 将 滤波 后 的压 痕 圆图像选 取适 当的 灰度值 做二 值化 然后求取 值 图像的数学 形态学梯度 即可提取 出 较为 清 晰的