一种全自动压痕测量装置及方法与流程

[0001]
本发明涉及一种硬度压痕测量装置及方法，尤其涉及一种全自动压痕测量装置及方法。


背景技术：

[0002]
在布氏、维氏硬度试验中，为了检测被测材料的硬度，需要按照国标使用对应的压头，施加指定压力在被测材料表面，而后通过测量压痕的对角线长度，计算出被测材料的硬度。在大部分测量中，被测材料的表面压痕对角线长度单位以微米计算。由人工通过显微镜调整刻度板以对齐压痕边缘的方法，较为复杂且难以消除测量误差。同时在多次对同一硬度材料测量的过程中，往往容易产生因人工长度测量调整的偏差而导致获得不同的硬度数值结果，导致较高的重复性误差。为此，引入自动化设备进行压痕图像测量是一种极大提升测量精度、解放劳动力、降低重复性误差的方法。
[0003]
现有的自动化设备往往使用的压痕测量方法为基于像素级别的图像处理方式，这种方式对于大小仅数微米的压痕来说误差往往不能够达到要求。同时，在使用自动化设备的摄像头进行拍摄时，往往需要人工通过目镜判断当前是否合焦，并通过手动操作的方式调整载物台的位置以实现压痕处于摄像头的合焦面上，这样的方法繁琐且效率低下。
[0004]
因此，有必要设计一种使用更加方便，且拥有更高压痕测量精度和效率的装置及方法。


技术实现要素：

[0005]
本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种全自动压痕测量装置及方法，使用操作简便，测量精度高。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007]
一方面，本发明提供一种全自动压痕测量装置，包括电动载物台、图像捕获模块和运算处理模块；电动载物台、图像捕获模块均与运算处理模块相连；
[0008]
所述电动载物台，用于放置待测物体(待测材料)；
[0009]
所述图像捕获模块，用于获取放置在电动载物台上待测物体的图像，并将图像传送给运算处理模块；
[0010]
所述运算处理模块，用于处理来自图像捕获模块获取的图像，控制电动载物台水平移动以使待测物体表面处于图像捕获模块(摄像头)的视场中，控制电动载物台升降以使待测物体表面处于图像捕获模块(摄像头)的合焦面上，并求解待测物体表面压痕数据，进而可以解算出材料硬度。
[0011]
进一步地，所述全自动压痕测量装置还包括反馈显示系统，运算处理模块将可视化数据通过反馈显示系统中的液晶显示屏显示供使用者查看，同时使用者可通过反馈显示系统的触摸输出进行控制。
[0012]
进一步地，所述全自动压痕测量装置还包括通讯模块；所述运算处理模块通过通
讯模块可与外界进行有线或无线连接，使用者可根据自身需要进行远程操控与监视。
[0013]
进一步地，所述全自动压痕测量装置中，图像捕获模块包括摄像头和光学放大镜片模组；其中摄像头通过光学放大镜片模组的光路获取放置在电动载物台上待测物体的图像，并将图像传送给运算处理模块。
[0014]
进一步地，所述光学放大镜片模组为可切换式的；可切换式光学放大镜片模组采用模块化设计，通过电控切换与插拔的方式可进行更换，其中电控切换与插拔的方式都需要经过运算处理模块的验算和控制，确保使用符合标准的模块，具体地：光学放大镜片模组由光学镜片与控制芯片通过外壳封装而成，控制芯片保存了相应光学放大镜片模组的型号等相关数据信息；多个光学放大镜片模组被模组装在一圆形电控转塔上，运算处理模块根据程序，控制电动转塔自动旋转，实现不同光学放大镜片模组的电动切换；圆形电控转塔上光学放大镜片模组的选择与排布根据用户需求而变化；同时使用者可对光学放大镜片模组进行插拔操作，以更换可供切换的光学放大镜片模组类型(不同倍率的光学放大镜片模组和特殊光学放大镜片模组)；插拔操作光学放大镜片模组时，运算处理模块通过光学放大镜片模组上的通信触点对其进行通讯检测，检查其是否安装到位，并通过光学放大镜片模组上的通信触点与其控制芯片进行通信，检查光学放大镜片模组的型号是否符合机器型号，检查并存储光学放大镜片模组放大倍率以用于后续处理计算，以确保光学放大镜片模组符合使用要求。
[0015]
另一方面，本发明提供一种全自动压痕测量方法，采用上述全自动压痕测量装置进行压痕测量，包括以下步骤：
[0016]
步骤1、图像捕获模块获取放置在电动载物台上的待测物体表面图像，并传输给运算处理模块；
[0017]
步骤2、运算处理模块基于图像捕获模块获取的图像，控制电动载物台水平移动以使待测物体表面处于图像捕获模块的视场中，控制电动载物台升降以使待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上；
[0018]
步骤3、运算处理模块利用图像捕获模块当前获取的图像，即待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上时图像捕获模块获取的图像，解算出压痕的数学解析解，得到高精度压痕数据。
[0019]
得到压痕数据后，运算处理模块可以通过反馈显示系统将运算结果与处理流程进行显示，供使用者进行查看；同时接收来自使用者通过通讯模块传递的指令，进行下一步操作。
[0020]
进一步地，所述步骤2中，运算处理模块通过以下控制，使待测物体表面处于图像捕获模块的视场中心位置：运算处理模块通过图像捕获模块获取的图像进行解算，以图像捕获模块的视场中心为原点，使用深度优先算法，向原点四周寻找，直至找到图像内压痕的大致位置，然后计算出待测物体表面压痕中心在视场中相对原点的偏移量，并依此控制电动载物台水平移动，使得待测物体表面压痕中心处于视场中心位置。
[0021]
进一步地，考虑到待测物体往往是一个块放置在载物台上，可以测量的只有一个操作面，为了获取清晰的表面图像，必须使操作面处于摄像头的合焦面上；但是用户放置完待测物体后，往往操作面并不在合焦面上，为此必须要升降电动载物台以完成合焦操作。由于图像越清晰，图像中的细微部分数据越多，高频成分也就越多，因此本发明中运算处理模
块采用内置的电动载物台控制算法及自动合焦算法，控制电动载物台逐步运动，基于逐步拍摄的图像的高频成分判断待测物体表面是否处于摄像头的合焦面上，当出现图像高频成分突然增加时，视作待测物体表面已经处于摄像头的合焦面上；具体地，所述步骤2中，运算处理模块通过以下控制，使待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上：
[0022]
2.1)控制电动载物台运动至行程最低位置；
[0023]
2.2)控制电动载物台按照所设步长，逐步靠近图像捕获模块(摄像头)，运动至行程最高位置(所允许的最高运行位置)，并逐步获取图像捕获模块拍摄的图像；
[0024]
2.3)针对逐步获取的每一帧图像，分别提取其高频成分(使用高斯滤波算法)；构建一个以电动载物台运动距离(步长
×
步数)为深度轴，对应图像的高频成分为二维图像平面的三维合焦信息；确定三维合焦信息中高频成分最多的二维图像平面，解算出该二维图像平面所对应的电动载物台运动距离对应的绝对位置(升降高度)，将其视为图像捕获模块的合焦面；
[0025]
2.4)控制电动载物台运动至图像捕获模块的合焦面上，实现自动合焦。
[0026]
进一步地，所述步骤3中，运算处理模块采用内置的粗-细压痕自动定位算法解算出压痕的数学解析解，具体包括以下步骤：
[0027]
3.1)对当前获取的图像进行预处理；
[0028]
3.2)在二值图像中寻找最大连通区域(可使用satoshi suzuki提出的“topological structural analysis of digitized binary images by border following”法或深度优先算法寻找)，求得最大连通区域的最小包围框(最小外接矩形)；对当前获取的图像进行灰度化处理，获得其灰度图；在该灰度图中选择与上述最小包围框对应的区域作为感兴趣区域(以摒弃无压痕的图像数据)；
[0029]
3.3)在感兴趣区域中寻找边缘点，基于寻找到的边缘点数据(边缘点坐标及梯度方向)得到压痕每条边缘所在直线的数学解析式；
[0030]
3.4)联立压痕各条边缘所在直线的数学解析式，求解压痕各条边缘的交点，实现高精度的压痕边缘角点定位。
[0031]
解算完毕压痕信息后，运算处理模块可以将其数据与图像通过反馈显示系统供使用者查看，等待使用者操作介入；若等待时间结束无操作，自动进行下一次预定测量；若无预定测量，结束流程进入待机状态。
[0032]
进一步地，考虑到为了拍摄被测材料表面，需要使用工业摄像头，通过特定显微光学镜片组进行拍摄，并配合辅助光源，以获取较为清晰的表面视图；而在使用辅助光源拍摄时，往往因为被测材料表面平整度不同、材质不同，而导致补光效果的不同，反映到实际拍摄的图片中，则是多次多种样品图片的明暗度不一。同时，在实际生产中，被测材料，尤其是金属材料表面往往布有划痕与蚀刻，这一些纹路在摄像头所拍摄的视图中与所需要测量的压痕往往同时存在，它们作为背景干扰，影响着压痕测量的成功率。针对这些问题，本发明在步骤3.1)预处理中，先使用均值滤波减少图像的高频部分杂波，再对滤波后的图像使用clahe算法进行图像增强、使用大津法(最大类间方差法，otsu)计算得到阈值化后的二值图像，最后对二值图像进行形态学运算(腐蚀、膨胀)，得到最终的二值图像。其中clahe算法和otsu算法用于解决补光差异问题，形态学运算用于修补划痕与蚀刻。
[0033]
进一步地，所述步骤3.3)具体包括以下步骤：
[0034]
3.3.1)通过深度优先搜索方法，由压痕内一点出发，沿一指定方向逐点统计当前点与上一点之间的灰度变化率，直至搜寻至感兴趣区域的边界点处，将当前方向上搜索到的灰度变化率最大值点(灰度变化最剧烈的点)，记为点q
i
，将该点视为压痕边缘点；其中的指定方向由用户设定，如设定左、右、上、下、左上、右上、左下、右下八个指定方向，或由初始方向开始，每旋转一定角度作为一个指定方向，每个指定方向完成一次搜索；
[0035]
3.3.2)使用sobel算子，计算点q
i
的梯度方向，从而根据压痕边缘点的梯度方向与相应压痕边缘所在直线方向垂直这一约束反推得到相应压痕边缘所在直线的数学解析式；
[0036]
3.3.3)重复步骤3.3.1)～3.3.2)，沿每个指定方向进行一次搜索，经过多次搜索，得到压痕各条边缘所在直线的多个数学解析式；对压痕每条边缘所在直线的多个数学解析式的参数进行拟合，得到压痕每条边缘所在直线的最优数学解析式。
[0037]
所述步骤3.4)中，联立压痕各条边缘所在直线的最优数学解析式，求解压痕各条边缘的交点。
[0038]
进一步地，所述3.3.2)中，设点q
i
的梯度方向为g
i
，点q
i
的像素坐标为(x
i
,y
i
)，反推得到相应压痕边缘所在直线的数学解析式：
[0039][0040]
进一步地，为实现棱形压痕的四条边缘的搜索，须求得棱形压痕的四条边缘所在的区域范围。考虑到棱形压头在被测物体表面所留下的压痕，在视图中并不一定是正方向，因此本发明以最接近感兴趣区域边缘的压痕边缘点为界，将感兴趣区域分割为4个象限，每个象限中的压痕边缘点对应于同一条压痕边缘，压痕四条边缘分别处于4个象限中。
[0041]
进一步地，所述3.3.3)中，由于压痕边缘并非完全的理想直线，通过多次搜索，针对压痕每条边缘，得到的其所在直线的多个数学解析式不一定相同。为简化计算，本发明使用最小均方误差来拟合压痕每条边缘所在直线的多个数学解析式的参数，求出相应压痕边缘所在直线的最优数学解析式，以此来提升求解精度。具体方法为：设由压痕边缘点q
i
，可以求得相应压痕边缘所在直线的数学解析式为：
[0042]
y＝k
i
*x+b
i
[0043]
其中：
[0044][0045]
对于k
i
进行最小均方误差估计，即求：
[0046][0047]
其中，n为针对相应压痕边缘，搜索得到的压痕边缘点个数。
[0048]
代入原式，即有：
[0049][0050]
同理，对于b
i
：
[0051][0052]
由此，可以求得相应压痕边缘所在直线的最优数学解析式为：y＝k*x+b。
[0053]
进一步地，在压痕单条边缘搜索的过程中，边缘往往不够平整，因此对于寻找到的压痕边缘点(q
i
点)，需要进行部分的取舍。本发明使用平均阈值的方式，摒弃有明显偏移与错误的点位。同时，各个q
i
点离中心距离不一，距离较远的点更有可能引入较大的误差，需要引入权重来进行修正。
[0054]
可以用作相关修正的权重函数有多种，例如汉宁窗、高斯函数等函数的二维或一维形式。在使用一维形式时，需要以所搜寻的压痕边缘中心为中点，沿压痕方向进行计算。设q
i
点坐标为(x
i
,y
i
)，其上的权重为w
i
。若使用汉宁窗权重，可知对应点处汉宁窗函数值为：
[0055][0056]
其中，w为图像宽度；
[0057]
若使用高斯函数权重，可知对应q
i
点处高斯函数值为：
[0058][0059]
其中，σ为方差，需要根据实际使用情况进行调整。一般情况下，可以将其设置为离感兴趣区域中心点最远处的压痕边缘点与感兴趣区域中心点的距离。
[0060]
那么对于k
i
、b
i
进行最小均方误差估计公式，可以修正为：
[0061][0062][0063]
另一方面，本发明还提供一种全自动硬度测量方法，首先采用上述全自动压痕测量方法获得待测物体表面压痕数据，然后根据待测物体表面压痕数据计算出待测物体的硬度。
[0064]
有益效果：
[0065]
本发明提供了一种全自动压痕测量装置及方法，运算处理模块内置新颖的粗-细压痕自动定位算法、电动载物台控制算法以及自动合焦算法；通过粗-细压痕自动定位算法可以利用像素级别的压痕图像解算出亚像素级别的压痕数学解析解，进而提升压痕精度数据；通过电动载物台控制算法以及自动合焦算法，可以实现载物台微米级步长的移动以及合焦面检测，根据待测物体表面的不同，自适应的进行合焦操作，无需用户调节。本发明集成度高，方便人员使用与操作，功能齐全，可以实现全自动化的操作；全自动化的操作流程
极大的解放了使用者，加快了测试流程，提高了测试精度与规范性。依据本发明，可以极大的提高生产生活中，检验材料硬度所使用的时间，加快产品的验证速度，提高测试水平，消除了人工测量中的重复性误差。
附图说明：
[0066]
图1为本发明实施例的装置组成；
[0067]
图2为本发明实施例的装置结构框图；
[0068]
图3为本发明实施例的方法流程图；
[0069]
图4为本发明实施例中，粗-细压痕自动定位算法控制流程图；
[0070]
图5为本发明实施例中，电动载物台控制算法以及自动合焦算法控制流程图；
[0071]
附图标记说明：
[0072]
图中，1为运算处理模块，11为处理芯片，12为处理芯片所需外围电路；
[0073]
2为电动载物台；
[0074]
3为图像捕获模块，31为摄像头，32为光学放大镜片模组；
[0075]
4为反馈显示系统，41为液晶显示屏，42为触摸输入板；
[0076]
5为通信模块，51为通信模块中有线通信部分电路，52为通信模块中无线通信部分电路；
具体实施方式：
[0077]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
[0078]
实施例1：
[0079]
如图1和图2所述，本实施例公开了一种全自动压痕测量装置，包括电动载物台、图像捕获模块和运算处理模块；电动载物台、图像捕获模块均与运算处理模块相连；
[0080]
所述电动载物台，用于放置(承载)待测物体；并接收来自运算处理模块的指令，通过电机驱动完成平移、升降的功能，使其上的待测物体处于图像捕获模块的视场范围内，并保持合焦状态；
[0081]
所述图像捕获模块，用于获取放置在电动载物台上待测物体的图像，并将图像传送给运算处理模块；
[0082]
所述运算处理模块，用于获取并处理来自图像捕获模块获取的图像、进行粗-细压痕自动定位算法与电动载物台控制算法以及自动合焦算法运算：控制电动载物台水平移动以使待测物体表面处于图像捕获模块的视场中，控制电动载物台升降以使待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上、求解待测物体表面压痕数据、控制在反馈显示系统上显示与获取输入、通过通信模块与外界进行通信；
[0083]
进一步地，所述图像捕获模块包括摄像头和光学放大镜片模组；
[0084]
所述摄像头通过光学放大镜片模组的光路获取放置在电动载物台上待测物体的图像，并将图像传送给运算处理模块；
[0085]
所述光学放大镜片模组为可切换式的。
[0086]
进一步地，所述光学放大镜片模组由光学镜片与控制芯片通过外壳封装而成，控制芯片用于保存相应光学放大镜片模组的相关数据信息；多个光学放大镜片模组组装在一
圆形电控转塔上，运算处理模块控制电动转塔自动旋转，实现不同光学放大镜片模组的电动切换。
[0087]
进一步地，所述光学放大镜片模组采用插拔式安装在圆形电控转塔上。
[0088]
进一步地，所述全自动压痕测量装置还包括与运算处理模块相连的反馈显示系统；反馈显示系统包括液晶显示屏与触摸输入板，用于将可视化数据呈现给使用者，以及接收来自使用者的操控指令；
[0089]
进一步地，所述全自动压痕测量装置还包括与运算处理模块相连的通信模块；通信模块包括有线通信模块与无线通信模块，可通过无线或有线方式与外部设备连接，对运算处理模块的部分数据进行输入输出操作，使得使用者可以通过远程或者其他控制方式进行设备的控制与监视。
[0090]
进一步地，所述运算处理模块包括处理芯片与外围电路；处理芯片通过其外围电路与装置的其余模块进行通信与数据交互。
[0091]
实施例2：
[0092]
如图3所示，本实施例公开了一种全自动压痕测量方法，采用实施例1中所述的全自动压痕测量装置进行压痕测量，包括以下步骤：
[0093]
步骤1、图像捕获模块获取放置在电动载物台上的待测物体表面图像，并传输给运算处理模块；
[0094]
步骤2、运算处理模块基于图像捕获模块获取的图像，控制电动载物台水平移动以使待测物体表面处于图像捕获模块的视场中，控制电动载物台升降以使待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上；
[0095]
运算处理模块控制电动载物台升降，使待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上；
[0096]
步骤3、运算处理模块利用图像捕获模块当前获取的图像，解算出压痕的数学解析解，得到高精度压痕数据。
[0097]
得到压痕数据后，运算处理模块可以通过反馈显示系统将运算结果与处理流程进行显示，供使用者进行查看；同时接收来自使用者通过通讯模块传递的指令，进行下一步操作。
[0098]
进一步地，如图5所示，所述步骤2中，运算处理模块通过以下控制，使待测物体表面处于图像捕获模块的视场中心位置：运算处理模块通过图像捕获模块获取的图像进行解算，以图像捕获模块的视场中心为原点，使用深度优先算法，向原点四周寻找，直至找到图像内压痕的大致位置，然后计算出待测物体表面压痕中心在视场中相对原点的偏移量，并依此控制电动载物台水平移动，使得待测物体表面压痕中心处于视场中心位置。
[0099]
进一步地，如图5所示，所述步骤2中，运算处理模块通过以下控制，使待测物体表面处于图像捕获模块的合焦面上：
[0100]
2.1)控制电动载物台运动至行程最低位置；
[0101]
2.2)控制电动载物台按照所设步长，逐步靠近图像捕获模块中的摄像头，运动至行程最高位置，并逐步获取图像捕获模块所拍摄的图像；
[0102]
2.3)针对逐步获取的每一帧图像，分别提取其高频成分；构建一个以电动载物台运动距离为深度轴，对应图像的高频成分为二维图像平面的三维合焦信息；确定三维合焦
信息中高频成分最多的二维图像平面，解算出该二维图像平面所对应的电动载物台运动距离所对应的绝对位置，将其视为图像捕获模块的合焦面；
[0103]
2.4)控制电动载物台运动至图像捕获模块的合焦面上。
[0104]
进一步地，如图4所示，所述步骤3中，运算处理模块通过以下步骤解算出压痕的数学解析解：
[0105]
3.1)对当前获取的图像进行预处理，得到二值图像；
[0106]
3.2)在二值图像中寻找最大连通区域，求得最大连通区域的最小包围框；对当前获取的图像进行灰度化处理，获得其灰度图；在该灰度图中选择与上述最小包围框对应的区域作为感兴趣区域；
[0107]
3.3)在感兴趣区域中寻找边缘点，基于寻找到的边缘点数据得到压痕每条边缘所在直线的数学解析式；
[0108]
3.4)联立压痕各条边缘所在直线的数学解析式，求解压痕各条边缘的交点，实现压痕边缘角点定位。
[0109]
解算完毕压痕信息后，运算处理模块可以将其数据与图像通过反馈显示系统供使用者查看，等待使用者操作介入；若等待时间结束无操作，自动进行下一次预定测量；若无预定测量，结束流程进入待机状态。
[0110]
进一步地，所述步骤3.3)具体包括以下步骤：
[0111]
3.3.1)由感兴趣区域中压痕内一点出发，沿一指定方向逐点统计当前点与上一点之间的灰度变化率，直至搜寻至感兴趣区域的边界点处，将当前方向上搜索到的灰度变化率最大值点，记为点q
i
，将该点视为压痕边缘点；
[0112]
3.3.2)使用sobel算子，计算点q
i
的梯度方向，从而根据压痕边缘点的梯度方向与相应压痕边缘所在直线方向垂直这一约束反推得到相应压痕边缘所在直线的数学解析式；
[0113]
3.3.3)重复步骤3.3.1)～3.3.2)，沿每个指定方向进行一次搜索，经过多次搜索，得到压痕各条边缘所在直线的多个数学解析式；对压痕每条边缘所在直线的多个数学解析式的参数进行拟合，得到压痕每条边缘所在直线的最优数学解析式。
[0114]
所述步骤3.4)中，联立压痕各条边缘所在直线的最优数学解析式，求解压痕各条边缘的交点。
[0115]
进一步地，为实现棱形压痕的四条边缘的搜索，须求得棱形压痕的四条边缘所在的区域范围。考虑到棱形压头在被测物体表面所留下的压痕，在视图中并不一定是正方向，因此本发明以最接近感兴趣区域边缘的4个压痕边缘点为界，将感兴趣区域分割为4个象限，则压痕四条边缘分别处于4个象限中，同一象限中的压痕边缘点对应于同一条压痕边缘，用于求解同一压痕边缘所在直线的数学解析式。
[0116]
进一步地，所述步骤3.3.2)中，设压痕边缘点q
i
的梯度方向为g
i
，点q
i
的像素坐标为(x
i
,y
i
)；反推得到相应压痕边缘所在直线的数学解析式为：
[0117]
y＝k
i
*x+b
i
[0118]
其中，
[0119]
所述步骤3.3.3)中，使用最小均方误差估计对k
i
和b
i
进行拟合，并引入权重来进行修正，得到：
[0120][0121][0122]
其中，n为针对相应压痕边缘，搜索得到的压痕边缘点个数；w
i
为压痕边缘点q
i
的权重；
[0123]
由此得到相应压痕边缘所在直线的最优数学解析式为：y＝k*x+b。
[0124]
需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的一种实施方案，而非对其进行限制以及实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。