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原文传递在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法

专利名称：	在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法
摘要：	在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，采用一套包含8个点光源的嵌入式数字显微图像采集系统，获取不同光照角度下的8幅显微图像，进行环境设置与系统标定后，建立近场点光源光照模型，并对光源的空间位置与衰减模型进行了标定；然后，将从多图像约束估计法向和从法向恢复表面形状两种方法相结合，计算得到初步重构表面；通过使用多项式拟合、颜色还原与投影转换算法对初步重构信息进行处理，得到齿轮表面微观形貌；最后，对高度信息进行统计学计算得到齿轮磨损表面的形貌特征；本发明携带方便、操作便捷，可获取在用齿轮磨损表面三维形貌与表面特征，对齿轮摩擦副过程性磨损演变的精准分析与机械设备的视情维护和故障预测具有重要意义。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	武通海;霍彦文;朱可
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910185049.1
公开号：	CN109900704A
代理机构：	西安智大知识产权代理事务所
代理人：	弋才富
分类号：	G01N21/88(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路28号
主权项：	1.在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：一、搭建便携式原位图像采集系统，便携式原位图像采集系统包括采集系统硬件和采集系统软件，采集系统硬件包括微型数字显微摄像头(1)，微型数字显微摄像头(1)上设置有可控光源系统(5)，微型数字显微摄像头(1)通过镜头轴线方向的高精度滑轨(3)固定在万向支架(2)上，显微摄像头(1)的末端设置有保证镜头垂直于待测磨损表面的磁性吸附式触头(4)；采集系统软件的重构环境设置包括图像坐标系与相机坐标系之间的转换，其中相机坐标系以微型数字显微摄像头(1)光心为原点，深度方向为坐标轴垂直于待测表面；二、建立近场点光源光照模型，并标定光源空间坐标以及光照信息，基于高光球标定法与平面的主光轴标定法，计算光源的位置、最亮光线、平面主光轴的方向；三、根据标定的光源方向和获取的图像信息计算齿轮表面法向量；由表面恢复算法得到初步深度信息，由多项式拟合初步信息得到微观重构表面及其高度信息，由以像素点为单位的颜色还原方法恢复表面的真实颜色；四、对获取的高度信息进行统计学计算、截面点计算得到齿轮表面上的特征参数信息。 2.根据权利要求1所述的在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，所述步骤一包括如下步骤：步骤1.1：微型数字显微摄像头(1)为采集装置，获取的齿轮表面区域为1mm2，工作距离为9mm，图像序列亮处、阴影变化明显，符合光度立体视觉技术的要求；步骤1.2：环状分布的可控光源系统(5)由八个呈环形均布光源组成，并由微型数字显微摄像头(1)笔体上触碰式转换开关控制；步骤1.3：固定支架(2)为万向支架，可保证微型数字显微摄像头(1)置于齿轮装置上时进行万向旋转观察不同角度磨损表面，高精度滑轨(3)保证微型数字显微摄像头(1)在镜头轴线方向进行0.1毫米细微调节，磁性吸附式触头(4)保证镜头轴线与被测表面垂直，进而保证重构精度；步骤1.4：采集系统软件中的图像坐标系与相机坐标系之间的转换，通过公式(1)建立图像像素坐标系与相机坐标系之间的矩阵关系；公式(1)：式中：u、v分别对应图像的列坐标和行坐标，Xc、Yc、Zc分别对应相机笛卡尔坐标系中三个方向的坐标；ax为x轴尺度因子；ay为y轴上的尺度因子；(u0,v0)为摄像机光轴和像平面的交点坐标；M为相机内部参数矩阵。 3.根据权利要求1所述的在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：步骤2.1：近场点光源的角度衰减模型符合g-cosine定律，距离衰减模型符合平方反比律，结合两种光照衰减模型，得到表面某点R的照度为公式(2)所表示的近场点光源模型：公式(2): 式中E0为主光轴方向的发光强度，g是一个与光源发光均匀度相关的角度衰减因子，θ为入射光线与主光轴之间的夹角；步骤2.2：标定采集图像时光源的空间坐标，使用高光球法，利用镜头观察到高光时高光点处入射角等于出射角的原理进行标定，由公式(3)表示的关系与已知的高光点处法向视角方向对光源方向进行求解；公式(3): 步骤2.3：最亮光线主光强及主光轴的标定，当一个距离光源h的平面被近点光源照射时，对于平面内所有点R，总体的反射亮度表示为公式(4)，经公式推导可得公式(5)，由公式(5)可获取主光强；由系统光源竖直向下的性质，本系统主光轴方向易确定；公式(4): 公式(5): 式中γ为入射光线与表面法向之间的夹角，θ为入射光线与主光轴之间的夹角；步骤2.4：衰减因子标定；角度衰减因子g可由公式(6)通过测量光强恰好为主光强一半时对应的角度θhalf求得；公式(6): 4.根据权利要求1所述的在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：步骤3.1：原位采集图像序列：依次打开各个角度的单光源，原位拍摄齿轮表面图像；步骤3.2：利用3×3高斯滤波器核过滤图像噪声，去除过增强像素点；步骤3.3：根据步骤(1)、(2)所得的显微镜内部参数、光源空间坐标L(xi,yi,zi)、主光轴Ii和主光强Eio；齿轮表面某点R(x,y,z)在8个光源下，被第i(i＝1,2,...,8)个光源照射时存在对应的入射光矩阵和反射亮度矩阵针对点R使用Lambert反射模型，利用公式(7)计算出对应像素点的法向量nP，得到图像中各像素点的法向量；公式(7)：步骤3.4：获得初步重构结果，基于Frankot-Chellappa(FC)算法求出图像中各像素点的深度信息，表示为(u,v,Δw)，在已知焦距f的情况下，根据公式(8)计算出各像素点对应的z坐标，由公式(9)的映射关系计算得到各像素点的x和y坐标，至此，完成初步重构结果的获取；公式(8)：公式(9)：步骤3.5：由四阶多项式对获取的初步重构信息Z0进行拟合，得到微观重构表面，将高度数据保存至矩阵Z，拟合关系表示为公式(10)；公式(10)：γ＝p1x4+p2x3+p3x2+p4x+p5y4+p6y3+p7y2+p8y+p9 式中pi(i＝1,2,...,9)为拟合参数；步骤3.6：以像素点为单位的颜色还原；提取重构高度数据写入矩阵Z，各像素点RGB值写入矩阵C；两矩阵同时使用，每重构一个像素点即覆盖该点颜色，实现齿轮表面的真实颜色还原；步骤3.7：通过投影转换，将原平行投影转换为透视投影；转换关系可表示为公式(11)；公式(11)：式中xc、yc、zc分别对应相机笛卡尔坐标系中三个方向的坐标,x、y、z分别对应透视投影坐标。 5.根据权利要求1所述的在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：步骤4.1：将步骤3中保存的高度矩阵Z中微观表面的高度信息数据进行统计学计算，得到如下三维特征参数：表面算数平均偏差Sa、表面均方根偏差Sq、表面高度分布的偏斜度Ssk、表面高度分布的峭度Sku、最大峰高Sp、最低谷深Sv、尺寸限定表面的最大高度之和Sz、尺寸限定表面的支承面积率Smr、尺寸限定表面的谷区空体积Vvv、尺寸限定表面的峰区支承体积Vmp；步骤4.2：将步骤3中保存的高度矩阵Z中微观表面的高度信息数据中一行或一列进行统计学计算，得到如下二维特征参数：轮廓算数平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Rq。
所属类别：	发明专利