基于圖像測(cè)量技術(shù)的球壓壓痕尺寸檢測(cè)方法研究

檀叢嘯，魏運(yùn)明，余以周，許 亮

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）

1 引言

球壓試驗(yàn)是許多電器產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定進(jìn)行，以考核產(chǎn)品中所使用的非金屬材料耐熱性能的試驗(yàn)。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)IEC60695-10-2：2014中詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)的方法、設(shè)備及接受條件[1]。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的球壓試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)前先將球壓試驗(yàn)裝置放置于規(guī)定溫度的烘箱內(nèi)持續(xù)加熱至熱平衡狀態(tài)或加熱24小時(shí)，然后將試驗(yàn)樣品放置在樣品支架大約中心的位置，并使樣品上表面保持水平；再將壓力球輕輕壓在樣品中心位置，并確保試驗(yàn)期間沒(méi)有水平移動(dòng)。經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間后，將樣品及球壓試驗(yàn)裝置從烘箱中取出，并在10秒內(nèi)將樣品浸入溫度為20℃±5℃的水中6±2分鐘，從水中取出并去除所有水分。從水中取出3分鐘內(nèi)測(cè)量壓力球在樣品表面產(chǎn)生壓痕的橫跨最大尺寸d，如果尺寸d不超過(guò)2.0mm，則表示該樣品球壓試驗(yàn)合格。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的球壓試驗(yàn)裝置圖

在舊版標(biāo)準(zhǔn)IEC60695-10-2：2003中規(guī)定壓痕尺寸d不應(yīng)包括材料的變形，并且明確規(guī)定了壓痕端點(diǎn)的位置，如圖2所示。但由于準(zhǔn)確測(cè)量尺寸d在技術(shù)上幾乎不可能，新版標(biāo)準(zhǔn)IEC60695-10-2：2014也對(duì)該規(guī)定進(jìn)行了修改，規(guī)定d為可分辨的樣品壓痕最大直徑，如圖3所示。但壓痕普遍很小，可接受尺寸不超過(guò)2mm，測(cè)量d值依然困難，并且在新標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)資料中仍沒(méi)有給出如何在試驗(yàn)中簡(jiǎn)單有效測(cè)量壓痕尺寸的方法。

圖2 球形壓痕部分的端點(diǎn)位置圖

圖3 d為可分辨的樣品壓痕最大直徑

目前，壓痕尺寸多通過(guò)讀數(shù)顯微鏡人工測(cè)量，該測(cè)量方法依靠檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷壓痕邊界，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度不高，且存在不同檢測(cè)人員判斷不一致、不同材料表面特性不同影響檢測(cè)人員判斷、自然光照條件下壓痕邊界難以觀測(cè)等問(wèn)題[2]。

2 有效壓痕分析及檢測(cè)原理

2.1 有效壓痕的分析

由于樣品表面的壓痕是由球形壓力球擠壓形成，故壓痕由一個(gè)與壓力球表面完全貼合的標(biāo)準(zhǔn)球形弧面，即由一個(gè)理想的凹面，及其周?chē)倪^(guò)渡區(qū)域組成。根據(jù)光學(xué)原理，理想凹面有著優(yōu)良的聚光特性，如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)弧面以外的部分為非理想弧面，弧度逐漸過(guò)渡到平面。由此可以將樣品壓痕分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，如圖5所示。其中，A區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)弧面部分，由于該部分樣品表面為理想凹鏡，聚光性好，與周?chē)鷧^(qū)域相比特別明亮；C區(qū)域?yàn)槲窗l(fā)生形變的平面，幾乎沒(méi)有聚光效果，呈現(xiàn)出樣品表面原有的光澤；B區(qū)域作為A、C區(qū)域的過(guò)渡區(qū)域，為非理想凹面，雖然聚光特性不及A區(qū)域，但明顯優(yōu)于C區(qū)域。從圖3中同樣可以看出A、B、C三個(gè)區(qū)域，其中B區(qū)域的邊界相對(duì)清晰，其最大直徑為d值。

圖4 理想凹面有著優(yōu)良的聚光特性

圖5 分為A、B、C三個(gè)區(qū)域的樣品壓痕

2.2 基于圖像識(shí)別技術(shù)的檢測(cè)原理

由上文可知，檢測(cè)球壓壓痕尺寸，即是精確確定B區(qū)域的邊界并測(cè)量其尺寸大小。由于壓痕尺寸過(guò)小，人眼很難準(zhǔn)確判斷壓痕邊界，這也是壓痕尺寸測(cè)量的難點(diǎn)。結(jié)合近年來(lái)發(fā)展迅速的圖像識(shí)別技術(shù)，利用B區(qū)域在亮度上與C區(qū)域有明顯區(qū)別的特點(diǎn)，提出了一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的球壓壓痕尺寸測(cè)量方法。

該方法流程圖如圖6所示。首先，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理：對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，然后利用兩個(gè)高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行帶通濾波處理。由于該方法是將亮度大小作為有效壓痕區(qū)域的判定依據(jù)，所以將常規(guī)采集到的彩色圖像進(jìn)行灰度處理，增強(qiáng)圖像的亮度特征；濾波器的目的是降低圖像的噪聲以減少后續(xù)處理中的干擾。其次，將采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，根據(jù)亮度在頻域中的閾值，確認(rèn)有效壓痕的區(qū)域。之后進(jìn)行傅里葉反變換和連通域等操作，將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換回時(shí)域，提取出上一步判定的有效壓痕。最后，對(duì)得出的有效壓痕圖像提取邊界并進(jìn)行擬合，得出圓形壓痕邊界并計(jì)算出其尺寸[3]。

圖6 基于圖像測(cè)量技術(shù)的球壓壓痕尺寸測(cè)量方法的流程圖

3 基于圖像測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)上文提出的測(cè)量方法，文中提出了由載物平臺(tái)、光源、光學(xué)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、PC機(jī)組成的檢測(cè)系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 由載物平臺(tái)、光源、光學(xué)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、PC機(jī)組成的檢測(cè)系統(tǒng)圖

光源發(fā)出的光線垂直向下照射在樣品表面，反射的光線通過(guò)光學(xué)鏡頭放大，由工業(yè)相機(jī)拍攝圖片并傳給PC機(jī)，然后由PC機(jī)對(duì)所采集到的圖像進(jìn)行處理并計(jì)算出有效壓痕的尺寸。

3.1 硬件系統(tǒng)

3.1.1 照明系統(tǒng)

恰當(dāng)?shù)恼彰鞣绞绞撬袌D像檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，照明效果影響到被攝物體成像的質(zhì)量。選擇合適的光源，可以突出檢測(cè)目標(biāo)的特征，從而簡(jiǎn)化算法、提高檢測(cè)精度。

常規(guī)試驗(yàn)室中的光照條件不穩(wěn)定，一般不能直接用做圖像檢測(cè)系統(tǒng)的照明光源。根據(jù)球壓壓痕檢測(cè)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用LED光源。LED光源具有響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、高節(jié)能、形狀多等優(yōu)點(diǎn)。圖像檢測(cè)系統(tǒng)的照明方式又分為前景打光、背景打光和同軸打光三種。其中，同軸打光能提供更加均勻的照明，對(duì)存在很強(qiáng)鏡面反射的物體仍能突出其表面，如劃痕、凹凸特性等。故結(jié)合球壓試驗(yàn)樣品表面的光潔度高、反射強(qiáng)，且球壓壓痕尺寸小的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用同軸光源照明。同軸光源原理圖如圖8所示。

圖8 同軸光源原理圖

3.1.2 工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)是圖像檢測(cè)系統(tǒng)的“眼睛”，其成像質(zhì)量的好壞直接決定系統(tǒng)的成敗。本系統(tǒng)選用相機(jī)時(shí)考慮的主要因素包括信號(hào)類(lèi)型、圖像傳感器類(lèi)型及相機(jī)幀率等。最終選用某款36萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)作為本系統(tǒng)的圖像采集裝置，其外形如圖9所示。其主要參數(shù)如表1所示。

圖9 作為本系統(tǒng)的圖像采集裝置的36萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)外形圖

表1 工業(yè)相機(jī)主要參數(shù)表

3.1.3 光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭在圖像測(cè)試系統(tǒng)中的作用相當(dāng)于人眼中的晶狀體，其性能主要由焦距、光圈大小、鏡頭畸變來(lái)衡量。

在相機(jī)中，焦距是指從鏡頭的鏡片中心到成像芯片平面的距離。焦距對(duì)鏡頭的視場(chǎng)大小、工作距離、景深等有決定性影響，在選擇鏡頭時(shí)，焦距一般是第一個(gè)被考慮的因素。鏡頭的焦距根據(jù)相機(jī)離被攝目標(biāo)的距離、相機(jī)成像芯片的尺寸、獲取視場(chǎng)的大小等條件確定。

鏡頭的光圈控制著進(jìn)入相機(jī)的光通量，其大小制約著相機(jī)的曝光時(shí)間。同時(shí)，光圈也控制著鏡頭的景深，光圈越大，景深越長(zhǎng)。

鏡頭的畸變是無(wú)法避免的，一方面，現(xiàn)實(shí)世界中沒(méi)有形狀完美的透鏡；另一方面，相機(jī)組裝時(shí)也很難保證鏡頭內(nèi)透鏡與相機(jī)成像傳感器是理想的平行狀態(tài)。所以必須根據(jù)需要采集的大小、采集的精度來(lái)選用合適畸變度的鏡頭，才能保證圖像檢測(cè)的精確性。

本試驗(yàn)系統(tǒng)選用的鏡頭具體參數(shù)如表2所示。

表2 本試驗(yàn)系統(tǒng)選用的鏡頭具體參數(shù)表

3.2 軟件系統(tǒng)

根據(jù)文中第二章節(jié)提到的系統(tǒng)檢測(cè)原理，本試驗(yàn)系統(tǒng)軟件采用C++語(yǔ)言編程，操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)直觀，實(shí)現(xiàn)了球壓壓痕邊界的自動(dòng)顯示、壓痕尺寸自動(dòng)計(jì)算的功能。

程序面板如圖10所示。按相機(jī)的實(shí)際分辨率輸入?yún)?shù)、選擇拍攝好的樣品照片，便可以自動(dòng)生成壓痕邊界，并自動(dòng)求出壓痕尺寸。

圖10 程序面板圖

4 測(cè)量結(jié)果的分析與展望

為了考量該檢測(cè)方法測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)性，文中對(duì)某一球壓試驗(yàn)樣品拍照10次，并通過(guò)軟件計(jì)算球壓壓痕尺寸大小，結(jié)果如表3所示。

表3 球壓壓痕尺寸大小表

分析該組數(shù)據(jù)，壓痕尺寸平均值為1.767mm，標(biāo)準(zhǔn)差約為0.031mm，方差約為0.00093mm，標(biāo)注差和方差小，檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性。

檢測(cè)系統(tǒng)的特性除了重復(fù)性外，還涉及到測(cè)量精確性問(wèn)題。由于該測(cè)量方法是根據(jù)球壓壓痕照片的亮度閾值法來(lái)判定球壓壓痕的邊界，所以該閾值的大小直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果。為了保證該方法測(cè)量的精確性，需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定從而確定正確的閾值。文中對(duì)5個(gè)不同的球壓壓痕樣品進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與人工通過(guò)顯微鏡讀數(shù)基本一致。但是測(cè)量設(shè)備需要用固定壓痕尺寸大小的標(biāo)準(zhǔn)樣品或用高準(zhǔn)確度、已計(jì)量的測(cè)量設(shè)備檢測(cè)的測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)定，人工讀數(shù)的準(zhǔn)確度并不高，無(wú)法對(duì)該系統(tǒng)的準(zhǔn)確度進(jìn)行更嚴(yán)格的考量。在系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度方面將來(lái)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

參考文獻(xiàn)

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