[发明专利]一种基于近场非标准光源的磨痕三维形貌原位获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械设备故障诊断和状态监测领域，特别涉及一种基于近场非标准光源的零部件表面磨损后三维形貌原位获取方法。

背景技术

机械设备在运转过程中，形成摩擦副的构件表面相互作用不可避免的会产生磨损。组成构件的零部件，其表面的物质由于相对运动而不断损失，会留下磨痕。研究表明，正常工作状态下，磨损可分为三个阶段，即跑合阶段，稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，处于不同时刻的磨损状态所对应的表面磨痕具有不同的特征；此外，根据磨损机理的不同，可将磨损分为粘着磨损，磨粒磨损，腐蚀磨损和疲劳磨损等，不同的磨损类型所对应的表面磨痕也具有不同的特征。因此，获取磨损零部件表面的磨痕形貌，分析其特征，可反映设备所处的磨损阶段以及发生的磨损类型，对机械设备的运行状态的监测和故障诊断具有重要工程意义。

传统的检测系统，通过光学显微镜将零部件表面放大后成像在数字摄像机的感光靶面上，从而得到磨损表面形貌的图片，基于图像处理技术，提取磨痕的特征。但是该方法只能提供磨损表面形貌的二维平面图像，只能提取磨痕的平面特征，而无法获取磨痕的空间特征信息。随着计算能力、计算速度和图像分析及数字图像处理技术的不断提高，极大的推动了三维表面形貌测量仪的研制，如G.Binning和H.Rohrer研制了扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。然而，这些设备操作较为复杂，成本较高。

采用传统形貌检测方法还存在一个重大的局限性。受到测量仪体积的限制，无法实现待测零部件的原位测量，只能将零部件拆卸下来进行测量，极大地降低了设备检修效率。

视情维护和快速检修的现代化维护理念急需可以实现快速、原位的磨损表面形貌获取装备。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于近场非标准光源的磨痕三维形貌原位获取方法，在光源可控的条件下，通过手持式显微镜获取不同位置光源、同一视点的零部件磨损表面的图像，由图像各部分的亮度值计算出磨损表面的法向量，再由表面法向量恢复其三维形貌特征。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于近场非标准光源的磨痕三维形貌原位获取方法，包括以下步骤：

(1)建立非标准点光源的光照模型，非标准点光源Quasi点光源的发光模型包括角度衰减和距离衰减，结合这两种光照衰减模型，得到表面任一点的照度模型。

(2)标定光源空间坐标，针对六个均匀布置的非标准点光源，基于平面的主光轴标定法，利用点光源照射下的平面亮度分布的轴对称属性，计算光源的最亮光线及平面主光轴的方向。

(3)使用手持式显微镜得到零件表面不同光源、同一视点下的图像，基于图像处理技术，获取Mask图。

(4)根据标定的光源方向和获取的图像信息计算磨损表面法向量，利用已知形状对表面进行初始化的迭代计算，以恢复零件表面法向及深度信息。

有益效果

本发明应用于机械设备故障诊断和状态监测领域，具有以下有益效果：

(1)本发明适用于机械设备零部件可见摩擦副表面的磨损状况的监测，基于近场非标准光源技术，实现了零部件磨损表面的磨痕三维形貌的快速获取。

(2)本发明利用手持式显微镜作为图像捕捉工具，其体积小，操作简单，携带方便，可实现零部件磨损表面原位测量。

(3)本发明根据实际光源位置，采用光度立体视觉近场非标准点光源，建立近场非标准光源的光照模型，更符合实际的测量条件，提高了磨损表面法向量及深度信息的计算精度。

附图说明

图1为基于近场非标准光源原位获取磨痕三维形貌的总体流程图。

图2为根据图像信息恢复零部件表面法向及深度信息的流程图。

图3(a)为实例中待重构磨损表面的图像。

图3(b)为重构出的磨损表面的法向量图。

图3(c)为重构出的磨损表面的深度图。

具体实施方式

下面结合附图，以图3(a)为例对本发明作进一步说明：

参照图1，一种基于近场非标准光源的磨损表面三位形貌原位获取方法，包括以下步骤：

步骤1，建立非标准点光源的光照模型，非标准点光源Quasi点光源的发光模型包括角度衰减和距离衰减，结合这两种光照衰减模型，得到表面任一点的照度模型。LED灯作为近场光源，光照条件总是不均匀，这使得物体表面的照度不仅与光源到照射点的距离有关，还与照射点所对应的出射光方向有关。对于此类非标准光源，建立非标准点光源的光照模型；