[发明专利]一种联合低频形状和高频法向量的形貌重建方法

说明书

本发明涉及机器磨损状态监测技术领域，具体涉及一种联合低频形状和高频法向量的形貌重建方法。该方法包括以下步骤：通过聚焦度量和帧位移估计获取磨损表面点的最清晰成像帧数及对应高度，生成磨损表面待测区域的低频形状特征；基于不同聚焦区域的光度图像序列，建立大高度落差磨损表面的法向量计算模型，评估聚焦区域以聚合多个法向量，实现整个表面磨损特征的清晰描述；基于所述低频形状特征和聚合后所述法向量，实现磨损表面的三维形貌重建。本发明引入低频形状特征对抗重建形貌的翘曲变形，并融合不同聚焦区域的法向量实现大高度落差表面精细特征的准确描述，进而提高磨损表面微观形貌的重建精度。

技术领域

本发明涉及机器磨损状态监测技术领域，尤其涉及一种联合低频形状和高频法向量的形貌重建方法。

背景技术

机械设备运行过程中摩擦副发生磨损累积，导致零部件服役性能受限甚至失效，成为制约设备运行服役的重要原因之一。作为磨损发生的直接证据，磨损表面以其复杂形貌记载了磨损机理和程度等关键信息，成为轴承、齿轮等关键部件磨损状态表征的关键证据。因此，发展磨损表面分析方法，对机械设备的运行状态监测和故障诊断具有重要工程意义。

现有磨损表面分析方法通常采用工业内窥镜、光学显微镜等设备获取磨损表面的二维图像，并通过经验评估磨损表面状态。然而，由于二维图像缺乏高度信息，此类分析方法无法完备表征磨损表面的形貌特征，导致无法量化评价磨损严重程度。虽然激光共聚焦显微镜、表面轮廓仪等立体成像设备能够为磨损表面分析提供完备的表面三维形貌表征，但要求部件拆解与分割，无法应用于在机检测，限制了其在实际工程中的应用效力。为此，当前磨损表面分析引入计算机视觉方法，以实现原位场景下磨损表面的三维形貌测量。相较于双目视觉、结构光等方法，光度立体视觉仅通过单目显微镜和多个点光源就能够实现像素级别的形貌测量结果，为磨损表面分析提供丰富的形貌特征。然而，显微镜的有限成像景深导致局部形貌高频细节模糊，且重建过程梯度噪声累积诱发重建曲面的低频翘曲变形，影响磨损表面形貌的准确描述。

综上所述，光度立体视觉的应用将磨损表面的三维形貌测量拓展到原位测量场景，为磨损表面分析提供完备的形貌特征描述，但是，有限成像景深和梯度噪声累积导致形貌重建结果的高频模糊和低频失真。为此，亟需优化光度立体重建方法，为磨损严重程度评估提供准确的形貌特征。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种联合低频形状和高频法向量的形貌重建方法，解决现有光度立体重建在磨损表面分析中的高频模糊和低频失真的问题，实现磨损表面三维形貌的精确重建。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

第一方面，在本发明提供的一个实施例中，提供了联合低频形状和高频法向量的形貌重建方法，该方法包括以下步骤：

通过聚焦度量和帧位移估计获取磨损表面点的最清晰成像帧数及对应高度，生成磨损表面待测区域的低频形状特征；

基于不同聚焦区域的光度图像序列，建立大高度落差磨损表面的法向量计算模型，评估聚焦区域以聚合多个法向量，实现整个表面磨损特征的清晰描述；

基于所述低频形状特征和聚合后所述法向量，实现磨损表面的三维形貌重建。

作为本发明的进一步方案，在所述通过聚焦度量和帧位移估计获取磨损表面点的最清晰成像帧数及对应高度，生成磨损表面待测区域的低频形状特征步骤，之前还包括：

依托磨损表面成像过程中多聚焦图像序列，建立磨损表面低频形状特征提取模型。

作为本发明的进一步方案，所述通过聚焦度量和帧位移估计获取磨损表面点的最清晰成像帧数及对应高度，生成磨损表面待测区域的低频形状特征，包括如下步骤：

将磨损表面显微成像对焦过程中采集到的全光源观察视频逐帧分解为多聚焦图像序列；