[发明专利]一种基于光度立体视觉的多个磨粒三维形貌同步获取方法

说明书

一种基于光度立体视觉的多个磨粒三维形貌同步获取方法，通过将铁谱技术与三维重构技术相结合，首先利用铁谱技术制作包含多个磨粒的谱片，然后针对铁谱显微镜拍摄图片存在畸变的状况，利用张正友标定法对其进行矫正。基于此方法结合所建立的光源系统，通过显微镜摄像机获取了不同光源磨粒图像，结合自适应阈值法与差分法实现了磨粒与背景的分离，之后，基于光度立体视觉，通过选择合适的反射模型计算磨粒表面法向量，进而构造深度值，重构了磨粒的三维形貌。这样，利用铁谱显微镜获取具有多个磨粒的谱片图像，不需要变换显微镜焦距，通过切换不同角度的光源就可以同步重构出多个磨粒的三维形貌,本专利有效地将铁谱技术与光度立体视觉相结合，解决了目前磨粒分析领域磨粒三维形貌特征缺乏的问题。

技术领域

本发明属于机器故障诊断领域的铁谱分析技术，特别涉及一种基于光度立体视觉的多个磨粒三维形貌同步获取方法。

背景技术

广泛存在于摩擦副当中的磨损现象会直接导致能源和材料的消耗，影响设备运行的可靠性、安全性和可维护性。磨粒作为摩擦副接触表面的相互作用的直接产物，携带丰富的磨损状态信息，准确的磨粒特征识别对实现磨损状态实时监测具有重要的意义。磨粒的数量、大小、颜色和形貌等特征表征了摩擦学系统的磨损方式以及磨损部位，反映了设备的磨损状态。因此，磨粒分析(WDA)技术已经成为设备磨损程度判断及磨损机理分析的重要手段，为装备状态监测及维修维护决策提供有效依据。

近年来，铁谱技术由于分析精度高、准确性好等特点，成为了摩擦学系统磨粒分析的主要方法。目前，铁谱技术已经建立了非常成熟的知识系统，已在工业领域如船舶、航空发动机、风力齿轮箱获得了广泛的应用。该方法利用高梯度磁场将机械摩擦副产生的磨损颗粒从润滑油液中分离出来沉积在玻片上，进而利用铁谱显微镜进行分析。通过图像处理可以同时对多个磨粒进行分析获取其形态、颜色等特征。但是该方法只能提供磨粒的二维平面图像，而不能获取磨粒的空间特征信息，导致其无法反映具有不规则性磨粒的真实形状。例如粘着磨损磨粒、层状磨损磨粒与严重滑动磨粒这三类磨粒代表了不同的磨损机理，但是它们具有相似的形状和边缘特征，但其三维表面形貌确大不相同，粘着磨损磨粒表面粗糙、严重拉毛、有擦痕，轮廓不规则；层状磨损磨粒厚度极小，表面有孔洞、折皱等缺陷；严重滑动磨粒表面带有明显平行滑痕或开裂迹象。铁谱技术由于其方法固有的缺陷，无法通过平面特征对其进行有效的分析，进而造成磨粒分析准确率低。

磨粒属于不规则的立体状物体，其三维表面形貌是其固有的特征属性。普通的光学显微镜难以提供磨粒的表面形貌特征。随着电子显微技术的发展，使得磨粒的三维表面形貌获提取成为可能。当前已经有学者利用原子力显微镜(AFM)、激光共焦扫描显微镜(LSCM)、激光干涉量程仪(IM)以及立体电子显微镜(3-DSEM)等获得磨粒的三维表面形貌，然而这些设备不但操作复杂、成本较高，而且应用范围也存在一些问题，如原子力显微镜测量精度高，但是量程有限，对于工程应用最感兴趣的5μm以上的磨粒无能为力；激光共聚焦显微镜比较适合生物颗粒的三维形貌获取；激光干涉仪横向分辨率不高，深度方向也容易产生畸变。同时润滑油中存在着大量的磨损颗粒，这些方法仅针对单个磨粒进行分析，无法同时实现多个磨粒三维形貌的获取，这些因素限制了磨粒分析方法在机械设备运行状态监测邻域的推广应用。

总体而言，目前磨粒分析手段在设备监测领域取得了一定的工程效果。但是由于其方法本身固有的缺陷，如：铁谱技术仅能提取二维特征无法提取磨粒三维形貌；三维扫描设备仅仅针对单个磨粒进行分析等，而无法给出润滑油中全面、准确的磨粒统计信息。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光度立体视觉的多个磨粒三维形貌同步获取方法，通过将铁谱技术与三维重构技术相结合，利用铁谱技术制作包含多个磨粒的谱片，然后通过显微镜摄像机获取不同光源磨粒图像，由于摄像机图像存在畸变，需要对图像进行矫正，使图像更加接近真实物体，之后进行磨粒分割，将磨粒与背景进行分离，最后通过光度立体视觉方法对磨粒表面重构，实现磨粒三维形貌的重构，进而为磨粒分析以及后续的重大装备健康监测和寿命预测提供参考依据。