基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供了一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法及系統(tǒng)，所述的方法包括：通過維氏硬度計在布氏硬度試塊上壓出壓痕；通過相機獲取與所述的壓痕對應的壓痕圖像；對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定位范圍；在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像進行邊緣抑制提取，得到提取的邊緣；根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行輪廓擬合。解決現(xiàn)有技術中測量得到的硬度值具有較大的誤差，準確性較低的技術問題，實現(xiàn)了對壓痕圖像的準確識別。
【專利說明】基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明關于硬度的測量技術，特別是關于布氏硬度的測量技術，具體的講是基于 布氏硬度的壓痕圖像識別方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 硬度測量廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、科學實驗和國家建設領域。硬度是材料機械性能 和產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一，是固體材料抵抗形變、破壞的能力。物質(zhì)的硬度值的大小不僅 取決于材料本身，而且更取決于測量方法和測量條件。常規(guī)的硬度測量方法按照施加負荷 的情況可分為靜負荷試驗方法和動負荷試驗方法二大類，其中靜負荷試驗方法是在靜負荷 作用下使壓頭壓入材料來測定硬度，如布氏、維氏、洛氏、肖氏等硬度試驗方法；動負荷試驗 方法是在動負荷作用下使壓頭沖擊材料來測定硬度，如沖擊布氏、沖擊肖氏試驗。
[0003] 布氏硬度試驗是1900年由瑞典工程師J. A.化inell發(fā)明的。該試驗方法是用一 定直徑的渾火鋼球借助一定負荷壓入試件表面，通過測量表面壓痕的大小來表示布氏硬度 值。關于壓痕的測量方式可W分為人工和半人工測量兩種方式。人工測量采用目測與手動 調(diào)節(jié)位移相結合的方法，借助顯微目鏡分劃板移動試件，確定壓痕上下、左右邊緣的切線位 置，分別讀取移動的位移大小作為壓痕寬度計算硬度。半人工測量則是明確壓痕大致區(qū)域 后利用圖像處理對壓痕進行垂直、水平軸向范圍內(nèi)的自動識別和測量。
[0004] 上述傳統(tǒng)的測量方式中造成誤差的直接原因是由于人工視覺極易疲勞且受限于 感觀認識差異。隨著工作時間的推移，工作效率漸低，誤差也會逐步增大。因此，測量得到 的硬度值具有較大的誤差，準確性較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術中測量得到的硬度值具有較大的誤差，準確性較低的技術問 題，本發(fā)明實施例提供了一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法及系統(tǒng)，通過維氏硬度計 的光路系統(tǒng)W及相機分別對布氏硬度試塊開展自動識別測量，通過粗定位將壓痕從不同復 雜背景中剝離出來，再進行邊緣抑制提取，無效干擾的邊緣信息得到抑制，從而將壓痕輪廓 邊界的主干邊緣保留下來，實現(xiàn)了對壓痕圖像的準確識別。
[0006] 本發(fā)明的目的之一是，提供一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法，所述的方法 包括；通過維氏硬度計在布氏硬度試塊上壓出壓痕；通過相機獲取與所述的壓痕對應的壓 痕圖像；對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定位范圍；在所述的定位范圍內(nèi)對所述 的壓痕圖像進行邊緣抑制提取，得到提取的邊緣；根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行 輪廓擬合。
[0007] 本發(fā)明的目的之一是，提供一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別系統(tǒng)，所述的系統(tǒng) 包括；維式硬度計，用于在布氏硬度試塊上壓出壓痕；相機，用于獲取與所述的壓痕對應的 壓痕圖像；聚類粗定位裝置，用于對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定位范圍；抑制 提取裝置，用于在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像進行邊緣抑制提取，得到提取的邊 緣；輪廓擬合裝置，用于根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行輪廓擬合。
[0008] 本發(fā)明的有益效果在于，提供了一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法及系統(tǒng)， 通過維氏硬度計的光路系統(tǒng)W及相機分別對布氏硬度試塊開展自動識別測量，通過粗定位 將壓痕從不同復雜背景中剝離出來，再進行邊緣抑制提取，無效干擾的邊緣信息得到抑制， 從而將壓痕輪廓邊界的主干邊緣保留下來，實現(xiàn)了對壓痕圖像的準確識別，具有比較好的 自適應能力和魯棒性，解決了現(xiàn)有技術中測量得到的硬度值具有較大的誤差，準確性較低 的技術問題。
[0009] 為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例， 并配合所附圖式，作詳細說明如下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W 根據(jù)該些附圖獲得其他的附圖。
[0011] 圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法的流程圖；
[0012] 圖2為圖1中的步驟S103的具體流程圖；
[0013] 圖3為圖2中的步驟S201的具體流程圖；
[0014] 圖4為圖2中的步驟S205的具體流程圖；
[0015] 圖5為圖1中的步驟S104的具體流程圖；
[0016] 圖6為圖5中的步驟S502的具體流程圖；
[0017] 圖7為本發(fā)明實施例提供的一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別系統(tǒng)的結構框圖；
[0018] 圖8為圖7中的聚類粗定位裝置300的結構框圖；
[0019] 圖9為圖8中的融合模塊301的結構框圖；
[0020] 圖10為圖8中的鄰近分析模塊305的結構框圖；
[0021] 圖11為圖7中的抑制提取裝置400的結構框圖；
[0022] 圖12為圖11中的直方統(tǒng)計模塊402的結構框圖；
[0023] 圖13為TH700維氏硬度計的基本測量光路示意圖；
[0024] 圖14為5 =0. 5時的高斯核系數(shù)的曲線示意圖；
[00巧]圖15為原始布氏壓痕1的示意圖；
[0026] 圖16為原始布氏壓痕1抑制后的邊緣示意圖；
[0027] 圖17為原始布氏壓痕2的示意圖；
[0028] 圖18為原始布氏壓痕2抑制后的邊緣不意圖；
[0029] 圖19為原始布氏壓痕3的示意圖；
[0030] 圖20為原始布氏壓痕3識別后的示意圖；
[0031] 圖21為原始布氏壓痕4的示意圖；
[0032] 圖22為原始布氏壓痕4識別后的示意圖；
[0033] 圖23為原始布氏壓痕5的示意圖；
[0034] 圖24為原始布氏壓痕5識別后的示意圖；
[0035] 圖25為原始布氏壓痕6的示意圖；
[0036] 圖26為原始布氏壓痕6識別后的不意圖；
[0037] 圖27為原始布氏壓痕7的示意圖；
[0038] 圖28為原始布氏壓痕7識別后的不意圖；
[0039] 圖29為原始布氏壓痕8的示意圖；
[0040] 圖30為原始布氏壓痕8識別后的示意圖；
[0041] 圖31為原始布氏壓痕9的示意圖；
[0042] 圖32為原始布氏壓痕9識別后的示意圖。
[0043] 圖33為圖1中的步驟S105的具體流程圖；
[0044] 圖34為圖7中的輪廓擬合裝置500的結構框圖。

【具體實施方式】
[0045] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0046] -般來說，不同試件表面由于粗趟度、磨損程度的不同，壓痕背景具有較大的不確 定度。結合被測試件的壓痕成像效果，本文提出了粗定位、邊緣提取分析、精細定位的方法。
[0047] 由于受不同金屬反射率的不同，自動識別過程會面臨如下幾種情況：
[0048] (1)、根據(jù)應用場合不同，外部光強度有較大差異，壓痕中也區(qū)域會出現(xiàn)反光的亮 斑，且亮斑位置范圍不確定。壓痕與試件表面的對比度也或強或弱，該都給自動識別定位帶 來了困難。
[0049] (2)、不同材質(zhì)物體表面的粗趟度、光潔度、反射率不同，因此成像效果本身就帶有 極大不確定性。受各種條件影響，金屬表面甚至還會出現(xiàn)鎊斑和不規(guī)則的紋理，基于簡單 的分割剝離、邊緣提取是遠遠不能滿足精細處理的要求。
[0050] 綜合上面的分析，本發(fā)明在測量方式上提出如下假設：
[0051] (1 )、測量壓痕的中也應大致靠近于圖像的正中位置。
[005引（2)、壓痕應是當前視場內(nèi)圖像的主體，壓痕占全圖的面積大致比例為；20%-85%。
[0053] (3)、通過同軸光源的照射后，壓痕的成像效果應當與周圍不僅有所區(qū)別，而且也 具有一定的聚合度和剛性。
[0054] (4)、出于功能的考慮，壓痕的大致中也位置預先由人工設定。
[0055] 本發(fā)明實施例通過維氏硬度計的光路系統(tǒng)W及相機分別對布氏硬度試塊開展自 動識別測量，通過粗定位將壓痕從不同復雜背景中剝離出來，再進行邊緣抑制提取，無效干 擾的邊緣信息得到抑制，從而將壓痕輪廓邊界的主干邊緣保留下來，實現(xiàn)了對壓痕圖像的 準確識別。圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法的流程圖， 由圖1可知，該方法具體包括：
[0056] S101 ;通過維氏硬度計在布氏硬度試塊上壓出壓痕。在具體的實施方式中，維氏硬 度計諸如為TH700,圖13為其對應的基本測量光路示意圖，由圖13可知，TH700維氏硬度計 的基本成像光路采用同軸光源，由光源101、直角棱鏡102、放大物鏡103組成。光源通過棱 鏡均勻投射到布氏硬度試塊104的表面。
[0057] S102;通過相機獲取與所述的壓痕對應的壓痕圖像，在具體的實施方式中，相機可 通過CMOS相機來實現(xiàn)，如圖13中的工業(yè)CMOS相機。
[0058] S103 ;對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定位范圍。圖2為步驟S103的具 體流程圖，本發(fā)明通過梯度融合與聚類相結合對壓痕輪廓進行粗定位。
[0059] S104;在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像進行邊緣抑制提取，得到提取的邊 緣。圖5為步驟S104的具體流程圖。
[0060] S105 ;根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行輪廓擬合。此處輪廓擬合后得到的 圖像即為本發(fā)明識別出的圖像。圖33為步驟S105的具體流程圖。下面結合附圖，對上述 步驟做詳細介紹。
[0061] 圖2為圖1中的步驟S103的具體流程圖，由圖2可知，步驟S103具體包括：
[0062] S201 ;對所述的壓痕圖像進行融合，得到融合圖像矩陣。圖3為步驟S201的具體 流程圖，由圖3可知，該步驟具體包括：
[0063] S301 ;確定所述壓痕圖像的水平方向梯度分量；
[0064] S302 ;確定所述壓痕圖像的垂直方向梯度分量；
[0065] 設壓痕圖像為f(x，y)，則水平方向梯度分量為心垂直方向梯度分量為fy。
[0066] S303;根據(jù)所述的水平方向梯度分量W及所述垂直方向梯度分量確定與所述的壓 痕圖像對應的梯度模矩陣f' (x，y)。
[0067] 由水平方向梯度分量和垂直方向梯度分量可W計算當前梯度模矩陣，表達式如 下：
[0068] f'{x..y) = 4fTT (1)
[0069] 其中，梯度々=^，々=^二者可W直接通過公式（2)的索貝爾Sobel算子卷積得 dx 到；
[0070]

【權利要求】
1. 一種基于布氏硬度的壓痕圖像識別方法，其特征是，所述的方法包括： 通過維氏硬度計在布氏硬度試塊上壓出壓痕； 通過相機獲取與所述的壓痕對應的壓痕圖像； 對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定位范圍； 在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像進行邊緣抑制提取，得到提取的邊緣； 根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行輪廓擬合。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定 位范圍包括： 對所述的壓痕圖像進行融合，得到融合圖像矩陣； 對所述的融合圖像矩陣進行分割，得到二值化圖像； 對所述的二值化圖像進行腐蝕剝離形態(tài)運算，得到待聚類樣本圖像矩陣； 根據(jù)試探聚類算法將所述的待聚類樣本圖像矩陣分為壓痕以及無效點； 對所述的壓痕進行鄰近分析，得到分析結果； 根據(jù)所述的分析結果采用聚類補償法對所述壓痕的中心進行填充； 根據(jù)所述的分析結果采用聚類補償法對填充后的壓痕進行聚類粗定位，得到定位范 圍。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征是，對所述的壓痕圖像進行融合，得到融合圖像 矩陣包括： 確定所述壓痕圖像的水平方向梯度分量； 確定所述壓痕圖像的垂直方向梯度分量； 根據(jù)所述的水平方向梯度分量以及所述垂直方向梯度分量確定與所述的壓痕圖像對 應的梯度模矩陣； 獲取預先設定的權值系數(shù)； 根據(jù)所述的權值系數(shù)將所述的梯度模矩陣與所述的壓痕圖像進行融合，得到融合圖像 矩陣。
4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征是，對所述的壓痕進行鄰近分析包括： 獲取預先設定的所述壓痕的起始位置； 采用自適應法確定待聚類樣本圖像矩陣的起始距離； 采用自適應法確定待聚類樣本圖像矩陣的步長值； 確定所述待聚類樣本圖像矩陣中各個樣本到所述壓痕中心的歐氏距離。
5. 根據(jù)權利要求1或4所述的方法，其特征是，在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像 進行邊緣抑制提取包括： 構造高斯一階導核函數(shù)； 根據(jù)所述的高斯一階導函數(shù)進行直方統(tǒng)計； 獲取預先設定的抑制閾值； 根據(jù)所述的抑制閾值進行梯度抑制遍歷，得到初次抑制矩陣； 對所述的初次抑制矩陣進行掃描標記； 對掃描標記后的初次抑制矩陣進行提取，得到提取的邊緣。
6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征是，根據(jù)所述的高斯一階導函數(shù)進行直方統(tǒng)計 具體包括： 根據(jù)所述的高斯一階導函數(shù)確定高斯核系數(shù)； 根據(jù)所述的高斯核系數(shù)在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像做卷積，得到二維高斯 梯度矩陣； 確定所述二維高斯梯度矩陣的梯度模矩陣； 確定所述二維高斯梯度矩陣的梯度角度矩陣； 對所述的梯度角度矩陣進行方向標志劃分； 根據(jù)方向標志劃分后的梯度角度矩陣對所述的二維高斯梯度矩陣進行直方統(tǒng)計。
7. 根據(jù)權利要求1或6所述的方法，其特征是，根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行 輪廓擬合包括： 根據(jù)所述的邊緣擬合出橢圓軌跡； 確定所述橢圓軌跡的圓心坐標以及轉向角； 根據(jù)所述的圓心坐標、所述的轉向角確定出所述橢圓軌跡的軌跡坐標； 確定所述軌跡坐標所覆蓋的邊緣點數(shù)量； 根據(jù)所述的邊緣點數(shù)量確定出擬合輪廓。
8. -種基于布氏硬度的壓痕圖像識別系統(tǒng)，其特征是，所述的系統(tǒng)包括： 維式硬度計，用于在布氏硬度試塊上壓出壓痕； 相機，用于獲取與所述的壓痕對應的壓痕圖像； 聚類粗定位裝置，用于對所述的壓痕圖像進行聚類粗定位，得到定位范圍； 抑制提取裝置，用于在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像進行邊緣抑制提取，得到 提取的邊緣； 輪廓擬合裝置，用于根據(jù)所述的邊緣對所述的壓痕圖像進行輪廓擬合。
9. 根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的聚類粗定位裝置具體包括： 融合模塊，用于對所述的壓痕圖像進行融合，得到融合圖像矩陣； 分割模塊，用于對所述的融合圖像矩陣進行分割，得到二值化圖像； 腐蝕剝離模塊，用于對所述的二值化圖像進行腐蝕剝離形態(tài)運算，得到待聚類樣本圖 像矩陣； 分類模塊，用于根據(jù)試探聚類算法將所述的待聚類樣本圖像矩陣分為壓痕以及無效 占. 鄰近分析模塊，用于對所述的壓痕進行鄰近分析，得到分析結果； 中心填充模塊，用于根據(jù)所述的分析結果采用聚類補償法對所述壓痕的中心進行填 充； 聚類粗定位模塊，用于根據(jù)所述的分析結果采用聚類補償法對填充后的壓痕進行聚類 粗定位，得到定位范圍。
10. 根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的融合模塊具體包括： 水平方向梯度分量確定單元，用于確定所述壓痕圖像的水平方向梯度分量； 垂直方向梯度分量確定單元，用于確定所述壓痕圖像的垂直方向梯度分量； 梯度模矩陣確定單元，用于根據(jù)所述的水平方向梯度分量以及所述垂直方向梯度分量 確定與所述的壓痕圖像對應的梯度模矩陣； 權值系數(shù)獲取單元，用于獲取預先設定的權值系數(shù)； 融合單元，用于根據(jù)所述的權值系數(shù)將所述的梯度模矩陣與所述的壓痕圖像進行融 合，得到融合圖像矩陣。
11. 根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的鄰近分析模塊具體包括： 起始位置獲取單元，用于獲取預先設定的所述壓痕的起始位置； 起始距離確定單元，用于采用自適應法確定待聚類樣本圖像矩陣的起始距離； 步長值確定單元，用于采用自適應法確定待聚類樣本圖像矩陣的步長值； 歐氏距離確定單元，用于確定所述待聚類樣本圖像矩陣中各個樣本到所述壓痕中心的 歐氏距離。
12. 根據(jù)權利要求8或11所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的抑制提取裝置具體包括： 核函數(shù)構造模塊，用于構造高斯一階導核函數(shù)； 直方統(tǒng)計模塊，用于根據(jù)所述的高斯一階導函數(shù)進行直方統(tǒng)計； 抑制閾值獲取模塊，用于獲取預先設定的抑制閾值； 梯度抑制遍歷模塊，用于根據(jù)所述的抑制閾值進行梯度抑制遍歷，得到初次抑制矩 陣； 掃描標記模塊，用于對所述的初次抑制矩陣進行掃描標記； 提取模塊，用于對掃描標記后的初次抑制矩陣進行提取，得到提取的邊緣。
13. 根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的直方統(tǒng)計模塊具體包括： 高斯核系數(shù)確定單元，用于根據(jù)所述的高斯一階導函數(shù)確定高斯核系數(shù)； 卷積單元，用于根據(jù)所述的高斯核系數(shù)在所述的定位范圍內(nèi)對所述的壓痕圖像做卷 積，得到二維高斯梯度矩陣； 梯度模矩陣確定單元，用于確定所述二維高斯梯度矩陣的梯度模矩陣； 梯度角度矩陣確定單元，用于確定所述二維高斯梯度矩陣的梯度角度矩陣； 方向標志劃分單元，用于對所述的梯度角度矩陣進行方向標志劃分； 直方統(tǒng)計單元，用于根據(jù)方向標志劃分后的梯度角度矩陣對所述的二維高斯梯度矩陣 進行直方統(tǒng)計。
14. 根據(jù)權利要求8或13所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的輪廓擬合裝置包括： 橢圓軌跡擬合模塊，用于根據(jù)所述的邊緣擬合出橢圓軌跡； 確定模塊，用于確定所述橢圓軌跡的圓心坐標以及轉向角； 軌跡坐標確定模塊，用于根據(jù)所述的圓心坐標、所述的轉向角確定出所述橢圓軌跡的 軌跡坐標； 邊緣點數(shù)量確定模塊，用于確定所述軌跡坐標所覆蓋的邊緣點數(shù)量； 擬合輪廓確定模塊，用于根據(jù)所述的邊緣點數(shù)量確定出擬合輪廓。
【文檔編號】G06K9/00GK104422629SQ201310395302
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權日:2013年9月3日
【發(fā)明者】劉閣, 吳速, 楊長江, 武劍, 曹永超 申請人:北京時代之峰科技有限公司