CN101109715A - 光学测孔内壁疵病的方法 - Google Patents

Abstract

一种光学测孔内壁疵病的方法，包括：利用光拾取装置拾取激光在孔内壁反射后形成的图像以获取孔内壁任意一点深度尺寸的过程；利用光拾取装置拾取照明光源在孔内壁反射后形成的图像以获得孔内壁展开图像并提取疵病二维信息尺寸的过程，以及结合上述两尺寸以获得疵病三维信息的过程。结合激光测量和照明光源照明测量，不仅可以得到疵病的二维尺寸，还可以得到疵病的深度尺寸，实现疵病的三维测量；采用非接触测量方法，避免了测头和被测对象的接触磨损，提高了检测速度。

Description

光学测孔内壁疵病的方法

技术领域

本发明涉及一种光学测孔内壁疵病的方法。

背景技术

现有技术中，经常会出现需要对孔内壁进行检测的情况，尤其是深孔，其具有较大的孔深与孔径比，在实际生产、生活及军事领域中有广泛的应用，如输送天然气的管道、核电站热交换器和液压缸等，由于长期使用，这些深孔形零件的内壁容易形成磨损、划伤及脱落等疵病缺陷，给实际的生产和使用带来了安全隐患，因此，必须对内壁进行定期检测，及早发现潜在缺陷，根据缺陷的大小、性质和分布等信息有计划的开展针对性的抢修和维护，减小不必要的损失。另外内壁检测为深孔类零件的研究和加工提供了科学依据。

现有技术中有一种测孔内壁疵病的方法，其是使用如橡皮泥等具有一定附着能力和形变能力的工具。通过将该工具贴在孔的内壁上，获取内壁的状况。但该方法的误差和所需的劳动强度很大，而且，对于轴向长度较长的孔，基本上没有办法实现操作。

针对这种情况，人们提出了光学检测法，所谓光学检测法是属于非接触检测，同传统的磁粉探伤、超声探伤等方法比较，光学检测法具有对环境要求低，抗干扰性强及检测速度快等优点，因此，光学检测方法在深孔内检测中取得越来越广泛的应用：李江雄等在文章“基于结构光的微细管孔内表面三维重建”(仪器仪表学报，Vol.27，No.3，2006，pp.254-259)中提供了一种基于结构光的深孔内表面重建技术，检测系统由管道机器人、形貌检测器和曲率检测器组成，但是这种方法只能检测内表面的几何变形，无法检测磨损、划伤等表面缺陷。

发明内容

针对上述各问题，本发明的目的在于，提供一种能够高精度地对孔内壁上疵病的三维尺寸进行测量的光学测孔内壁疵病的方法。

本发明技术方案1是一种光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，包括：利用光拾取装置拾取激光在孔内壁反射后形成的图像以获取孔内壁任意一点深度尺寸的过程；利用光拾取装置拾取照明光源在孔内壁反射后形成的图像以获得孔内壁展开图像并提取疵病二维信息尺寸的过程，以及结合上述两尺寸以获得疵病三维信息的过程。

采用技术方案1，通过结合对孔内壁疵病二维信息的获取和对孔内壁任意一点深度尺寸的测量，可以实现对疵病的三维测量。且本发明采用了非接触测量方法，避免了测头和被测对象的接触磨损，并提高了检测速度。

在技术方案1的基础上，本发明技术方案2的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，在获取孔内壁任意一点深度尺寸的过程中包括如下步骤：a.将激光光源放入待测孔内并使其工作；b.用与激光光源相向设置的光拾取装置拾取由孔内壁反射的光；c.对由光拾取装置拾取到的信号进行处理，得到孔内壁任意一点的轴向位置、周向位置和深度尺寸。

采用技术方案2，能够用简易、高效且准确的方法获取孔内壁任意一点的深度尺寸。

在技术方案1的基础上，本发明技术方案3的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，在获得孔内壁展开图像并提取疵病二维信息的过程中包括如下步骤：a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内壁；b.用与孔同轴安装的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，获得孔内壁展开图像。

采用技术方案3，能够用简易、高效且准确的方法获取孔内壁展开图像并提取疵病的二维信息。

在技术方案2的基础上，本发明技术方案4的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，激光光源为环形激光发生器，其同待测孔轴线共线安装，调整其焦距，使激光器投射的光锥面经反射锥镜反射后与孔内壁相交形成一空间三维曲线，光拾取装置正对激光器安装，保证同轴度，获取截面轮廓曲线的图像供后续处理。

采用技术方案4，通过采用环形激光发生器，可以不旋转光源或装置本身就可测得孔整周的数据，测量效率较高且可得到孔整周上连续的数据。通过正对激光器安装光拾取装置，可有利于对数据的采集，且便于对所采集到的数据进行后期处理。

在技术方案4的基础上，本发明技术方案5的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，激光光源投射的光锥面在反射锥镜上形成一理想圆，该圆经反射后与孔内壁相交形成一空间三维曲线。

采用技术方案5，通过采用反射棱镜，有利于调整光路，形成形状相对规整的三维曲线。通过本技术方案的采用，较利于空间三维曲线的取得。

在技术方案2的基础上，本发明技术方案6的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，根据截面轮廓曲线的圆心和平均半径，计算曲线圆周上任意一个数据点到圆心的距离同平均半径之差得到任意角度方向上的局部深度尺寸。

采用技术方案6的计算方式，能够以简单、准确的方式获得任意角度方向上的局部深度尺寸。

在技术方案3的基础上，本发明技术方案7的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，光拾取装置与深孔轴线共线安装，采用LED光源照明，选定原始图像上一环形区域，建立原始图像同内壁展开图像之间的映射关系，根据该映射关系对环形区域内的图像进行几何变换，得到一段深孔内壁展开图像。

采用技术方案7，能够以简单、准确的方式获得孔内壁的展开图像。

在技术方案3的基础上，本发明技术方案8的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，光拾取装置每移动5～10mm采一次图像，得到不同轴向位置的内壁展开图像，保证前后两幅展开图像中有部分重叠区域，内壁展开图像的起始检测位置和截面尺寸数据的起始检测位置相同，每一幅内壁展开图像同截面尺寸数据按轴向位置对齐。

采用技术方案8，有利于对获取的孔内壁的各局部展开图像进行拼接处理。

在技术方案1的基础上，本发明技术方案9的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，在获得疵病三维信息的过程中包括如下步骤：根据疵病的轴向、周向位置，结合疵病的二维信息和深度尺寸，获得疵病的三维信息。

采用技术方案9，可有效计算疵病的三维信息。

在技术方案9的基础上，本发明技术方案10的光学测孔内壁疵病的方法的特征在于，通过图像处理，在内壁展开图像中提取疵病区域，计算疵病的二维信息，包括疵病最小外接矩形、疵病周长、疵病面积和疵病重心坐标，同时根据当前疵病的轴向、周向位置，查找检测到的截面尺寸数据，计算该区域对应的深度尺寸，得到疵病完整的三维信息。

采用技术方案10，可有效获取疵病完整的三维信息。

附图说明

图1是环形激光视觉传感器测量方法示意图。

图2是截面轮廓曲线提取原理示意图。

图3是LED光源照明测量方法示意图。

图4是内壁原始图像同展开图像映射关系原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

图1是环形激光视觉传感器测量方法示意图，环形激光器1投射光锥面经反射锥镜3后同深孔内壁相交，形成一空间三维曲线，CCD相机获取该三维曲线的图像进行截面尺寸的计算和处理，具体计算如图2所示：图2中C为设定的初始圆心，5是截面图上的轮廓曲线，以C为顶点作射线L1同轮廓曲线相交，由于轮廓曲线具有一定宽度，且曲线上亮度分布不均匀，中间亮度高，两边亮度值较低，同L1相交后形成一线段，线段上亮度分布同曲线，定义L1上亮度值最大点P1为曲线实际真实点，沿圆周方向等间隔作i条同样的射线，得到N个点，将这N个点顺序相连便得到轮廓曲线的单象素表示，通过这些点重新计算截面轮廓圆的圆心以及半径。定义截面轮廓圆上N个点坐标值分别为P_i(x_i，y_i)，1≤i≤N，圆心坐标x_c，y_c和半径r构成一空间Γ(Γ∈R³)，称为圆的参数空间，该空间中任意一点W(x_c，y_c，r)的坐标值代表圆的圆心和半径，通过参数回归搜索最佳W_e∈Γ，使得W_e的坐标值为最佳圆心和半径。

对于圆上任意一点P_i(x_i，y_i)，定义W的参数估计残差函数h_i(W)：

h_i(W)＝h_i(x_c，y_c，r)＝r²-(x_i-x_c)²-(y_i-y_c)²    (1)

设初始估计参数为W₀，将(1)式在W₀处作一阶泰勒展开得：

$h_i\left(W\right)=h_i\left(W_0\right)+{\left(\frac{\mathrm{dhi}}{\mathrm{dW}}\right)}_{W_0}(W-W_0)+O(W-W_0)---\left(2\right)$

对于参数估计W，定义圆的参数估计残差平方和函数H(W)：

$H\left(W\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i^2\left(W\right)---\left(3\right)$

设W₁＝(x_c1，y_c1，r₁)(W₁∈Γ)是在参数空间中邻近W₀的最佳参数估计，则有W₁为函数H(W)的极小值，即：

$\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dW}}{|}_{W_1}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(2h_i\left(W\right)\left(\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dW}}\right)\right)}_{W_1}=0---\left(4\right)$

将(2)式带入(4)得：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(2(h_i(W_0+{\left(\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dW}}\right)}_{W_0}(W-W_0))\left(\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dW}}\right)\right)}_{W_1}=0---\left(5\right)$

上述过程完成圆参数的一次迭代，当|W₀-W₁|小于给定阈值时终止迭代，求得最佳圆参数，包括圆心坐标和半径。

圆周上任意一点到圆心的距离同半径之差即为该圆周方向上局部深度尺寸值。

采用环形结构激光测量内壁截面尺寸，一次投射即可获得内壁一周所有数据，容易计算截面的平均半径及圆周任意角度方向的局部深度尺寸。

图3是LED照明光源测量方法示意图，6是CCD相机，7是LED照明光源。该测量方法中，CCD相机6也可以采用图1中所示测量方法中采用的CCD相机。平行深孔轴线安装，通过LED照明获得内壁原始图像，采用图像几何变换得到内壁360度展开图像。图4描述了深孔内壁原始图像同展开图像坐标系之间的映射关系，oxy为深孔内壁空间坐标系，原点定在镜头焦点处，o′x′y′为CCD成像靶面坐标系，o″x″y″为内壁展开图像坐标系，从几何关系可知介于A和B之间的一段圆柱内壁在CCD靶面上成像为宽为A′B′的圆环，设圆柱内壁上介于A、B之间的任意一点用柱坐标表示为P(R，，z)，其中R为孔半径，该点在CCD靶面坐标系及展开图像坐标系上的坐标分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}^{\′}(\frac{\mathrm{fR}}{z},\mathrm{\θ}+\mathrm{\π})\\ P^{\′\′}(\mathrm{R\θ},z-\frac{\mathrm{fR}}{o^{\′}{B}^{\′}})\end{array}\right.---\left(6\right)$

令 $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=\mathrm{R\θ}\\ y^{\′\′}=z-\frac{\mathrm{fR}}{o^{\′}{B}^{\′}}\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}=\frac{x^{\′\′}}{R}\\ z=y^{\′\′}+\frac{\mathrm{fR}}{o^{\′}{B}^{\′}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

将(7)式带入(6)式得：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=\frac{\mathrm{fR}}{y^{\′\′}+\frac{\mathrm{fR}}{o^{\′}{B}^{\′}}}\cos (\frac{x^{\′\′}}{R}+\mathrm{\π})\\ y^{\′}=\frac{\mathrm{fR}}{y^{\′\′}+\frac{\mathrm{fR}}{o^{\′}{B}^{\′}}}\sin (\frac{x^{\′\′}}{R}+\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)为CCD成像靶面坐标系同展开图像坐标系之间的几何变换关系，采用象素填充法实现该几何变换，其原理是遍历展开图像中所有的象素点(x″，y″)，根据(8)式计算所有的象素点对应的坐标值(x′，y′)，由和(x′，y′)邻近的四个象素点插值决定的(x″，y″)灰度值。

截面轮廓曲线图像和LED光源照明图像通过轴向位置对齐，具体方法为两次检测设定相同的起始位置，检测完成后首先通过图像处理在LED光源照明图像上提取疵病二维信息，包括疵病最小外接矩形、周长及面积，然后根据疵病的位置搜索对应的深度尺寸，完成深孔内壁疵病三维尺寸测量。

通过轴向位置自动对齐疵病的深度尺寸和二维尺寸，自动化程度高，容易实现。

对该方法进一步进行说明，可总结为如下步骤。

1.1环形激光发生器1同深孔轴线共线安装，调整其焦距使激光器投射的光锥面在反射锥镜3上形成一理想圆，激光线宽小于1mm，光锥面经反射后同深孔内壁2相交形成一空间三维曲线，该曲线表示了深孔当前截面的轮廓曲线，CCD相机4正对激光器安装，保证同轴度，调整相机和激光器之间的距离保证能清晰成像，CCD相机4获取截面轮廓曲线的图像供后续处理；

1.2在截面轮廓曲线图中，选定包含完整轮廓曲线的环形有效区域，图像处理算法仅在该区域内有效，以环形有效区域的圆心为初始圆心，向外作射线同截面轮廓曲线相交形成一线段区域，以该线段区域内灰度值最亮点为曲线的实际真实点，每隔0.1度作一射线得到轮廓圆周上3600个数据点，将所有数据相连构成单象素表示的截面轮廓曲线，通过参数回归，重新计算截面轮廓曲线的圆心和平均半径，计算曲线圆周上任意一个数据点到圆心的距离同平均半径之差得到任意角度方向上的局部深度尺寸；

1.3沿深孔轴线方向，每隔0.5～1mm采样，保证数据足够密，获得不同轴向位置处截面的平均半径，以及不同截面上任意圆周方向的局部深度尺寸，对于深孔内壁上任意一点，保存该点的轴向位置、周向位置和深度尺寸供后续处理；

1.4 CCD相机6与深孔轴线共线安装，采用LED光源照明，选定原始图像上一环形区域，建立原始图像同内壁展开图像之间的映射关系，根据该映射关系对环形区域内的图像进行几何变换，得到一段深孔内壁展开图像；

1.5 CCD相机6每移动5～10mm采一次图像，得到不同轴向位置的内壁展开图像，保证前后两幅展开图像中有部分重叠区域，内壁展开图像的起始检测位置和截面尺寸数据的起始检测位置相同，每一幅内壁展开图像同截面尺寸数据按轴向位置对齐；

1.6通过图像处理算法，在内壁展开图像中提取疵病区域，计算疵病的二维信息，包括疵病最小外接矩形、疵病周长、疵病面积和疵病重心坐标，同时根据当前疵病的轴向、周向位置，查找步骤1.3保存的截面尺寸数据，计算该区域对应的深度尺寸，得到疵病完整的三维信息。

当然，本发明并不限定于上述实施方式，例如CCD相机也可以为其它光拾取装置，如CMOS相机等。在本发明技术思想内的任意变形均在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，包括：利用光拾取装置拾取激光在孔内壁反射后形成的图像以获取孔内壁任意一点深度尺寸的过程；利用光拾取装置拾取照明光源在孔内壁反射后形成的图像以获得孔内壁展开图像并提取疵病二维信息尺寸的过程，以及结合上述两尺寸以获得疵病三维信息的过程。

2.如权利要求1所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，在获取孔内壁任意一点深度尺寸的过程中包括如下步骤：

a.将激光光源放入待测孔内并使其工作；

b.用与激光光源相向设置的光拾取装置拾取由孔内壁反射的光；

c.对由光拾取装置拾取到的信号进行处理，得到孔内壁任意一点的轴向位置、周向位置和深度尺寸。

3.如权利要求1所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，在获得孔内壁展开图像并提取疵病二维信息的过程中包括如下步骤：

a.将照明光源放入孔内并使其发光照明孔内壁；

b.用与孔同轴安装的成像装置拾取照明光源照射到孔内壁上反射回来的光；

c.使照明光源和成像装置沿孔轴线同步移动，并对由成像装置识别到的信号进行处理，获得孔内壁展开图像。

4.如权利要求2所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，激光光源为环形激光发生器，其同待测孔轴线共线安装，调整其焦距，使激光器投射的光锥面经反射锥镜反射后与孔内壁相交形成一空间三维曲线，光拾取装置正对激光器安装，保证同轴度，获取截面轮廓曲线的图像供后续处理。

5.如权利要求4所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，激光光源投射的光锥面在反射锥镜上形成一理想圆，该圆经反射后与孔内壁相交形成一空间三维曲线。

6.如权利要求2所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，根据截面轮廓曲线的圆心和平均半径，计算曲线圆周上任意一个数据点到圆心的距离同平均半径之差得到任意角度方向上的局部深度尺寸。

7.如权利要求3所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，光拾取装置与深孔轴线共线安装，采用LED光源照明，选定原始图像上一环形区域，建立原始图像同内壁展开图像之间的映射关系，根据该映射关系对环形区域内的图像进行几何变换，得到一段深孔内壁展开图像。

8.如权利要求3所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，光拾取装置每移动5～10mm采一次图像，得到不同轴向位置的内壁展开图像，保证前后两幅展开图像中有部分重叠区域，内壁展开图像的起始检测位置和截面尺寸数据的起始检测位置相同，每一幅内壁展开图像同截面尺寸数据按轴向位置对齐。

9.如权利要求1所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，在获得疵病三维信息的过程中包括如下步骤：根据疵病的轴向、周向位置，结合疵病的二维信息和深度尺寸，获得疵病的三维信息。

10.如权利要求9所述的光学测孔内壁疵病的方法，其特征在于，通过图像处理，在内壁展开图像中提取疵病区域，计算疵病的二维信息，包括疵病最小外接矩形、疵病周长、疵病面积和疵病重心坐标，同时根据当前疵病的轴向、周向位置，查找检测到的截面尺寸数据，计算该区域对应的深度尺寸，得到疵病完整的三维信息。

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