CN102708588A - 一种金属平板点蚀损伤形貌三维重建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属平板点蚀损伤形貌三维重建方法，将金属平板的点蚀坑表面形貌扫描为参考图片；将激光位移传感器发射出的激光对准蚀坑顶部，激光位移传感器读数调零，再将激光位移传感器平移，使激光对准蚀坑底部，这时传感器读数就为点蚀坑顶部至底部的高度差，此高度差就是点蚀坑的深度；利用参考图片的灰阶数值建立NURBS曲面，将NURBS曲面拉伸成为体，试验件点蚀区形貌重建完毕。本发明扫描输入简单、准确；激光位移传感器的测量精度可达10-3mm，可以满足蚀坑深度小于1mm的要求；采用现成商业软件可以代替手工编程，提高工作效率。
Description
技术领域
本方法属于计算机图像处理技术领域，尤其涉及一种由单幅二维灰度图像重建三维形貌的方法。
背景技术
飞机结构上使用铝合金钣金件在大气环境中，会遭受空气中化学污染物的腐蚀而出现点蚀，也叫做坑蚀，在疲劳载荷下点蚀坑会演变为裂纹而导致结构发生断裂，造成飞机安全事故。为了分析由蚀坑导致的结构断裂，就非常有必要先对整个点蚀区域表面的应力分布进行分析。但是铝合金表面点蚀形貌复杂，而且没有现成的物理模型。这时候，可以用三维重建的方法，建立三维模型并进行分析。
现有表面图像采集技术主要有数码相机拍照和显微镜拍照。使用数码照相机和显微镜拍照的缺点是镜头产生的桶状畸变会导致表面的面积误差，使得拍摄出的二维图片与实际不符，而且使用数码照相机测量不出点蚀坑的深度。
现有测量点蚀坑深度的技术为使用显微镜，需要首先镜头调至蚀坑顶部，对准焦距，然后镜头再调至蚀坑底部，再对准一次焦距，利用两次对焦距镜头的伸缩来手工计算蚀坑的深度，精度只能达到1mm，而点蚀坑的深度通常小于1mm，现有技术测量的深度误差大。
现有的二维图像生成三维图像的技术为手工编写计算机程序，耗时长，效率低。只适用于棱与上下表面垂直的多面体的重建，自动化程度不高。
发明内容
为了克服现有拍照技术导致表面积误差较大、点蚀坑深度测量误差大以及手工编写计算机程序效率低的不足，本发明提供一种基于灰度值的金属平板点蚀损伤形貌三维重建方法，可以快速实现表面蚀坑形貌二维灰度图片的拍摄，依据灰度值和激光位移传感器所测量的深度值，进行点蚀表面形貌的三维图像计算机重建。
本发明解决其技术问题所采用的方法流程见图1，技术方案包括以下步骤：
步骤一：将金属平板的点蚀坑表面形貌扫描为256级灰度图，作为参考图片。所述的扫描采用平板扫描仪完成。
步骤二：采用激光位移传感器测量出腐蚀区域所有蚀坑深度。首先将激光位移传感器发射出的激光对准蚀坑顶部，即金属平板表面；激光位移传感器读数调零，再将激光位移传感器平移，使激光对准蚀坑底部，这时传感器读数就为点蚀坑顶部至底部的高度差，此高度差就是点蚀坑的深度。
所述的测量使用激光位移传感器完成，测量激光位移传感器和金属平板表面的距离，从而计算出蚀坑深度△h。
步骤三：利用参考图片的灰阶数值建立NURBS曲面，即非均匀有理B样条曲面。
步骤四：将NURBS曲面拉伸成为体，试验件点蚀区形貌重建完毕。
本发明的有益效果是：本发明使用扫描仪获取图像具有输入不改变图形大小的优势，不会产生面积误差，从而不用设置标尺，输入后也免去调整图形大小或换算的过程。同时也没有镜头产生的桶状畸变以及视角改变而导致的面积误差，而且可改变分辨率，因此扫描输入简单、准确；激光位移传感器的测量精度可达10-3mm，可以满足蚀坑深度小于1mm的要求；采用现成商业软件可以代替手工编程，提高工作效率。本发明适用于金属制成的板材表面点蚀损伤，主要针对铝合金材料。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1三维重建流程图；
图2是激光位移传感器测量原理图；
图3是验证实验所使用的试验件。
具体实施方式
本发明包括以下步骤：
步骤一：将点蚀后的铝合金平板置于平面扫描仪上，开始扫描，将点蚀坑表面形貌扫描为256级灰度图。
步骤二：采用激光位移传感器测量出腐蚀区域所有蚀坑深度，并计算出蚀坑深度平均值。
点蚀坑的深度值数量级在102μm，这就要求测量设备要有较高的精度，而激光位移传感器能满足这一要求。激光位移传感器是采用CCD，即Charge Coupled Device，电荷耦合装置系统的三角测量系统，其最大优点是非接触性测量。激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离，计算出蚀坑深度△h=h-h0。h0为激光位移传感器激光发射端到点蚀坑顶部的距离，h为激光位移传感器激光发射端到点蚀坑底部的距离测量示意如图2所示。
步骤三：利用参考图片的灰阶数值建立NURBS曲面。
使用Rhinoceros（犀牛）曲面建模软件的“Heightfield”命令，将“步骤一”得到的光学扫描获得的点蚀损伤区的二维灰度图片导入，同时输入“步骤二”使用激光位移传感器测量得到的蚀坑深度平均值。
步骤四：将曲面导入三维制图软件，将曲面反向拉伸至平面，生成三维实体，试验件点蚀区形貌重建完毕。
为了验证本方法的有效性，选取牌号为LC4的铝合金板材进行腐蚀试验，试验件厚度为3mm，进行单面腐蚀，在腐蚀区产生点蚀坑，试验件如图3所示。
将产生点蚀后的铝合金平板置于平面扫描仪上，开始扫描，将点蚀坑表面形貌扫描为256级灰度图。采用激光位移传感器测量出腐蚀区域所有蚀坑深度，并计算出蚀坑深度平均值。
使用Rhinoceros曲面建模软件的“Heightfield”命令，选择光学扫描获得的点蚀损伤区的二维灰度图片，同时输入用激光位移传感器测量得到的蚀坑深度平均值，生成点蚀表面曲面图。
将上图再导入三维制图软件，将曲面拉伸成为体，试验件点蚀区形貌重建完毕。
对上述模型施加拉伸载荷进行有限元计算，计算时输入的材料性能参数见下表。
表1.LC4铝合金力学性能
计算结果的计算机图形输出显示，最大应力位于点蚀坑附近。
再将同一试验件静力拉伸直至断裂，观察断裂后的断口，该断口在试验件腐蚀区内，且位于计算结果显示的最大应力位置处。说明重建的三维形貌与实际形貌一致。
Claims (1)
1.一种金属平板点蚀损伤形貌三维重建方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：将金属平板的点蚀坑表面形貌扫描为256级灰度图，作为参考图片；
步骤二：采用激光位移传感器测量出腐蚀区域所有蚀坑深度，首先将激光位移传感器发射出的激光对准蚀坑顶部，即金属平板表面；激光位移传感器读数调零，再将激光位移传感器平移，使激光对准蚀坑底部，这时传感器读数就为点蚀坑顶部至底部的高度差，此高度差就是点蚀坑的深度；
步骤三：利用参考图片的灰阶数值建立NURBS曲面，即非均匀有理B样条曲面；
步骤四：将NURBS曲面拉伸成为体，试验件点蚀区形貌重建完毕。
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