CN104075954B - 硬度测试仪和硬度测试方法 - Google Patents

硬度测试仪和硬度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硬度测试仪和硬度测试方法。该硬度测试仪具有：压痕形成器，用于通过使压头压抵试样的表面来形成压痕；摄像控制器，用于控制CCD照相机以对试样的表面摄像并且获得图像数据；压痕区域提取器，用于基于所获得的图像数据来提取压痕区域；以及硬度计算器，用于基于所提取出的压痕区域来计算试样的硬度。该压痕区域提取器具有：缩小图像生成器，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据试样的表面的图像数据所获得的图像，并且生成缩小图像；以及模式匹配器，用于对所生成的缩小图像进行模式匹配，并且提取压痕区域。

Description

硬度测试仪和硬度测试方法
技术领域
本发明涉及一种硬度测试仪和硬度测试方法。
背景技术
传统上已知的硬度测试仪基于通过利用预定的测试力使压头压抵试样所形成的压痕的尺寸来测量该试样的硬度。例如，维氏(Vickers)硬度测试仪将四棱锥体压头压入试样的表面并且测量所形成的压痕的对角线长度。维氏硬度测试仪基于所测量到的压痕的对角线长度来计算硬度。
在测试金属材料的硬度时，已知的硬度测试仪通常通过针对摄像器所拍摄到的试样表面的图像判断亮度值是否低于预定值(阈值)来执行二值化，然后提取形成在试样表面中的压痕区域(例如，参见日本专利4029832)。
然而，在上述传统的硬度测试仪中，在整个所拍摄图像中发生诸如阴影等的亮度变化。因而，传统的硬度测试仪在图像整体的二值化期间，有时由于亮度变化的影响而无法正确地提取压痕区域。特别是在压痕区域小的情况下，难以正确地提取压痕区域。另外，在如图14所示、所形成的压痕K2的附近被污染的情况下，传统的硬度测试仪难以正确地提取压痕区域。
发明内容
本发明的非限制性特征提供使得能够正确地提取压痕区域的硬度测试仪和硬度测试方法。
鉴于上述，本发明的第一方面提供一种硬度测试仪，用于通过利用压头向试样的表面施加预定测试力以形成压痕、并且测量所述压痕的尺寸，来测量所述试样的硬度，所述硬度测试仪包括：压痕形成器，用于通过使所述压头压抵所述试样的表面，在所述试样的表面中形成所述压痕；摄像控制器，用于控制摄像器以对所述试样的表面进行摄像并且获得所述试样的表面的图像数据；压痕区域提取器，用于基于所述摄像控制器所获得的所述试样的表面的图像数据来提取形成在所述试样的表面中的压痕区域，所述压痕区域提取器包括：缩小图像生成器，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据所述试样的表面的图像数据所获得的图像，其中所述缩小图像生成器进一步生成缩小图像；以及模式匹配器，用于对所述缩小图像生成器所生成的所述缩小图像进行模式匹配，其中所述模式匹配器进一步提取所述压痕区域；以及硬度计算器，用于基于所述压痕区域提取器所提取出的所述压痕区域来计算所述试样的硬度。
本发明的第二方面提供根据第一方面的硬度测试仪，其中，所述模式匹配器基于通过利用包括与所述压头相对应的压痕形状的模型来扫描所述缩小图像所计算出的相关度，来提取所述压痕区域。
本发明的第三方面提供根据第二方面的硬度测试仪，其中，所述模式匹配器通过扫描按预定顺序的缩尺比缩小后的缩小图像，来计算所述相关度。在判断为所计算出的相关度中的最大相关度等于或大于预定阈值的情况下，所述模式匹配器提取示出所述最大相关度的区域作为所述压痕区域。
本发明的第四方面提供根据第二方面或第三方面的硬度测试仪，其中，所述模式匹配器提取示出通过扫描按所有缩尺比缩小后的所有缩小图像所计算出的所有相关度中的最大相关度的区域，作为所述压痕区域。
本发明的第五方面提供根据第一方面至第四方面中任一方面的硬度测试仪，其中，还包括显示控制器，所述显示控制器用于将所述硬度计算器所计算出的所述试样的硬度显示在显示器上。
本发明的第六方面提供一种硬度测试方法，用于利用硬度测试仪，通过利用压头向试样的表面施加预定测试力以形成压痕、并且测量所述压痕的尺寸，来测量硬度，所述硬度测试方法包括以下步骤：通过使所述压头压抵所述试样的表面，在所述试样的表面中形成所述压痕；摄像控制步骤，用于控制摄像器以对所述试样的表面进行摄像并且获得所述试样的表面的图像数据；压痕区域提取步骤，用于基于所述摄像控制步骤中所获得的所述试样的表面的图像数据来提取形成在所述试样的表面中的压痕区域，其中所述压痕区域提取步骤包括：缩小图像生成步骤，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据所述试样的表面的图像数据所获得的图像，并且生成缩小图像；以及模式匹配步骤，用于对所述缩小图像生成步骤中所生成的所述缩小图像进行模式匹配，并且提取所述压痕区域；以及基于所述压痕区域提取步骤中所提取出的所述压痕区域来计算所述试样的硬度。
根据本发明，无需进行二值化以提取压痕区域，由此使得能够在不会受到亮度变化或污染影响的情况下正确地提取压痕区域。
附图说明
在以下的详细说明中，通过本发明的典型实施例的非限制性示例的方式参考所述的多个附图来进一步说明本发明，其中在附图的几个视图中，相同的附图标记表示类似的部件，其中：
图1是根据本发明的硬度测试仪的整体结构的斜视图；
图2是根据本发明的硬度测试仪的硬度测试仪主体的示意图；
图3是根据本发明的硬度测试仪的硬度测量器的示意图；
图4是根据本发明的硬度测试仪的控制结构的框图；
图5是根据本发明的硬度测试仪的操作的流程图；
图6示出根据试样表面的图像数据所获得的示例性图像；
图7是根据本发明的硬度测试仪中的压痕区域提取的流程图；
图8是使图6的图像旋转了45°所得的图；
图9示出图8的示例性缩小图像；
图10示出示例性扫描模型；
图11示出图9的缩小图像周围的没有进行匹配的区域；
图12示出将图10的扫描模型分割成五个区域的示例；
图13示出扫描模型的一列的区域；以及
图14示出所形成的压痕的附近被污染的示例。
具体实施方式
这里所示的细节是举例，是仅用于例示性地论述本发明的实施例的目的，并且是为了提供被认为是针对本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的说明而呈现的。在这方面，没有尝试以比本发明的基本理解所需的细节更详细的方式示出本发明的结构细节，其中利用附图所进行的说明使本领域技术人员显而易见地明白在实践中可以如何实现本发明的形式。
以下参考附图来详细说明本实施例的实施例。在以下的说明中，图1中的X方向是左右方向、Y方向是前后方向、并且Z方向是上下方向。此外，X-Y面是水平面。
硬度测试仪100例如是包括平面形状为正方形的压头14a(参见图3)的维氏硬度测试仪。参见图1～4，硬度测试仪100具有测试仪主体10、控制器6、操作器7和监视器8。
参考图2，测试仪主体10包括：硬度测量器1，用于测量试样S的硬度；试样台2，其中在该试样台2上放置试样S；XY台3，用于使试样台2移动；AF台4，用于聚焦于试样S的表面；以及升降机构5，用于使试样台2(XY台3和AF台4)升降。
参考图3，硬度测量器1包括：照明装置11，用于对试样S的表面进行照明；CCD照相机12，用于对试样S的表面摄像；以及转台16。转台16包括：压头柱14，其包含压头14a；以及物镜15。转台16能够通过转动来在压头柱14和物镜15之间切换。
照明装置11发出光以对试样S的表面进行照明。从照明装置11发出的光经由透镜1a、半透半反镜1d、镜1e和物镜15到达试样S的表面。
基于从试样S的表面经由物镜15、镜1e、半透半反镜1d、镜1g和透镜1h所输入的反射光，CCD照相机12通过对试样S的表面和利用压头14a形成在试样S的表面中的压痕进行摄像来获得图像数据。然后，CCD照相机12将所获得的图像数据经由帧捕获器17输出至控制器6，其中该帧捕获器17能够同时累积并存储多个帧的图像数据。因而，CCD照相机12用作本发明的摄像器。
利用响应于控制器6所输出的控制信号而被驱动的负荷机构(图中未示出)使压头柱14向着放置在试样台2上的试样S移动。利用预定的测试力使设置在压头柱14的前端的压头14a压抵试样S的表面。在本实施例中，使用(对角为136±0.5°的)四棱锥体维氏压头作为压头14a。
物镜15是各透镜具有不同倍率的聚光透镜。在转台16的下表面上保持有多个物镜15。通过使转台16转动来使这些物镜15配置在试样S的上方。由此，从照明装置11发出的光均匀地照射试样S的表面。
转台16被配置成使得能够将压头柱14和多个物镜15安装到其下表面。转台16还被配置为能够通过使转台16绕Z轴方向转动来将压头柱14和多个物镜15中的任一个配置在试样S的上方。具体地，可以通过将压头柱14配置在试样S的上方来在试样S的表面中形成压痕，同时可以通过将物镜15配置在试样S的上方来观察所形成的压痕。
将试样S放置在试样台2的上表面上并且利用试样保持件2a固定在适当位置处。利用响应于控制器6所输出的控制信号而被驱动的驱动机构(图中未示出)来驱动XY台3。然后，XY台3使试样台2在与压头14a的移动方向(Z方向)垂直的方向(X方向和Y方向)上移动。响应于控制器6所输出的控制信号来驱动AF台4。然后，AF台4基于CCD照相机12所拍摄到的图像数据来使试样台2细微地升降，以聚焦于试样S的表面。响应于控制器6所输出的控制信号来驱动升降机构5。然后，升降机构5使试样台2(XY台3和AF台4)在Z方向上移动以改变试样台2和物镜15之间的相对距离。
操作器7具有键盘71和鼠标72。操作器7接收用户在进行硬度测试时所输入的操作。在从用户接收到预定的输入操作时，操作器7生成与该输入操作相关联的预定操作信号并且将该操作信号输出至控制器6。具体地，操作器7接收用户选择用以确定压痕的聚焦位置的条件的操作。操作器7还接收用户指定试样台2(升降机构5和AF台4)的移动范围(试样台2和物镜15之间的相对距离的范围)的操作。另外，操作器7接收用户输入在利用硬度测试仪100执行硬度测试时的测试条件值的操作。将所输入的测试条件值发送至控制器6。这里，测试条件值例如是诸如试样S的材料、由压头14a加载于试样S的测试力(N)或物镜15的倍率等的值。另外，操作器7接收用户选择手动确定压痕的聚焦位置的手动模式或自动进行该确定的自动模式的操作。此外，操作器7接收用户对执行硬度测试时的测试位置进行编程的操作。
监视器8例如是诸如LCD等的显示设备。监视器8显示操作器7上输入的硬度测试的设置、硬度测试的结果、以及CCD照相机12所拍摄到的试样S的表面和形成在该试样S的表面上的压痕的图像等。因而，监视器8用作本发明中的显示器。
如图4所示，控制器6包括CPU61、RAM62和存储器63。控制器6控制用于通过执行存储在存储器63中的预定程序来进行预定的硬度测试的操作。
CPU61检索存储器63中所存储的处理程序，然后将该处理程序载入RAM62并执行该处理程序。CPU61如此进行硬度测试仪100的整体控制。RAM62将CPU61所执行的处理程序载入RAM62内的程序存储区域，并且将输入数据和该处理程序的执行期间所生成的处理结果等存储在数据存储区域中。存储器63例如包括存储有程序和数据等的记录介质(图中未示出)。该记录介质包括半导体存储器等。存储器63存储各种数据、各种处理程序和通过运行这些程序所处理的数据，从而使得CPU61能够进行硬度测试仪100的整体控制。存储器63还预先存储用以缩小根据CCD照相机12所拍摄到的试样S的表面的图像数据所获得的图像的多个缩尺比。此外，存储器63预先存储用以缩小根据试样S的表面的图像数据所获得的图像的多个缩尺比的选择顺序。
以下参考图5的流程图来说明根据本实施例的硬度测试仪100的操作。首先，利用压头14a在试样S的表面中形成压痕(步骤S1：压痕形成)。具体地，首先，用户将硬度测试所用的试样S放置在试样台2的上表面上并且利用试样保持件2a将试样S放置在适当位置处。然后，CPU61使转台16转动以将压头柱14配置在与试样S相对的预定位置处。CPU61驱动负荷机构(图中未示出)，从而使压头柱14下降以利用压头柱14的前端上的压头14a在试样S的表面中形成压痕。因而，CPU61用作通过使压头14a压抵试样S的表面来在试样S的表面中形成压痕的压痕形成器。
随后，获得试样S的表面的图像数据(步骤S2：摄像控制)。具体地，首先，CPU61使转台16转动，以代替压头柱14而将物镜15配置在与试样S相对的预定位置处。然后，CPU61基于CCD照相机12经由物镜12所拍摄到的图像数据来使升降机构5和AF台4升降，从而聚焦于试样S的表面。CPU61使CCD照相机12对试样S的表面摄像并且获得试样S的表面的图像数据。因而，CPU61用作摄像控制器，其中该摄像控制器用于控制CCD照相机12以对试样S的表面摄像并且获得试样S的表面的图像数据。图6示出根据步骤S2中所拍摄到的试样S的表面的图像数据所获得的示例性图像G1。在图6中，K1表示形成在试样S的表面中的压痕区域。
随后，提取压痕区域(步骤S3：压痕区域提取)。具体地，CPU61基于步骤S2中所获得的试样S的表面的图像数据来提取形成在试样S的表面中的压痕区域K1。因而，CPU61用作压痕区域提取器，其中该压痕区域提取器用于基于摄像控制器所获得的试样S的表面的图像数据来提取形成在试样S的表面中的压痕区域K1。
更具体地，如图7的流程图所示，首先使图像G1旋转45°(步骤S31)。具体地，参考图8，CPU61使图5的步骤S2中所获得的图像G1(参考图6)旋转45°。
然后，判断针对所有缩尺比是否完成了模式匹配(步骤S32)。具体地，CPU61判断针对按存储在存储器63中的所有缩尺比缩小步骤S31中旋转了45°的图像G1所得的所有缩尺图像是否完成了模式匹配(参考步骤S34)。在判断为针对所有缩尺比完成了模式匹配的情况下(步骤S32中为“是”)，CPU61进入步骤S37。在判断为针对至少一个缩尺比没有完成模式匹配的情况下(步骤S32中为“否”)，CPU61进入步骤S33。
然后，生成缩小图像(步骤S33：缩小图像生成)。具体地，CPU61按从存储在存储器63内的多个缩尺比中所选择的缩尺比来缩小步骤S31中旋转了45°的图像G1，并且生成缩小图像G2。图9示出步骤S33中所生成的示例性缩小图像G2。步骤S33中所生成的缩小图像G2是按模式匹配没有完成的缩尺比缩小后的图像。因而，CPU61用作缩小图像生成器，其中该缩小图像生成器用于按从多个预定缩尺比中选择的缩尺比来缩小根据试样S的表面的图像数据所获得的图像G1，并且生成缩小图像G2。
随后，进行模式匹配(步骤S34：模式匹配)。具体地，CPU61对步骤S33中所生成的缩小图像G2进行模式匹配并且提取压痕区域K1。因而，CPU61用作模式匹配器，其中该模式匹配器用于对缩小图像生成器所生成的缩小图像G2进行模式匹配并且提取压痕区域K1。以下参考图10～13来说明采用归一化相关法的模式匹配。
在本实施例中，使用图10所示的扫描模型200来进行模式匹配。扫描模型200具有矩形形状，并且具有包括X方向上的28个像素×Y方向上的30个像素的840个像素。扫描模型200具有黑色区域201、白色区域202和灰色区域203。设置在大致中央部的黑色区域201对应于使与压头14a相对应的已知压痕形状旋转了45°所得的区域。白色区域202包围黑色区域201。灰色区域203设置在左端部的中央部。灰色区域203不用于进行模式匹配。黑色区域201包括行和列各自为20个像素的400个像素。灰色区域203包括行为20个像素且列为2个像素的40个像素。白色区域202包括作为从整个区域中减去黑色区域201和灰色区域203所得的余数的400个像素。换句话说，黑色区域201和白色区域202包括相等的像素数。因而，在将黑色区域201中所包括的各像素计数-1并且将白色区域202中所包括的各像素计数1的情况下，扫描模型200中所使用的像素的总和等于0。
在本实施例中，利用扫描模型200通过光栅扫描步骤S33中所生成的缩小图像G2(参考图9)来进行匹配。然而，如图11所示，在缩小图像G2周围没有形成图像的区域G3中不进行匹配。具体地，首先，如图12所示，将扫描模型200分割成五个区域R1～R5。将区域C分配为黑色区域201，而将其余区域A、B、D和E分配为白色区域202。可以通过表达式1来计算相关度m，其中：区域R1～R5的亮度值的总和分别为A～E；区域R1～R5的亮度值的平方和分别为A2～E2；1(黑色像素)或-1(白色像素)的像素数为N；并且A～E的总和为K。
m=(A+B+D+E–C)/sqrt(N)/sqrt(A2+B2+C2+D2+E2–K×K/N) ···(1)
在本实施例中，为了加速匹配，针对如图13所示的每列计算以下的六个表达式2～7，其中：从上端部起的四行的区域的亮度值的总和为U；从下端部起的四行的区域的亮度值的总和为DN；并且中间的20行的区域的亮度值的总和为Med。在表达式2～7中，“st”表示行开始编号，“st_r”表示列开始编号；并且“I[x][y]”表示坐标(x,y)的亮度值。
公式1
在表达式2～7的计算之后，使用根据表达式2～7所计算出的值来计算A～E和A2～E2。例如，可以通过表达式8和9来分别计算A和A2。在表达式8和9中，“st_r”表示列开始编号。
公式2
可以使用根据表达式2～7所计算出的值来计算其余的B～E和B2～E2。然后，将所计算出的A～E和A2～E2代入上述表达式1，由此可以计算扫描模型200的一个区域的相关度m。之后，通过光栅扫描来进行使扫描模型200在列方向上偏移了大致一个区域的匹配，然后计算相关度m。在该处理中，例如，可以在表达式10和11中分别计算A和A2。
A=A+U[st_r+30]－U[st_r]···(10)
A2=A2+U2[st_r+30]－U2[st_r]···(11)
可以以与上述相同的方式计算其余的B～E和B2～E2。之后，通过光栅扫描来以相同方式进行使扫描模型200在列方向上偏移了大致一个区域的匹配，然后计算相关度m。
在光栅扫描达到缩小图像G2的最右端的情况下，扫描模型200在行方向上偏移了大致一个区域，并且移动至开始列、具体为缩小图像G2的最左端。与该移动相关联地，重新计算上述的表达式2～7。例如，可以通过表达式12和13来分别计算U和U2。
U[i]=U[i]+I[st+4][i]－I[st][i]···(12)
U2[i]=U2[i]+I[st+4][i]×I[st+4][i]－I[st][i]×I[st][i]···(13)
还可以以与上述相同的方式计算其余的Med、Med2、DN和DN2。然后，使用重新计算出的U、U2、Med、Med2、DN和DN2来计算A～E和A2～E2，并且计算相关度m。在缩小图像G2的所有区域中计算出相关度m之后，模式匹配结束并且该处理进入下一步骤S35。
随后，在图7的步骤S35中，判断最大相关度是否等于或大于阈值(步骤S35)。具体地，CPU61判断通过步骤S34的模式匹配所计算出的最大相关度是否等于或大于预定阈值。预定阈值可以是任何值，只要该值表示与压痕区域K1的相关性即可。在判断为最大相关度等于或大于阈值的情况下(步骤S35中为“是”)，CPU61判断为步骤S33中所生成的缩小图像G2包括压痕区域K1，并且获得表示该最大相关度的坐标值和缩小图像G2的缩尺比(步骤S36)。然后，CPU61基于步骤S36中所获得的最大相关度的坐标值和缩尺比来提取压痕区域K1，结束图7的压痕区域提取，并且进入图5的步骤S4。另一方面，在判断为最大相关度小于阈值的情况下(步骤S35中为“否”)，CPU61进入步骤S32并且判断是否针对所有的缩尺比完成了模式匹配。因而，作为模式匹配器的CPU61基于通过利用包括与压头14a相对应的压痕形状(黑色区域201)的扫描模型200扫描缩小图像G2所计算出的相关度m来提取压痕区域K1。此外，作为模式匹配器的CPU61通过扫描按预定顺序的缩尺比缩小后的缩小图像G2来计算相关度m。在判断为所计算出的相关度m中的最大相关度等于或大于预定阈值的情况下(步骤S35中为“是”)，CPU61提取示出该最大相关度的区域作为压痕区域K1。
在判断为针对所有的缩尺比完成了模式匹配的情况下(步骤S32中为“是”)，CPU61获得最大相关度的坐标值和缩尺比(步骤S37)。具体地，CPU61判断为包括通过针对所有缩尺比的模式匹配所计算出的所有相关度中的最大相关度的缩小图像G2包括压痕区域K1，并且CPU61获得示出该最大相关度的坐标值和缩小图像G2的缩尺比。然后，CPU61基于步骤S37中所获得的最大相关度的坐标值和缩尺比来提取压痕区域K1，结束图7的压痕区域提取，然后进入图5的步骤S4。因而，用作模式匹配器的CPU61提取示出通过扫描按所有缩尺比缩小后的所有缩小图像G2所计算出的所有相关度m中的最大相关度的区域作为压痕区域K1。
随后，在图5的步骤S4中，进行压痕区域分析(步骤S4)。具体地，CPU61对通过步骤S3的压痕区域提取所提取出的压痕区域K1执行包括二值化的分析处理，然后提取用以测量压痕的尺寸的压痕测量所用的顶点。分析处理的具体方法可以利用公知技术。因此，省略了针对该方法的详细说明。随后，计算试样S的硬度(步骤S5：硬度计算)。具体地，CPU61参考步骤S4中所提取出的压痕测量所用的顶点的坐标值来测量压痕的对角线长度，然后基于所测量到的对角线长度来计算试样S的硬度。因而，CPU61用作硬度计算器，其中该硬度计算器用于基于压痕区域提取器所提取出的压痕区域K1来计算试样S的硬度。
随后，显示试样S的硬度(步骤S6)。具体地，CPU61控制监视器8以显示步骤S5中所计算出的试样S的硬度。因而，CPU61用作显示控制器，其中该显示控制器用于将硬度计算器所计算出的试样S的硬度显示在监视器8上。
如上所述，根据本实施例的硬度测试仪100用作压痕形成器(CPU61)、摄像控制器(CPU61)、压痕区域提取器(CPU61)和硬度计算器(CPU61)。压痕形成器通过使压头14a压抵试样S的表面来在试样S的表面中形成压痕。摄像控制器控制摄像器(CCD照相机12)以对试样S的表面摄像，并且获得试样S的表面的图像数据。压痕区域提取器基于摄像控制器所获得的试样S的表面的图像数据来提取形成在试样S的表面中的压痕区域K1。硬度计算器基于压痕区域提取器所提取出的压痕区域K1来计算试样S的硬度。此外，压痕区域提取器具有缩小图像生成器(CPU61)和模式匹配器(CPU61)。缩小图像生成器按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据试样S的表面的图像数据所获得的图像G1，并且生成缩小图像G2。模式匹配器对缩小图像生成器所生成的缩小图像G2进行模式匹配并且提取压痕区域K1。因而，根据本实施例的硬度测试仪100在提取压痕区域K1时无需进行二值化，由此能够在不会受到亮度变化或污染影响的情况下正确地提取压痕区域K1。此外，模式匹配加速了压痕区域K1的提取。
特别地，根据本实施例的硬度测试仪100，模式匹配器基于通过利用包括与压头14a相对应的压痕形状的模型(扫描模型200)扫描缩小图像G2所计算出的相关度m，来提取压痕区域K1。这样使得能够进行缩小图像G2的高速扫描，由此加速了压痕区域K1的提取。
此外，根据本实施例的硬度测试仪100，模式匹配器通过扫描按预定顺序的缩尺比缩小后的缩小图像G2来计算相关度m。在判断为所计算出的相关度m中的最大相关度等于或大于预定阈值的情况下，模式匹配器提取示出该最大相关度的区域作为压痕区域K1。这样使得能够在无需扫描所有缩小图像G2的情况下提取出与对应于压头14a的压痕形状具有相关性的区域作为压痕区域K1，由此缩短了处理时间。
此外，根据本实施例的硬度测试仪100，模式匹配器提取示出通过扫描按所有缩尺比缩小后的所有缩小图像G2所计算出的所有相关度m中的最大相关度的区域作为压痕区域K1。这样使得能够提取出与对应于压头14a的压痕形状的相关度最高的区域，由此实现了压痕区域K1的正确提取。
基于根据本发明的实施例给出了具体说明。然而，本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离本发明的实质的范围内进行修改。
例如，在上述实施例中，在进行了模式匹配(图7的步骤S34)之后，判断所计算出的最大相关度是否等于或大于阈值(步骤S35)。在判断为最大相关度等于或大于阈值的情况下(步骤S35中为“是”)，获得示出最大相关度的坐标值和缩小图像G2的缩尺比(步骤S36)。然而，本发明不限于此。在模式匹配之后，例如，该处理可以在无需进行步骤S35的判断的情况下进入步骤S32，以判断是否针对所有缩尺比完成了模式匹配。在这种情况下，在通过针对所有缩尺比的模式匹配所计算出的所有相关度中，始终判断为包括最大相关度的缩小图像G2包括压痕区域K1，并且获得示出最大相关度的坐标值和缩小图像G2的缩尺比。
此外，在上述实施例中，采用归一化相关法来说明模式匹配。然而，本发明不限于此。例如，可以利用几何匹配或广义霍夫(Hough)变换替代归一化相关法来进行模式匹配。
在上述实施例中，将所计算出的试样S的硬度显示在监视器8上(图5的步骤S6)以向用户通知该硬度。然而，本发明不限于此。例如，代替监视器8上的显示，可以设置能够输出音频的扬声器以从该扬声器输出音频。可选地，可以与监视器8上的显示同时从扬声器输出音频。
此外，在上述实施例中，说明了维氏硬度测试仪以例示硬度测试仪100。然而，本发明不限于此。本发明可以应用于具有已知形状的压头的任何硬度测试仪。例如，本发明还可以应用于具有偏菱形锥体金刚石压头的努氏(Knoop)硬度测试仪。
另外，在没有背离本发明的实质的范围内，还可以对构成硬度测试仪100的各组件的详细结构和操作进行适当修改。
注意，上述示例仅是为了说明的目的而提供的，并且决没有被构造成对本发明进行限制。尽管已参考典型实施例说明了本发明，但应当理解，这里已使用的词语是用于描述和说明的词语，而不是用于进行限制的词语。在没有背离本发明的各方面的精神和范围的情况下，可以在如当前陈述和修改的权利要求书的界限内进行改变。尽管这里已参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但本发明并不意图局限于这里所公开的细节；相反，本发明扩展至诸如在所附权利要求书的范围内等的在功能上等同的所有结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月28日提交的日本专利申请2013-067828的优先权，在此通过引用明确包含其全部内容。

Claims (6)

1.一种硬度测试仪，用于通过利用压头向试样的表面施加预定测试力以形成压痕、并且测量所述压痕的尺寸，来测量所述试样的硬度，所述硬度测试仪包括：
压痕形成器，用于通过使所述压头压抵所述试样的表面，在所述试样的表面中形成所述压痕；
摄像控制器，用于控制摄像器以对所述试样的表面进行摄像并且获得所述试样的表面的图像数据；
压痕区域提取器，用于基于所述摄像控制器所获得的所述试样的表面的图像数据来提取形成在所述试样的表面中的压痕区域，所述压痕区域提取器包括：
缩小图像生成器，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据所述试样的表面的图像数据所获得的图像，其中所述缩小图像生成器进一步生成缩小图像；以及
模式匹配器，用于对所述缩小图像生成器所生成的所述缩小图像进行模式匹配，其中所述模式匹配器进一步提取所述压痕区域；以及
硬度计算器，用于基于所述压痕区域提取器所提取出的所述压痕区域来计算所述试样的硬度，
其中，所述模式匹配器进一步基于通过利用包括与所述压头相对应的压痕形状的模型来扫描所述缩小图像所计算出的相关度，来提取所述压痕区域，
其中，所述模式匹配器进一步进行以下操作：
通过扫描按预定顺序的缩尺比缩小后的缩小图像，来计算所述相关度；以及
在判断为所计算出的相关度中的最大相关度等于或大于预定阈值的情况下，提取示出所述最大相关度的区域作为所述压痕区域，
其中，所述模型具有矩形形状，并具有黑色区域、白色区域和灰色区域，其中所述黑色区域设置在大致中央部，对应于使与所述压头相对应的压痕形状旋转了45°所得的区域；所述白色区域包围所述黑色区域，并包括与所述黑色区域相等的像素数；所述灰色区域设置在左端部的中央部，不用于进行模式匹配，
所述模式匹配器通过进行以下操作来计算所述相关度：
按照所述模型将所述缩小图像的一个区域分割成五个区域R1～R5，其中区域R3分配为与所述模型的黑色区域相对应，区域R1、R2、R4和R5分配为与所述模型的白色区域相对应；以及
通过表达式( 1) 来计算所述缩小图像的一个区域的相关度：m＝[(A+B+D+E–C)/sqrt(N)]/sqrt(A2+B2+C2+D2+E2–K×K/N)···(1)，
其中，m表示所述相关度，A～E分别表示所述区域R1～R5的亮度值的总和；A2～E2分别表示所述区域R1～R5的亮度值的平方和；N表示所述黑色区域和所述白色区域各自包括的像素数；K表示所述A～E的总和。
2.根据权利要求1所述的硬度测试仪，其中，还包括显示控制器，所述显示控制器用于将所述硬度计算器所计算出的所述试样的硬度显示在显示器上。
3.一种硬度测试仪，用于通过利用压头向试样的表面施加预定测试力以形成压痕、并且测量所述压痕的尺寸，来测量所述试样的硬度，所述硬度测试仪包括：
压痕形成器，用于通过使所述压头压抵所述试样的表面，在所述试样的表面中形成所述压痕；
摄像控制器，用于控制摄像器以对所述试样的表面进行摄像并且获得所述试样的表面的图像数据；
压痕区域提取器，用于基于所述摄像控制器所获得的所述试样的表面的图像数据来提取形成在所述试样的表面中的压痕区域，所述压痕区域提取器包括：
缩小图像生成器，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据所述试样的表面的图像数据所获得的图像，其中所述缩小图像生成器进一步生成缩小图像；以及
模式匹配器，用于对所述缩小图像生成器所生成的所述缩小图像进行模式匹配，其中所述模式匹配器进一步提取所述压痕区域；以及
硬度计算器，用于基于所述压痕区域提取器所提取出的所述压痕区域来计算所述试样的硬度，
其中，所述模式匹配器进一步基于通过利用包括与所述压头相对应的压痕形状的模型来扫描所述缩小图像所计算出的相关度，来提取所述压痕区域，
其中，所述模式匹配器进一步提取示出通过扫描按所有缩尺比缩小后的所有缩小图像所计算出的所有相关度中的最大相关度的区域，作为所述压痕区域，
其中，所述模型具有矩形形状，并具有黑色区域、白色区域和灰色区域，其中所述黑色区域设置在大致中央部，对应于使与所述压头相对应的压痕形状旋转了45°所得的区域；所述白色区域包围所述黑色区域，并包括与所述黑色区域相等的像素数；所述灰色区域设置在左端部的中央部，不用于进行模式匹配，
所述模式匹配器通过进行以下操作来计算所述相关度：
按照所述模型将所述缩小图像的一个区域分割成五个区域R1～R5，其中区域R3分配为与所述模型的黑色区域相对应，区域R1、R2、R4和R5分配为与所述模型的白色区域相对应；以及
通过表达式( 1) 来计算所述缩小图像的一个区域的相关度：m＝[(A+B+D+E–C)/sqrt(N)]/sqrt(A2+B2+C2+D2+E2–K×K/N)···(1)，
其中，m表示所述相关度，A～E分别表示所述区域R1～R5的亮度值的总和；A2～E2分别表示所述区域R1～R5的亮度值的平方和；N表示所述黑色区域和所述白色区域各自包括的像素数；K表示所述A～E的总和。
4.根据权利要求3所述的硬度测试仪，其中，还包括显示控制器，所述显示控制器用于将所述硬度计算器所计算出的所述试样的硬度显示在显示器上。
5.一种硬度测试方法，用于利用硬度测试仪，通过利用压头向试样的表面施加预定测试力以形成压痕、并且测量所述压痕的尺寸，来测量硬度，所述硬度测试方法包括以下步骤：
通过使所述压头压抵所述试样的表面，在所述试样的表面中形成所述压痕；
摄像控制步骤，用于控制摄像器以对所述试样的表面进行摄像并且获得所述试样的表面的图像数据；
压痕区域提取步骤，用于基于所述摄像控制步骤中所获得的所述试样的表面的图像数据来提取形成在所述试样的表面中的压痕区域，其中所述压痕区域提取步骤包括：
缩小图像生成步骤，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据所述试样的表面的图像数据所获得的图像，并且生成缩小图像；以及
模式匹配步骤，用于对所述缩小图像生成步骤中所生成的所述缩小图像进行模式匹配，并且提取所述压痕区域；以及
基于所述压痕区域提取步骤中所提取出的所述压痕区域来计算所述试样的硬度，
其中，所述模式匹配步骤进一步基于通过利用包括与所述压头相对应的压痕形状的模型来扫描所述缩小图像所计算出的相关度，来提取所述压痕区域，
其中，所述模式匹配步骤进一步进行以下操作：
通过扫描按预定顺序的缩尺比缩小后的缩小图像，来计算所述相关度；以及
在判断为所计算出的相关度中的最大相关度等于或大于预定阈值的情况下，提取示出所述最大相关度的区域作为所述压痕区域，
其中，所述模型具有矩形形状，并具有黑色区域、白色区域和灰色区域，其中所述黑色区域设置在大致中央部，对应于使与所述压头相对应的压痕形状旋转了45°所得的区域；所述白色区域包围所述黑色区域，并包括与所述黑色区域相等的像素数；所述灰色区域设置在左端部的中央部，不用于进行模式匹配，
所述模式匹配步骤通过进行以下操作来计算所述相关度：
按照所述模型将所述缩小图像的一个区域分割成五个区域R1～R5，其中区域R3分配为与所述模型的黑色区域相对应，区域R1、R2、R4和R5分配为与所述模型的白色区域相对应；以及
通过表达式( 1) 来计算所述缩小图像的一个区域的相关度：m＝[(A+B+D+E–C)/sqrt(N)]/sqrt(A2+B2+C2+D2+E2–K×K/N)···(1)，
其中，m表示所述相关度，A～E分别表示所述区域R1～R5的亮度值的总和；A2～E2分别表示所述区域R1～R5的亮度值的平方和；N表示所述黑色区域和所述白色区域各自包括的像素数；K表示所述A～E的总和。
6.一种硬度测试方法，用于利用硬度测试仪，通过利用压头向试样的表面施加预定测试力以形成压痕、并且测量所述压痕的尺寸，来测量硬度，所述硬度测试方法包括以下步骤：
通过使所述压头压抵所述试样的表面，在所述试样的表面中形成所述压痕；
摄像控制步骤，用于控制摄像器以对所述试样的表面进行摄像并且获得所述试样的表面的图像数据；
压痕区域提取步骤，用于基于所述摄像控制步骤中所获得的所述试样的表面的图像数据来提取形成在所述试样的表面中的压痕区域，其中所述压痕区域提取步骤包括：
缩小图像生成步骤，用于按从多个预定缩尺比中所选择的缩尺比来缩小根据所述试样的表面的图像数据所获得的图像，并且生成缩小图像；以及
模式匹配步骤，用于对所述缩小图像生成步骤中所生成的所述缩小图像进行模式匹配，并且提取所述压痕区域；以及
基于所述压痕区域提取步骤中所提取出的所述压痕区域来计算所述试样的硬度，
其中，所述模式匹配步骤进一步基于通过利用包括与所述压头相对应的压痕形状的模型来扫描所述缩小图像所计算出的相关度，来提取所述压痕区域，
其中，所述模式匹配步骤进一步提取示出通过扫描按所有缩尺比缩小后的所有缩小图像所计算出的所有相关度中的最大相关度的区域，作为所述压痕区域，
其中，所述模型具有矩形形状，并具有黑色区域、白色区域和灰色区域，其中所述黑色区域设置在大致中央部，对应于使与所述压头相对应的压痕形状旋转了45°所得的区域；所述白色区域包围所述黑色区域，并包括与所述黑色区域相等的像素数；所述灰色区域设置在左端部的中央部，不用于进行模式匹配，
所述模式匹配步骤通过进行以下操作来计算所述相关度：
按照所述模型将所述缩小图像的一个区域分割成五个区域R1～R5，其中区域R3分配为与所述模型的黑色区域相对应，区域R1、R2、R4和R5分配为与所述模型的白色区域相对应；以及
通过表达式( 1) 来计算所述缩小图像的一个区域的相关度：m＝[(A+B+D+E–C)/sqrt(N)]/sqrt(A2+B2+C2+D2+E2–K×K/N)···(1)，
其中，m表示所述相关度，A～E分别表示所述区域R1～R5的亮度值的总和；A2～E2分别表示所述区域R1～R5的亮度值的平方和；N表示所述黑色区域和所述白色区域各自包括的像素数；K表示所述A～E的总和。
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