CN104931397A - 基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置及方法，其装置中成像模块和吸附模块设置在透光片的同一侧，透光片设置在流道上表面，透光片位于成像模块的光路中心、吸附模块通电后所产生磁场中，吸附模块将颗粒吸附到透光片下方；成像模块设有用于调节焦距以获得不同焦平面图像的调焦机构；图片处理模块对不同焦平面图像通过不同的差分算子及小波图像处理划分焦平面范围，采用形态学处理方法测量磁性颗粒的三维表面，并通过布尔代数运算，将不同的焦平面图像叠加重构成一幅新的颗粒图像。本发明通过吸附模块将颗粒吸附于同一平面上，获得不同焦平面的图像以进行合成处理，生成清晰、稳定的三维数字颗粒图像。

Description

基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置及方法

技术领域

本发明涉及通过检测流体中磁性颗粒来分析判断机械设备运行状态的技术，具体涉及基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置及方法。

背景技术

一般而言，用于在线监测分析判断设备润滑磨损状态的常用技术是铁谱油液监测技术。铁谱油液监测技术出现于20世纪70年代，通过对在用润滑油中的铁磁性颗粒进行沉积和分析，监测设备的运行状态与磨损趋势，判断磨损机理，实现装备早期故障预防，减少故障损失，具有性能稳定、可靠、抗干扰能力强等优点。

铁谱油液监测技术分为离线铁谱监测技术和在线铁谱监测技术。离线铁谱监测技术是一种非实时监测方式，需要将设备润滑油送到实验室，使用分析铁谱仪制成谱片后在铁谱显微镜下人工分析，或使用直读铁谱仪获取有序沉积颗粒的特征数值，油液耗损量大，油液取样过程控制严格，代表性油液获取难度大，分析周期长，各环节受到人的影响因素多，分析结果实时性、客观性和准确性难以保证。现有的在线铁谱仪会出现严重的颗粒堆积，很难判断出颗粒的大小，只能大概地根据遮光的阴影面积进行分析；在获取到颗粒后需停油进行观察，且隔着空气及厚薄不一的油膜折射，会改变颗粒的外观成像，使颗粒的颜色及纹理不能清晰地成像在成像器件上；而且调焦不方便，使得颗粒成像容易出现模糊。

为了获得更清晰的颗粒图像，国外目前采用的是基于显微镜的三维表面数据采集。主要应用的设备有原子力显微镜、激光共焦扫描显微镜等。虽然这些器件使得测量的精度得到了提高，但是其本身成本也高，而且在故障诊断的工程中应用较困难，受到观察环境和相关配件的限制大，从而影响表面数据的采集以及后续的合成处理、分析。

发明内容

本发明为了解决现有技术所存在的技术问题，设计了基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置及方法，其特点在于通过吸附模块将颗粒吸附于同一平面上，获得不同焦平面的图像以进行合成处理，生成清晰、稳定的三维数字颗粒图像。

本发明生成装置采用如下技术方案来实现：基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置，包括成像模块、吸附模块、图片处理模块及透光片，图片处理模块与成像模块连接；成像模块和吸附模块设置在透光片的同一侧，透光片设置在流道上表面，透光片位于成像模块的光路中心；透光片位于吸附模块通电后所产生的磁场中，吸附模块将磁性颗粒吸附到透光片下方；成像模块设有用于调节焦距以获得不同焦平面图像的调焦机构；

所述图片处理模将不同焦平面图像合成处理为三维数字颗粒图像：将不同焦平面图像通过不同的差分算子及小波图像处理划分焦平面范围，采用形态学处理方法测量磁性颗粒的三维表面，并通过布尔代数运算，将不同的焦平面图像叠加重构成一幅新的颗粒图像。

本发明生成方法采用如下技术方案来实现：基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成方法，包括以下步骤：

S1、吸附模块通电后产生磁场，将流道中的磁性颗粒吸附到透片片下方；

S2、调焦机构进行有序的焦距调节，成像模块对磁性颗粒进行连续拍摄以获得不同焦平面的图像；

S3、图片处理模块对每幅不同焦平面的图像进行图像处理，然后将不同焦平面的颗粒图像进行合成处理，并重构磁性颗粒的三维图像。

步骤S3中合成处理过程为：通过差分算子处理得到焦平面内的高频信号，将高频信号产生的部分作为焦平面内的区域，通过拉普拉斯调和算子滤波，得到更加清晰明确的图像，然后进行卷积积分；将卷积的结果通过阈值处理及二值化处理，得到焦平面二值图；

对焦平面二值图采用形态学处理方法进行图像分割、特征抽取、边缘检测、图像滤波、图像增强和恢复处理，将磁性颗粒表面纹理合成以扩展焦平面，测量磁性颗粒的三维表面；

将后一张卷积二值化处理后的图像B_i+1和后一帧彩色图像A_i+1进行矩阵乘法运算，得到这个焦平面范围内的图像纹理D_i+1，将后一张卷积二值化处理后的图像B_i+1的形态学处理结果B^c _i+1跟基础图像A_i进行矩阵乘法计算得到新的焦平面范围内的图像纹理D_i，图像纹理D_i+1与图像纹理D_i叠加得到新的纹理图K，再将新的纹理图K作为下一个叠加运算的基础图A_i；如此循环直至将不同焦平面的图像纹理都叠加到一幅图像上。

所述将磁性颗粒表面纹理合成以扩展焦平面的过程为：运用图像处理方法，对同一位置连续拍摄的不同焦平面图片进行物体表面信息重构，去掉焦平面以外的全焦平面图片，并将焦平面内的部分图片进行叠加，得到颗粒分布图片。

所述测量磁性颗粒的三维表面的过程为：在不同焦平面图片的竖直方向，对相同坐标不同焦平面的图片进行重构，得到反映该点全部表面信息及背景信息的全焦平面图片；采用不同梯度算子或小波算子对全焦平面图片进行卷积及阈值二值化处理，得到聚焦范围。

本发明可在线或离线使用，吸附模块通电后产生磁力，吸引油道中的磁性金属颗粒沉积在透光片下方油道的同一平面上，可实现稳定的磁性金属颗粒三维成像；经过有序调节焦距后，成像器件获取油道中透光片下的不同焦平面的磁性金属颗粒图像，再通过合成运算，重构磁性金属颗粒的三维数字图像。与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：

1、根据观察颗粒的大小可使用不同景深的透镜组，使得油道原有背景采集效果均一，不会干扰到颗粒成像，被吸附到透光片下的磁性颗粒可不需要停止油液的流动进行观察；运动中的油液可实现油液与颗粒的相对稳定性，可避免磁性颗粒的扎堆沉积。

2、基于励磁吸附原理，通过控制吸附模块的电流，实现油液中金属颗粒的吸附或释放。油液中磁性金属颗粒在磁力的作用下，克服重力作用被向上吸附到透光片下方油道内壁上，而非磁性金属颗粒则停留在油液中，从而滤掉非磁性金属颗粒，在沉积面上得到纯净的磁性金属颗粒。

3、被吸附的颗粒沉积在透光片下方油道内壁的同一平面，颗粒成像时能有效避免油液或空气的隔离，从而更加清晰地检测颗粒的大小、颜色以及纹理。

4、能获得油液中磁性金属颗粒在不同焦平面的图像数据，再将不同焦平面的图像合成处理，生成磁性金属颗粒的三维数字图像，以便对颗粒的形态等进行观察，并据此分析判断出设备的运行状态。其中，不同焦平面的三维图像可通过方便操作、稳定紧凑的调焦机构来获得。

5、控制流体的运动速度及励磁磁力的大小，可获得不同尺寸大小的磁性颗粒。油道入口较大，在加油泵或不加泵情况下也能使油液顺利通过。

附图说明

图1是根据本发明一种实施例的结构示意图；

图2是根据本发明另一种实施例的结构示意图；

图3是根据本发明的调焦机构示意图；

图4是本发明中合成不同焦平面的示意图；

图5是图像叠加过程的示意图。

其中，1为成像器件、2为调焦机构、3为反射光源、4为缠绕在铁芯架上的电感线圈、5为吸附部件、6为透光片、7为流道。

A_i是基础图像；A_i+1是后一张彩色图像；B_i是卷积二值化处理后的图像；B_i+1是后一张卷积二值化处理后的图像；B^c _i+1是经过形态学处理过的图像；D_i、D_i+1是各焦平面范围内的图像纹理；K是D_i和D_i+1叠加后的纹理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

图1示意了本发明的一种实施例，包括成像模块、吸附模块、图片处理模块及透光片6，图片处理模块与成像模块连接。成像模块包括成像器件1、滤光片、透镜组、调焦机构2及反射光源3，成像器件1、滤光片和透镜组依次连接，滤光片设置在透镜组的上方，成像器件1位于滤光片的上方，调焦机构2设置在透镜组上，反射光源3位于透镜组下方。透镜组包括一片或多片透镜，以实现颗粒图像的放大，滤光片实现颜色的过滤。吸附模块包括铁芯架、吸附部件5及缠绕在铁芯架上的电感线圈4。

成像模块和吸附模块设置在透光片6的同一侧，透光片6设置在流道7上表面，吸附部件5紧贴固定在透光片6的上表面，吸附部件5将磁性颗粒吸附到透光片6下方油道内壁的同一平面。在本实施例中，吸附部件设有两组，均固定在透光片的上表面，两组吸附部件均紧贴透光片；相应地，铁芯架也设有两组，吸附部件与两组铁芯架一一对应连接，铁芯架上均缠绕有电感线圈。透镜组的光路中心对准两组吸附部件之间的中心位置及成像器件1的中心位置，反射光源3的光线照射到透光片6上。

两组吸附部件5以成像模块的光路中心为对称轴，对称设置在透光片上。两组吸附部件倾斜设置在透光片上表面，一组吸附部件与透光片之间的夹角为锐角，相应地另一组吸附部件与透光片之间的夹角为钝角。两组吸附部件之间的距离可以设置为0.1mm-4mm；而成像区域在4*4mm的方形范围内，面积较小，不影响光线的传播。而透光片在可见光范围内，透光率可达90％以上；透光片的厚度为0.2-3mm，尽可能薄，可选取0.5mm的厚度。

吸附部件及铁芯架设置两组并不是本发明的必要技术特征，即吸附部件及铁芯架的数量，并不构成对本发明技术方案的限定。实质上，本发明只是要求吸附部件5与绕有电感线圈4的铁芯架连接，透光片6位于电感线圈4通电后所产生的磁场中，从而使磁性颗粒有效地被吸附到透光片下方，便于成像模块获取颗粒的图像。且两组吸附部件之间的中心位置与反射光源、透镜组和成像器件中心在同一光路上。

图3是调焦机构的示意图，调焦机构可以有许多种调焦方式供选择，可选用螺纹传动机构、蜗轮蜗杆机构、丝杠螺纹机构或凸轮传动机构等。调焦机构的动力源可以是减速步进电机、直线电机或者带编码器的减速电机；调焦机构选用减速步进电机作为动力源是最优选择，减速步进电机通过控制透镜组的高度，即可调节透镜组和透光片的距离，可实现焦距的平稳调节，以获得不同焦平面的颗粒图像。图3(a)示意了螺纹传动机构，图3(b)示意了涡轮蜗杆机构，图3(c)示意了直线电机传动机构。调焦机构2的作用是对成像模块的焦距进行调节，在调节完毕后将透镜组进行固定，在获取图像时拍摄静态图像。如在使用过程中受到环境因素影响而出现微小的焦距移动，可对调焦机构进行微调。调焦机构2可以调节透镜组的位置，从而改变透镜组与油液流道7之间的距离，以及透镜组与成像器件1之间的距离；调节调焦机构2还可以改变油液流道7与透镜组之间的距离，以及油液流道7与成像器件1之间的距离；调焦机构2还可以调节透镜组和成像器件1的位置，从而改变透镜组和成像器件1与油液流道7之间的距离。

本发明装置可借助上位机、下位机实现相关部件的控制：上位机与图片处理模块连接，上位机输出控制信号至下位机，下位机控制设置在流道中油泵的流速、反射光源的亮度及电感线圈电流的大小，成像后由图片处理模块对不同焦平面的图片进行合成处理，上位机获取图片处理模块合成后的图像信息；通过下位机控制油泵以增加流速且减小电感线圈的电流，将被吸附的颗粒冲回到油道中，循环此操作。流道7通入透光性较弱的润滑油时，可选择停止供油，通入循环气体，将油道中的油液冲走，从而使吸附的颗粒补光更加充分。

在本实施例中，三维数字图像生成方法首先利用电感线圈4通电后使与铁芯架连接的吸附部件5产生磁力，将经过流道7的润滑油颗粒吸附到透光片6下方。成像器件1实时监测颗粒的吸附情况，颗粒吸附到一定程度时，开始对颗粒进行高速的连续拍摄，高速拍摄的速度约为300fps。在连续拍摄过程中，透镜组在减速步进电机控制下进行有序的焦距调节，从而获得不同高度的焦平面。在获取不同焦平面的颗粒图像后，对每幅图像进行图像处理，然后将不同焦平面的颗粒图像进行合成处理，并重构颗粒的三维图像。通过对该三维图像的观察、判断与分析，得出对颗粒、油液和整个机械运作的诊断结果。

不同焦平面图像的获得过程为：在透光片平面所拍摄的图片为第一帧颗粒图片，然后在减速步进电机的控制下，透镜组每向下或向上移动1μm，成像器件拍摄一帧图片，拍摄500至1500帧后焦平面图像的获取结束。

图片处理模块主要包括DSP芯片，对三维数字颗粒图像的合成过程如下：主要采用焦平面成像原理，通过不同的差分算子及小波图像处理划分焦平面范围，采用形态学处理方法测量颗粒的三维表面，并通过布尔代数运算，将不同的焦平面图像叠加重构成一幅新的颗粒图像。

由瑞利判据(Rayleigh Criterion)可知，获得清晰图像的采集范围是有限的，而颗粒表面的粗糙不平导致了物体表面有些区域在焦平面内，有些则不在。在焦平面范围内，图像的亮度变化会比较大，在焦平面外的亮度变化比较小。所以在信号的层面上，在焦平面的范围内，高频信号变化幅值比较强；在焦平面外，高频信号变化幅值比较弱。通过差分算子(例如滤波算子)处理，可以将高频信号变化幅值比较大的信号过滤出来，得到焦平面内的高频信号。将高频信号产生的部分作为焦平面内的区域，通过拉普拉斯调和算子(Laplacian)滤波，得到更加清晰明确的图像，然后进行卷积积分；还可以将卷积的结果通过阈值处理，再经过二值化处理，得到焦平面范围内的二值图。二值化处理优选小波处理，对不同的差分算子处理结果进行优化叠加，可以得到更好的二值图。

得到焦平面二值图之后，经过由四个基本运算的代数运算子组成的形态学处理方法，根据实际图像处理需求，来实现图像分割、特征抽取、边缘检测、图像滤波、图像增强和恢复等，将颗粒表面纹理合成以扩展焦平面，那些不能检测到的焦平面也可以得到较好的处理，从而将整个三维表面测量出来，以获取大颗粒的颗粒立体特征。

因为在不同焦平面图片中，所得到的清晰颗粒表面位置是不同的，每幅图片只能显示在焦平面范围内的部分颗粒，且每幅图片彼此孤立，不利于对颗粒进行全面观察。通过将不同焦平面的图像进行叠加，可以在一幅图像中清晰地观察到全部的颗粒表面。将颗粒表面纹理合成以扩展焦平面的过程主要是：运用图像处理方法，对同一位置连续拍摄的不同载物高度下的序列图片(即不同焦平面的图片)进行物体表面信息重构，去掉焦平面以外的全焦平面图片，并将焦平面内的部分图片进行叠加，可以得到颗粒分布图片。

由于每帧图像有不同的焦平面区域，并且每帧图像也代表不同的高度信息，某一焦平面区域代表该区域的高度信息，利用这一属性，可以进行三维表面信息测量。测量三维表面的过程主要是：在不同焦平面图片的竖直方向，对相同坐标不同焦平面的图片进行重构，得到可以反映该点全部表面信息及背景信息的全焦平面图片。而采用不同梯度算子或小波算子对全焦平面图片进行卷积及阈值二值化处理，则可以得到聚焦范围。

成像器件采集下来的图像信息通过上述焦平面成像原理建立二值图，通过对后一张卷积二值化处理后的图像B_i+1和后一帧彩色图像A_i+1进行矩阵乘法运算，得到这个焦平面范围内的图像纹理D_i+1，通过对后一张卷积二值化处理后的图像B_i+1的形态学处理结果B^c _i+1跟基础图像A_i进行矩阵乘法计算得到新的焦平面范围内的图像纹理D_i，两个焦平面范围内的图像纹理叠加得到新的纹理图K，而新的纹理图K则将作为下一个叠加运算的基础图像A_i。通过如此不断循环，将不同焦平面的图像纹理都叠加到一幅图像上，如图4、图5所示。

实施例2

附图2示意了本发明的另一种实施例，与附图1所示实施例相比，主要是增加了一组成像模块及透光片。所增加的这组成像模块及透光片与实施例1中的那一组成像模块及透光片，以流道7为对称轴，上下相对称；成像模块与实施例一样，也是包括成像器件1、调焦机构2、透镜组、反射光源3及滤光片。

在本实施例中，位于流道7上、下方的调焦机构2可以同时调节。两组吸附部件5之间的中心位置与反射光源3、调焦机构2、成像器件1的中心在同一光路上；成像器件1和透镜组的光路中心均经过两组吸附部件之间的中心位置。电感线圈4通电后使吸附部件5产生磁力，将经过流道7的润滑油颗粒吸附到透光片6下方。成像器件实时监测颗粒的吸附情况，颗粒吸附到一定程度时，开始对颗粒进行高速的连续拍摄。在连续拍摄过程中，透镜组在减速步进电机控制下进行有序的焦距调节，从而获得不同高度的焦平面图像。因为有上下对称的调焦机构2，于是在减速步进电机的控制下，可以实现两个调焦机构同时进行焦距调节，获得更精确、更稳定的三维数字颗粒图像。

在获取不同焦平面的三维数字颗粒图像后，本实施例采用与实施例1相同的技术手段，将所获得的不同焦平面图像进行合成处理，通过布尔代数运算，重构颗粒的三维图像；再通过对该三维图像的观察、判断与分析，得出对颗粒、油液和整个机械设备运作的诊断结果。

上述实施例为本发明的一部分实施方式，但本发明的实施方式并不限定于此，从事该领域的技术人员在未背离本发明精神和原则下所做的任何组合、替换、修改、改进，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成装置，其特征在于，包括成像模块、吸附模块、图片处理模块及透光片，图片处理模块与成像模块连接；成像模块和吸附模块设置在透光片的同一侧，透光片设置在流道上表面，透光片位于成像模块的光路中心；透光片位于吸附模块通电后所产生的磁场中，吸附模块将磁性颗粒吸附到透光片下方；成像模块设有用于调节焦距以获得不同焦平面图像的调焦机构；

所述图片处理模将不同焦平面图像合成处理为三维数字颗粒图像：将不同焦平面图像通过不同的差分算子及小波图像处理划分焦平面范围，采用形态学处理方法测量磁性颗粒的三维表面，并通过布尔代数运算，将不同的焦平面图像叠加重构成一幅新的颗粒图像。

2.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述吸附模块包括吸附部件、铁芯架及缠绕在铁芯架上的电感线圈，所述吸附部件紧贴固定在透光片的上表面，吸附部件与铁芯架连接。

3.根据权利要求2所述的生成装置，其特征在于，所述吸附部件及铁芯架均设有两组，两组吸附部件与两组铁芯架一一对应连接，两组吸附部件均紧贴固定在透光片的上表面。

4.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述成像模块还包括成像器件、透镜组、滤光片及反射光源，所述调焦机构设置在透镜组上，成像器件、滤光片和透镜组依次连接，反射光源位于透镜组下方。

5.根据权利要求1所述的生成装置，其特征在于，所述调焦机构的动力源为减速步进电机、直线电机或者带编码器的减速电机。

6.根据权利要求1所述生成装置的基于励磁吸附的三维数字颗粒图像生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、吸附模块通电后产生磁场，将流道中的磁性颗粒吸附到透片片下方；

S2、调焦机构进行有序的焦距调节，成像模块对磁性颗粒进行连续拍摄以获得不同焦平面的图像；

S3、图片处理模块对每幅不同焦平面的图像进行图像处理，然后将不同焦平面的颗粒图像进行合成处理，并重构磁性颗粒的三维图像。

7.根据权利要求6所述的生成方法，其特征在于，步骤S2中不同焦平面的图像获得过程为：

在透光片平面拍摄第一帧颗粒图片，然后在调焦机构的控制下，成像模块的透镜组每向下或向上移动一段距离，成像模块拍摄一帧图片，拍摄若干帧图片后不同焦平面图像的获取结束。

8.根据权利要求6所述的生成方法，其特征在于，步骤S3中合成处理过程为：通过差分算子处理得到焦平面内的高频信号，将高频信号产生的部分作为焦平面内的区域，通过拉普拉斯调和算子滤波，得到更加清晰明确的图像，然后进行卷积积分；将卷积的结果通过阈值处理及二值化处理，得到焦平面二值图；

对焦平面二值图采用形态学处理方法进行图像分割、特征抽取、边缘检测、图像滤波、图像增强和恢复处理，将磁性颗粒表面纹理合成以扩展焦平面，测量磁性颗粒的三维表面；

将后一张卷积二值化处理后的图像B_i+1和后一帧彩色图像A_i+1进行矩阵乘法运算，得到这个焦平面范围内的图像纹理D_i+1，将后一张卷积二值化处理后的图像B_i+1的形态学处理结果B^c _i+1跟基础图像A_i进行矩阵乘法计算得到新的焦平面范围内的图像纹理D_i，图像纹理D_i+1与图像纹理D_i叠加得到新的纹理图K，再将新的纹理图K作为下一个叠加运算的基础图A_i；如此循环直至将不同焦平面的图像纹理都叠加到一幅图像上。

9.根据权利要求8所述的生成方法，其特征在于，所述将磁性颗粒表面纹理合成以扩展焦平面的过程为：运用图像处理方法，对同一位置连续拍摄的不同焦平面图片进行物体表面信息重构，去掉焦平面以外的全焦平面图片，并将焦平面内的部分图片进行叠加，得到颗粒分布图片。

10.根据权利要求8所述的生成方法，其特征在于，所述测量磁性颗粒的三维表面的过程为：在不同焦平面图片的竖直方向，对相同坐标不同焦平面的图片进行重构，得到反映该点全部表面信息及背景信息的全焦平面图片；采用不同梯度算子或小波算子对全焦平面图片进行卷积及阈值二值化处理，得到聚焦范围。