CN108413892B - 一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法及其装置，通过单次测量，且无须拼接，就可获取金刚石线锯整周表面全貌，图像数据处理方法相对简单，获取的金刚石线锯表面信息全面。通过序列投影轮廓图像重构金刚石三维形貌，解决采集的图像数据质量易受物体表面对光反射强弱影响的问题。产生的冗余数据，可以快速实现对金刚石线锯圆周表面不同位置的二维图像(含深度)的分析，满足实际对金刚石线锯快速检测的要求，又能实现数据的高效利用。所述的装置具备快速获取金刚石线锯的二维、整周三维表面形貌复合检测功能，可满足不同要求的检测。通过激光源和第二相机配合，使采集的金刚石线锯图像便于处理，测量精度提高，且结构简单、构思巧妙。

Description

一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及形貌检测技术，更具体地说，涉及一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，以及一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置。

背景技术

金刚石线锯是利用电镀工艺或树脂结合的方法将金刚石磨料固定在金属丝上，主要用于切割硬脆材料，比如蓝宝石、硅等。针对不同的材料，所用金刚石线锯的规格也不一样，用于切割蓝宝石的金刚石线锯的直径0.2mm～0.3mm。

金刚石线锯上的金刚石磨粒的密度、大小及均匀度等会直接影响金刚石线锯的切割效率、切口大小、切片的表面质量、金刚石线锯寿命等，因此，需要检测装置获取金刚石线锯的形貌，以判定金刚石线锯的品质好坏、磨损程度和寿命预测等。

现有技术的金刚石线锯形貌检测装置一般是采用电镜观察法和机器视觉法。

电镜观察法采用电镜观察金刚石线锯表面磨粒情况，但其存在的不足为：不能直接测量磨粒的高度信息，无法给出磨粒的完整三维信息。

机器视觉法采用单相机、双相机、多相机采集图像的方式观察金刚石线锯表面磨粒情况，但其存在的不足为：采用单相机、双相机采集图像，只能获取金刚石线锯的二维信息；采用多相机采集图像，也仅能获取圆周表面的二维信息。

实际上，尚无现有技术能够实现金刚石线锯整周形貌的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够较好地并能相对简单地恢复金刚石线锯整周三维形貌的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，以及一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置。

本发明的技术方案如下：

一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，步骤如下：

1)控制金刚石线锯进行周向旋转，对旋转中的金刚石线锯采集序列投影图像；

2)根据所述序列投影图像建立选定长度内金刚石线锯的三维图像；

其中，金刚石线锯的三维形貌特征包括磨粒的出露高度，和/或磨粒间距，和/或单位长度的磨粒数。

作为优选，步骤1)中，对旋转中的金刚石线锯采集的序列投影图像为选定长度的金刚石线锯的二维边缘轮廓图像，步骤包括：

1.1)将相机聚焦在金刚石线锯中轴线位置；

1.2)控制金刚石线锯每旋转一个设定角度θ，通过相机获得一幅金刚石线锯的投影图像；

其中，控制金刚石线锯通过n次完成旋转360°，

进而获得n个序列投影图像。

作为优选，步骤2)中，根据所述n个序列投影图像建立选定长度内金刚石线锯的三维图像的步骤包括：

2.1)提取每幅投影图像的两个边缘的数据；

2.2)通过对提取的每幅投影图像的两个边缘的数据进行直线拟合，确定每幅投影图像的两个边缘的镀层表面所在位置，并作为基准面，进一步确定每幅投影图像的中轴线；

2.3)获得每幅投影图像的所有边缘点至中轴线的距离；

2.4)所有边缘点与中轴线之间的距离减去所述基准面与中轴线的距离，获得每个边缘点的高度值；

2.5)以第一幅投影图像对应的角度为0°，则每幅投影图像两个边缘点对应的角度分别为nθ、π+nθ，n为该幅投影图像对应的旋转次数，每幅投影图像边缘的每一个点，对应一个角度、一个距离中轴线的径向距离和一个距离投影图像端面的轴向距离，从而获得投影图像的边缘上每点的圆柱坐标；

2.6)在序列投影图像的中轴线重合的约束条件下，通过坐标变换，把所有的投影图像统一到一个坐标系中，从而获得选定长度内金刚石线锯的三维图像。

作为优选，步骤2.1)的步骤包括：

2.1.1)采用canny算子进行边缘检测，通过膨胀、腐蚀对边缘进行细化，并除去图像中孤立的杂点；

2.1.2)采用轮廓跟踪提取边缘坐标，具体为：

2.1.2.1)从投影图像的第一列，按从上到下顺序搜索，找到的第一个白点为最左上方的边界点，记为A；

2.1.2.2)从A点出发，仅搜索它的右、右上、右下邻点，找出一个边界点，记为B；

2.1.2.3)判断B点是否是最后一列，如果是，则结束搜索，并把搜索的数据存入矩阵E1(1,j)中，j表示投影图像矩阵的列数；

2.1.2.4)从投影图像的第一列，按从下到上顺序搜索，找到的第一个白点为最左下方的边界点，然后重复步骤2.1.2.1)～2.1.2.3)，并把数据存入矩阵E2(1,j)，搜索结束；

2.1.2.5)如果某一点的上下左右四个相邻点都是黑点，则不是边界点，否则是边界点；

2.1.3)对图像进行倾斜校正。

作为优选，步骤2.2)中，确定每幅投影图像的中轴线的方法为：

金刚石线锯轮廓的两个边缘分别为第一边缘和第二边缘，对第一边缘和第二边缘分别进行拟合，拟合的第一边缘之间的直线和第二边缘之间的直线，在上述约束条件下，是相互平行的，计算两直线之间的中线，得到投影图像的中轴线；

拟合时，根据所述边缘点的坐标数据，采用Hough变换检测直线，采用极坐标的形式进行表达，其映射关系如下：

ρ＝x cosθ+y sinθ,ρ≥0,0≤θ≤2π；

其中，ρ表示直线到原点的垂直距离，θ表示X轴到直线的垂线的角度，取值范围为±90°；

通过调整、图像校正使投影图像无倾斜，统计θ＝0的累加值，其拟合步骤如下：

2.2.1)将第一边缘之间的边缘参数空间化成1×N个单元，并设置累加矩阵Q1×N，其中，N为ρ的等份数，取投影图像的列数；

2.2.2)给参数空间中的每个单元分配一个累加器Q(1,j)，并置累加器的初始值为零；

2.2.3)取出第一边缘之间的边缘参数代入ρ＝x cosθ+y sinθ进行运算，并将对应的累加器加1；

2.2.4)检验参数空间中每个累加器的值，值最大的累加器单元所对应的ρ为直角坐标系中直线方程式在参数空间的映射参数，确定第一边缘之间的直线；

2.2.5)重复步骤2.2.1)～2.2.4)，确定第二边缘之间的直线。

作为优选，步骤2.6)的具体步骤包括：

2.6.1)提取投影图像的深度值，具体为：

2.6.1.1)在平面坐标系i-j中，采用E1(i_1k,j_0k)、E2(i_2k,j_2k)分别表示其中一幅投影图像的两个边缘的第k个点，(i_o,j_ok)表示该幅投影图像中轴线上第k个点的坐标，计算投影图像中边缘点与该幅投影图像中轴线的像素距离，公式如下：

其中，j_1k是金刚石线锯投影图像边缘像素所在图像组中的列坐标，j_1k＝j_ok，所以d_1k＝|i_1k-i_o|；

2.6.1.2)设相机的像素长宽距离为μ_x、μ_y，以金刚石线锯的基体为基准，则每个边缘点的实际深度为

其中，h为金刚石线锯两边缘拟合直线间的像素距离；

则边缘点距离线锯一端的距离为

2.6.2)把序列投影图像的深度值按照先后顺序处理后，存入矩阵D_2n×j中，D中的每一行对应一幅投影图像的一个边缘上所有点的高度，每一列对应线锯圆周方向的2n个采样点高度；

2.6.3)将边缘点坐标统一转换到全局坐标系下，在序列投影图像中轴线是统一的约束条件下，按照以下规则定义一个虚拟的全局坐标系O-XYZ，以一个虚拟的中轴线作为Z轴，按左手定则确定XY轴，金刚石线锯一端的中点为原点O，从而得到每幅投影图像边缘点对应的一个角度、一个距离所述中轴线的径向距离和一个距离所述投影图像端面的轴向距离，把二维投影图像边缘点统一到全局坐标系O-XYZ下，公式如下：

作为优选，采用三次样条插值法，通过具有分段区间的样条函数获得插值节点的值，样条函数S(x)∈C²(a,b)，满足在每个小区间上是3次多项式；其中，给定区间节点，若节点上给定函数值成立，则其在此区间上的表达式如下：

其中，x_j是已提取图像数据欲插值的行数，S_j(x)是x_j对应的列数，h_j＝x_j+1-x_j，M_j是S_j(x)二阶导数值，M_j的计算方法如下：

令：

其中，μ_j、λ_j、d_j是中间参数，y_j是已提图像数据的列数，则M_j满足如下n-1个方程：

μ_jM_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j,j＝1,2,…,n-1；

提取的D中的每一列是个一维数组，插值时，把线锯圆周轮廓线上的2n个采用点当作节点，提取的D中当作节点对应的函数值处理，根据μ_jM_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j计算出的值，代入求得S_j(x)，得到插值函数，进一步计算出插值点值。

作为优选，确定磨粒位置的方法为采用二维轮廓边缘曲线斜率的变化情况进行识别，采用前后两个数据的差值Δj＝D(i,j)-D(i,j-1)代替，根据Δj-1、Δj、Δj+1的变化情况，确定磨粒的左右边缘位置，并作标记，根据标记的位置确定磨粒位置。

一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，包括固定夹持选定长度的金刚石线锯的夹持单元、用于控制金刚石线锯进行周向旋转的电控旋转单元、对旋转中的金刚石线锯采集序列投影图像的图像采集单元、接收图像采集单元发送的序列投影图像信息建立该选定长度内金刚石线锯的三维图像的图像处理单元，以及对金刚石线锯进行空间位置检测及调整的定位机构；通过所述的形貌检测方法对金刚石线锯的形貌进行检测。

作为优选，图像采集单元包括第一光源，及相互配合用于拍摄金刚石线锯的显微镜头和第一相机，第一光源和第一相机位于金刚石线锯的异侧，第一光源相对于第一相机的拍摄方向对金刚石线锯形成背向照明；显微镜头聚焦在金刚石线锯中轴线位置，通过显微镜头的放大，第一相机获取金刚石线锯的二维边缘轮廓图像。

作为优选，还包括第二光源，第二光源和第一相机位于金刚石线锯的同侧，第二光源相对于第一相机的拍摄方向对金刚石线锯形成同向照明，第一相机获取金刚石线锯的二维表面形貌图像。

作为优选，还包括用于使图像采集单元沿金刚石线锯轴向方向进行移动的移位机构。

作为优选，通过定位机构自动使得金刚石线锯的轴线垂直于第一相机的光轴。

作为优选，定位机构包括第二相机、第一相机和自动微调装置；第一相机采集金刚石线锯图像，获取金刚石线锯在采集图像中的位置信息，第二相机采集金刚石线锯的水平位置信息，自动微调装置根据金刚石线锯在采集图像中的位置信息及其水平位置信息自动检测判定金刚石线锯的轴线是否垂直于所述第一相机的光轴，并自动对金刚石线锯进行位置调整。

作为优选，还包括激光源，所述激光源和第二相机配合，使得第二相机获取金刚石线锯与激光相交的图像，用于对金刚石线锯进行位置矫正。

作为优选，第一相机采用变倍镜头或远心镜头。

作为优选，电控旋转单元包括两个旋转平台和分别驱动两个旋转平台进行旋转的两个旋转电机，夹持单元包括分别设于两个旋转平台上以夹持选定长度的金刚石线锯两端的两个夹头。

本发明的有益效果如下：

本发明的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法及其装置，可以通过单次测量，且无须拼接，就可以获取金刚石线锯整周表面全貌，图像数据处理方法相对简单，获取的金刚石线锯表面信息全面。

本发明通过序列投影轮廓图像重构金刚石三维形貌，可以解决采集的图像数据质量，易受物体表面对光反射强弱影响的问题。本发明产生的冗余数据，可以快速实现对金刚石线锯圆周表面不同位置的二维图像(含深度)的分析，可以满足实际对金刚石线锯快速检测的要求，又能实现数据的高效利用。

本发明所述的装置，通过设置第二光源，使第二光源和第一相机位于金刚石线锯的同侧，第二光源相对于第一相机的拍摄方向对金刚石线锯形成同向照明，以使第一相机获取到金刚石线锯的二维表面图像(不含高度)，并可结合用于使图像采集单元沿金刚石线锯轴向方向进行移动的移位机构，快速大范围采集金刚石线锯图像，从而使得本发明所述的装置具备快速获取金刚石线锯的二维、整周三维表面形貌复合检测功能，可满足不同要求的检测。

通过激光源和第二相机配合，使得第二相机获取金刚石线锯与激光相交的图像，以用于对金刚石线锯进行空间位置矫正，可以使采集的金刚石线锯图像便于处理，测量精度提高，且结构简单、构思巧妙。

附图说明

图1是本发明的形貌检测装置的结构示意图；

图2是本发明的形貌检测装置的立体结构示意图；

图3是本发明的形貌检测方法的流程图；

图4是本发明的形貌检测装置的局部立体结构示意图；

图中：1是金刚石线锯，10是夹持单元，11是夹头，20是电控旋转单元，21是旋转平台，22是旋转电机，30是图像采集单元，31是第一光源，32是第一相机，33是显微镜头，40是固定基座，50是移位机构，60是第二光源，70是第二相机，80是自动微调装置，90是手动调节机构，91是微调操作台，92是Y轴调节手柄，93是Z轴调节手柄。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术存在的不能直接测量磨粒的高度信息，或者无法给出磨粒的完整三维信息的不足，提供一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，以及一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，实现单次测量，无须拼接，即可获取金刚石线锯整周表面全貌的三维信息，包括磨粒的完整三维信息。

如图1、图2所示，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，主要包括固定夹持选定长度的金刚石线锯1的夹持单元10、用于控制金刚石线锯1进行周向旋转的电控旋转单元20、对旋转中的金刚石线锯1采集序列投影图像的图像采集单元30、接收图像采集单元30发送的序列投影图像信息建立该选定长度内金刚石线锯1的三维图像的图像处理单元，以及对金刚石线锯1进行空间位置检测及调整的定位机构；通过金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法对金刚石线锯1的形貌进行检测。

如图3所示，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，步骤如下：

1)将金刚石线锯1夹持在电控旋转单元20上；通过电控旋转单元20控制金刚石线锯1进行周向旋转，对旋转中的金刚石线锯1采集序列投影图像；

2)根据所述序列投影图像建立选定长度内金刚石线锯1的三维图像；

其中，金刚石线锯1的三维形貌特征包括磨粒的出露高度，和/或磨粒间距，和/或单位长度的磨粒数。

图像采集单元30对旋转中的金刚石线锯1采集序列投影图像，图像处理单元接收图像采集单元30发送的序列投影图像，经过图像处理，重构该选定长度内金刚石线锯1的三维图像，图像处理单元通过对数据分析，提取选定长度内金刚石线锯1表面磨粒的出露高度、磨粒间距、或单位长度的磨粒数等。本发明通过获得金刚石线锯1的磨粒的三维信息，可更全面地对金刚石线锯1的各项参数进行检测，从而可准确判定金刚石线锯1的品质好坏、磨损程度和寿命预测等，检测结果更可靠。

本实施例中，步骤1)中，对旋转中的金刚石线锯1采集的序列投影图像为选定长度的金刚石线锯1的二维边缘轮廓图像，步骤包括：

1.1)将相机聚焦在金刚石线锯1中轴线位置；

1.2)控制金刚石线锯1每旋转一个设定角度θ，通过相机获得一幅金刚石线锯1的投影图像；

其中，控制金刚石线锯1通过n次完成旋转360°，

进而获得n个序列投影图像。

具体地，所述的图像采集单元30包括第一光源31，及相互配合用于拍摄金刚石线锯1的显微镜头33和第一相机32，第一光源31和第一相机32位于金刚石线锯1的异侧，第一光源31相对于第一相机32的拍摄方向对金刚石线锯1形成背向照明；显微镜头33聚焦在金刚石线锯1中轴线位置，通过显微镜头33的放大，第一相机32获取金刚石线锯1的二维边缘轮廓图像。在金刚石线锯1的旋转过程中，从多个角度获取金刚石线锯1的二维边缘轮廓图像，从而获得金刚石线锯1的二维边缘轮廓的序列图像。

根据具体实施需求，第一相机32可以选择不同的镜头，当精度要求不高时，则检测不同规格的金刚石线锯1，选用变倍镜头；当精度要求较高时，且检测某一规格金刚石线锯1时，可选择固定倍数的远心镜头。

为了获得更高质量的金刚石线锯1的二维表面形貌图像，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，还包括第二光源60，第二光源60和第一相机32位于金刚石线锯1的同侧，第二光源60相对于第一相机32的拍摄方向对金刚石线锯1形成同向照明，第一相机32获取金刚石线锯1的二维表面形貌图像。

步骤2)中，根据所述n个序列投影图像建立选定长度内金刚石线锯1的三维图像的步骤包括：

2.1)提取每幅投影图像的两个边缘的数据；

2.2)通过对提取的每幅投影图像的两个边缘的数据进行直线拟合，确定每幅投影图像的两个边缘的镀层表面所在位置，并作为基准面，进一步确定每幅投影图像的中轴线；

2.3)获得每幅投影图像的所有边缘点至中轴线的距离；

2.4)所有边缘点与中轴线之间的距离减去所述基准面与中轴线的距离，获得每个边缘点的高度值；

2.5)以第一幅投影图像对应的角度为0°，则每幅投影图像两个边缘点对应的角度分别为nθ、π+nθ，n为该幅投影图像对应的旋转次数，每幅投影图像边缘的每一个点，对应一个角度、一个距离中轴线的径向距离和一个距离投影图像端面的轴向距离，从而获得投影图像的边缘上每点的圆柱坐标；

2.6)在序列投影图像的中轴线重合的约束条件下，通过坐标变换，把所有的投影图像统一到一个坐标系中，从而获得选定长度内金刚石线锯1的三维图像。

具体地，步骤2.1)的步骤包括：

2.1.1)采用canny算子进行边缘检测，通过膨胀、腐蚀对边缘进行细化，并除去图像中孤立的杂点；

2.1.2)采用轮廓跟踪提取边缘坐标，具体为：

2.1.2.1)从投影图像的第一列，按从上到下顺序搜索，找到的第一个白点为最左上方的边界点，记为A；

2.1.2.2)从A点出发，仅搜索它的右、右上、右下邻点，找出一个边界点，记为B；

2.1.2.3)判断B点是否是最后一列，如果是，则结束搜索，并把搜索的数据存入矩阵E1(1,j)中，j表示投影图像矩阵的列数；

2.1.2.4)从投影图像的第一列，按从下到上顺序搜索，找到的第一个白点为最左下方的边界点，然后重复步骤2.1.2.1)～2.1.2.3)，并把数据存入矩阵E2(1,j)，搜索结束；

2.1.2.5)如果某一点的上下左右四个相邻点都是黑点，则不是边界点，否则是边界点；

2.1.3)对图像进行倾斜校正。

步骤2.2)中，确定每幅投影图像的中轴线的方法为：

金刚石线锯1轮廓的两个边缘分别为第一边缘和第二边缘，对第一边缘和第二边缘分别进行拟合，拟合的第一边缘之间的直线和第二边缘之间的直线，在上述约束条件下，是相互平行的，计算两直线之间的中线，得到投影图像的中轴线；

拟合时，根据所述边缘点的坐标数据，采用Hough变换检测直线，采用极坐标的形式进行表达，其映射关系如下：

ρ＝x cosθ+y sinθ,ρ≥0,0≤θ≤2π；

其中，ρ表示直线到原点的垂直距离，θ表示X轴到直线的垂线的角度，取值范围为±90°；

通过调整、图像校正使投影图像无倾斜，统计θ＝0的累加值，其拟合步骤如下：

2.2.1)将第一边缘之间的边缘参数空间化成1×N个单元，并设置累加矩阵Q1×N，其中，N为ρ的等份数，本实施例中，取投影图像的列数；

2.2.2)给参数空间中的每个单元分配一个累加器Q(1,j)，并置累加器的初始值为零；

2.2.3)取出第一边缘之间的边缘参数代入ρ＝x cosθ+y sinθ进行运算，并将对应的累加器加1；

2.2.4)检验参数空间中每个累加器的值，值最大的累加器单元所对应的ρ为直角坐标系中直线方程式在参数空间的映射参数，确定第一边缘之间的直线；

2.2.5)重复步骤2.2.1)～2.2.4)，确定第二边缘之间的直线。

步骤2.6)的具体步骤包括：

2.6.1)提取投影图像的深度值，具体为：

2.6.1.1)在平面坐标系i-j中，采用E1(i_1k,j_0k)、E2(i_2k,j_2k)分别表示其中一幅投影图像的两个边缘的第k个点，(i_o,j_ok)表示该幅投影图像中轴线上第k个点的坐标，计算投影图像中边缘点与该幅投影图像中轴线的像素距离，公式如下：

其中，j_1k是金刚石线锯投影图像边缘像素所在图像组中的列坐标，j_1k＝j_ok，所以d_1k＝|i_1k-i_o|；

2.6.1.2)设相机的像素长宽距离为μ_x、μ_y，以金刚石线锯1的基体为基准，则每个边缘点的实际深度为

其中，h为金刚石线锯1两边缘拟合直线间的像素距离；

则边缘点距离线锯一端的距离为

2.6.2)把序列投影图像的深度值按照先后顺序处理后，存入矩阵D_2n×j中，D中的每一行对应一幅投影图像的一个边缘上所有点的高度，每一列对应线锯圆周方向的2n个采样点高度；

2.6.3)将边缘点坐标统一转换到全局坐标系下，在序列投影图像中轴线是统一的约束条件下，按照以下规则定义一个虚拟的全局坐标系O-XYZ，以一个虚拟的中轴线作为Z轴，按左手定则确定XY轴，金刚石线锯1一端的中点为原点O，从而得到每幅投影图像边缘点对应的一个角度、一个距离所述中轴线的径向距离和一个距离所述投影图像端面的轴向距离，把二维投影图像边缘点统一到全局坐标系O-XYZ下，公式如下：

进一步地，本实施例采用三次样条插值法，通过具有分段区间的样条函数获得插值节点的值，样条函数S(x)∈C²(a,b)，满足在每个小区间上是3次多项式；其中，给定区间节点，若节点上给定函数值成立，则其在此区间上的表达式如下：

其中，x_j是已提取图像数据欲插值的行数，S_j(x)是x_j对应的列数，h_j＝x_j+1-x_j，M_j是S_j(x)二阶导数值，M_j的计算方法如下：

令：

其中，μ_j、λ_j、d_j是中间参数，y_j是已提图像数据的列数，则M_j满足如下n-1个方程：

μ_jM_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j,j＝1,2,…,n-1；

提取的D中的每一列是个一维数组，插值时，把线锯圆周轮廓线上的2n个采用点当作节点，提取的D中当作节点对应的函数值处理，根据μ_jM_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j计算出的值，代入求得S_j(x)，得到插值函数，进一步计算出插值点值。

本实施例中，确定磨粒位置的方法为采用二维轮廓边缘曲线斜率的变化情况进行识别，采用前后两个数据的差值Δj＝D(i,j)-D(i,j-1)代替，根据Δj-1、Δj、Δj+1的变化情况，确定磨粒的左右边缘位置，并作标记，根据标记的位置确定磨粒位置。

所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置中，电控旋转单元20控制用于控制金刚石线锯1进行周向旋转，电控旋转单元20包括两个旋转平台21和分别驱动两个旋转平台21进行旋转的两个旋转电机22。夹持单元10包括分别设于两个旋转平台21上以夹持选定长度的金刚石线锯1两端的两个夹头11，两个夹头11分别固定夹持选定长度的金刚石线锯1的两端。

其中，两个旋转电机22旋转不丢步，两旋转电机22通过安装在旋转电机22内的光电编码器反馈的信号实现同步旋转，夹持单元10和电控旋转单元20均设置在一固定于操作台的固定基座40上。

为了可沿长度方向较大范围测量金刚石线锯1，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，还包括用于使图像采集单元30沿金刚石线锯1轴向方向进行移动的移位机构50。

金刚石线锯1的轴线与第一相机32的光轴是否垂直将直接影响金刚石线锯1轮廓尺寸的测量，也影响金刚石线锯1的三维重构的精度，因此，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，设置可对金刚石线锯1进行空间位置检测及调整的定位机构。通过定位机构检测金刚石线锯1的轴线与第一相机32的光轴是否垂直，如果不垂直，则通过定位机构自动使得金刚石线锯1的轴线垂直于第一相机32的光轴。

具体地，定位机构包括第二相机70、第一相机32和自动微调装置80；第一相机32采集金刚石线锯1图像，获取金刚石线锯1在采集图像中的位置信息，第二相机70采集金刚石线锯1的水平位置信息，自动微调装置80根据金刚石线锯1在采集图像中的位置信息及其水平位置信息自动检测判定金刚石线锯1的轴线是否垂直于所述第一相机32的光轴，并自动对金刚石线锯1进行位置调整。

为了方便较大范围地调整金刚石线锯1的空间位置，如图4所示，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置还设置有手动调节机构90，通过操作手动调节机构90以在图4所示的Y轴方向和Z轴方向调节金刚石线锯1的空间位置，进而对金刚石线锯1的轴线垂直于第一相机32的光轴进行调节。

本实施例中，手动调节机构90包括设置在夹头11与旋转平台21之间的微调操作台91，微调操作台91上设置有Y轴调节手柄92和Z轴调节手柄93，通过Y轴调节手柄92和Z轴调节手柄93可使得金刚石线锯1在Y轴和Z轴上进行小范围位置调整，结构简单，调节方便。

为了能实现对金刚石线锯1进行位置矫正，所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，还包括激光源，所述激光源和第二相机70配合，使得第二相机70获取金刚石线锯1与激光相交的图像，用于对金刚石线锯1进行位置矫正。

基于所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法简述如下：

1、金刚石线锯1的位置调节

通过第一相机32和第二相机70采集金刚石线锯1的位置图像，以判定金刚石线锯1是否水平，如果未水平放置，旋转电机22下方的自动微调装置80对金刚石线锯1的位置进行调整使之水平；如果需要较大范围调整金刚石线锯1的位置，则可通过手动调节机构90进行手动调节。

2、二维检测

采用背向和正向照明的显微图像：

2.1、基于面检测：采用第二光源60与第一相机32分布在金刚石线锯1的同侧，第二光源60相对于第一相机32的拍摄方向对金刚石线锯1形成同向照明，通过移位机构50带动第一相机32水平移动，采集金刚石线锯1沿轴向的显微图像序列，获取金刚石线锯1表面磨粒的二维分布情况。

2.2、基于线锯边缘检测方法：采用第一光源31与第一相机32分布在金刚石线锯1的异侧，第一光源31相对于第一相机32的拍摄方向对金刚石线锯1形成背向照明，移位机构50带动第一相机32水平移动，获取金刚石线锯1侧面投影显微图像，通过边缘的特征检测金刚石线锯1形貌，获取磨粒的出露高度、磨粒间距、单位长度的磨粒数等。

3、三维检测

3.1、采用第一光源31与第一相机32分布在金刚石线锯1的异侧的背向照明方式，旋转电机22带动金刚石线锯1同步旋转一个角度，采集一帧图像，旋转的角度

n是旋转次数；

3.2、对采集的序列图像进行处理，拟合每幅图像的中轴线，计算边缘距中轴线的距离，并提取每幅图像的边缘的图像坐标；

3.3、通过坐标变换，重构金刚石线锯1的三维图；

3.4、根据重构的金刚石线锯1的三维图的数据，提取磨粒并进行分析。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，步骤如下：

1)控制金刚石线锯进行周向旋转，对旋转中的金刚石线锯采集序列投影图像；

2)根据所述序列投影图像建立选定长度内金刚石线锯的三维图像，步骤包括：

2.1)提取每幅投影图像的两个边缘的数据；

2.2)通过对提取的每幅投影图像的两个边缘的数据进行直线拟合，确定每幅投影图像的两个边缘的镀层表面所在位置，并作为基准面，进一步确定每幅投影图像的中轴线；

2.3)获得每幅投影图像的所有边缘点至中轴线的距离；

2.4)所有边缘点与中轴线之间的距离减去所述基准面与中轴线的距离，获得每个边缘点的高度值；

2.5)以第一幅投影图像对应的角度为0°，则每幅投影图像两个边缘点对应的角度分别为nθ、π+nθ，n为该幅投影图像对应的旋转次数，每幅投影图像边缘的每一个点，对应一个角度、一个距离中轴线的径向距离和一个距离投影图像端面的轴向距离，从而获得投影图像的边缘上每点的圆柱坐标；

2.6)在序列投影图像的中轴线重合的约束条件下，通过坐标变换，把所有的投影图像统一到一个坐标系中，从而获得选定长度内金刚石线锯的三维图像；

其中，金刚石线锯的三维形貌特征包括磨粒的出露高度，和/或磨粒间距，和/或单位长度的磨粒数。

2.根据权利要求1所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，步骤1)中，对旋转中的金刚石线锯采集的序列投影图像为选定长度的金刚石线锯的二维边缘轮廓图像，步骤包括：

1.1)将相机聚焦在金刚石线锯中轴线位置；

1.2)控制金刚石线锯每旋转一个设定角度θ，通过相机获得一幅金刚石线锯的投影图像；

其中，控制金刚石线锯通过n次完成旋转360°，

进而获得n个序列投影图像。

3.根据权利要求1所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，步骤2.1)的步骤包括：

2.1.1)采用canny算子进行边缘检测，通过膨胀、腐蚀对边缘进行细化，并除去图像中孤立的杂点；

2.1.2)采用轮廓跟踪提取边缘坐标，具体为：

2.1.2.1)从投影图像的第一列，按从上到下顺序搜索，找到的第一个白点为最左上方的边界点，记为A；

2.1.2.2)从A点出发，仅搜索它的右、右上、右下邻点，找出一个边界点，记为B；

2.1.2.3)判断B点是否是最后一列，如果是，则结束搜索，并把搜索的数据存入矩阵E1(1,j)中，j表示投影图像矩阵的列数；

2.1.2.4)从投影图像的第一列，按从下到上顺序搜索，找到的第一个白点为最左下方的边界点，然后重复步骤2.1.2.1)～2.1.2.3)，并把数据存入矩阵E2(1,j)，搜索结束；

2.1.2.5)如果某一点的上下左右四个相邻点都是黑点，则不是边界点，否则是边界点；

2.1.3)对图像进行倾斜校正。

4.根据权利要求1所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，步骤2.2)中，确定每幅投影图像的中轴线的方法为：

金刚石线锯轮廓的两个边缘分别为第一边缘和第二边缘，对第一边缘和第二边缘分别进行拟合，拟合的第一边缘之间的直线和第二边缘之间的直线，在每幅投影图像的两个边缘的镀层表面所在位置作为基准面的约束条件下，是相互平行的，计算两直线之间的中线，得到投影图像的中轴线；

拟合时，根据所述边缘点的坐标数据，采用Hough变换检测直线，采用极坐标的形式进行表达，其映射关系如下：

ρ＝x cosθ+y sinθ,ρ≥0,0≤θ≤2π；

其中，ρ表示直线到原点的垂直距离，θ表示X轴到直线的垂线的角度，取值范围为±90°；

通过调整、图像校正使投影图像无倾斜，统计θ＝0的累加值，其拟合步骤如下：

2.2.1)将第一边缘之间的边缘参数空间化成1×N个单元，并设置累加矩阵Q1×N，其中，N为ρ的等份数，取投影图像的列数；

2.2.2)给参数空间中的每个单元分配一个累加器Q(1,j)，并置累加器的初始值为零；

2.2.3)取出第一边缘之间的边缘参数代入ρ＝x cosθ+y sinθ进行运算，并将对应的累加器加1；

2.2.4)检验参数空间中每个累加器的值，值最大的累加器单元所对应的ρ为直角坐标系中直线方程式在参数空间的映射参数，确定第一边缘之间的直线；

2.2.5)重复步骤2.2.1)～2.2.4)，确定第二边缘之间的直线。

5.根据权利要求1所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，步骤2.6)的具体步骤包括：

2.6.1)提取投影图像的深度值，具体为：

2.6.1.1)在平面坐标系i-j中，采用E1(i_1k,j_0k)、E2(i_2k,j_2k)分别表示其中一幅投影图像的两个边缘的第k个点，(i_o,j_ok)表示该幅投影图像中轴线上第k个点的坐标，计算投影图像中边缘点与该幅投影图像中轴线的像素距离，公式如下：

其中，j_1k是金刚石线锯投影图像边缘像素所在图像组中的列坐标，j_1k＝j_ok，所以d_1k＝|i_1k-i_o|；

2.6.1.2)设相机的像素长宽距离为μ_x、μ_y，以金刚石线锯的基体为基准，则每个边缘点的实际深度为

其中，h为金刚石线锯两边缘拟合直线间的像素距离；

则边缘点距离线锯一端的距离为

2.6.2)把序列投影图像的深度值按照先后顺序处理后，存入矩阵D_2n×j中，D中的每一行对应一幅投影图像的一个边缘上所有点的高度，每一列对应线锯圆周方向的2n个采样点高度；

2.6.3)将边缘点坐标统一转换到全局坐标系下，在序列投影图像中轴线是统一的约束条件下，按照以下规则定义一个虚拟的全局坐标系O-XYZ，以一个虚拟的中轴线作为Z轴，按左手定则确定XY轴，金刚石线锯一端的中点为原点O，从而得到每幅投影图像边缘点对应的一个角度、一个距离所述中轴线的径向距离和一个距离所述投影图像端面的轴向距离，把二维投影图像边缘点统一到全局坐标系O-XYZ下，公式如下：

6.根据权利要求5所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，采用三次样条插值法，通过具有分段区间的样条函数获得插值节点的值，样条函数S(x)∈C²(a,b)，满足在每个小区间上是3次多项式；其中，给定区间节点，若节点上给定函数值成立，则其在此区间上的表达式如下：

其中，x_j是已提取图像数据欲插值的行数，S_j(x)是x_j对应的列数，h_j＝x_j+1-x_j，M_j是S_j(x)二阶导数值，M_j的计算方法如下：

令：

其中，μ_j、λ_j、d_j是中间参数，y_j是已提图像数据的列数，则M_j满足如下n-1个方程：

μ_jM_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j,j＝1,2,…,n-1；

提取的D中的每一列是个一维数组，插值时，把线锯圆周轮廓线上的2n个采用点当作节点，提取的D中当作节点对应的函数值处理，根据μ_jM_j-1+2M_j+λ_jM_j+1＝d_j计算出的值，代入求得S_j(x)，得到插值函数，进一步计算出插值点值。

7.根据权利要求5所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测方法，其特征在于，确定磨粒位置的方法为采用二维轮廓边缘曲线斜率的变化情况进行识别，采用前后两个数据的差值Δj＝D(i,j)-D(i,j-1)代替，根据Δj-1、Δj、Δj+1的变化情况，确定磨粒的左右边缘位置，并作标记，根据标记的位置确定磨粒位置。

8.一种金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，包括固定夹持选定长度的金刚石线锯的夹持单元、用于控制金刚石线锯进行周向旋转的电控旋转单元、对旋转中的金刚石线锯采集序列投影图像的图像采集单元、接收图像采集单元发送的序列投影图像信息建立该选定长度内金刚石线锯的三维图像的图像处理单元，以及对金刚石线锯进行空间位置检测及调整的定位机构；通过权利要求1至7任一项所述的形貌检测方法对金刚石线锯的形貌进行检测。

9.根据权利要求8所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，图像采集单元包括第一光源，及相互配合用于拍摄金刚石线锯的显微镜头和第一相机，第一光源和第一相机位于金刚石线锯的异侧，第一光源相对于第一相机的拍摄方向对金刚石线锯形成背向照明；显微镜头聚焦在金刚石线锯中轴线位置，通过显微镜头的放大，第一相机获取金刚石线锯的二维边缘轮廓图像。

10.根据权利要求9所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，还包括第二光源，第二光源和第一相机位于金刚石线锯的同侧，第二光源相对于第一相机的拍摄方向对金刚石线锯形成同向照明，第一相机获取金刚石线锯的二维表面形貌图像。

11.根据权利要求9所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，还包括用于使图像采集单元沿金刚石线锯轴向方向进行移动的移位机构。

12.根据权利要求9所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，通过定位机构自动使得金刚石线锯的轴线垂直于第一相机的光轴。

13.根据权利要求12所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，定位机构包括第二相机、第一相机和自动微调装置；第一相机采集金刚石线锯图像，获取金刚石线锯在采集图像中的位置信息，第二相机采集金刚石线锯的水平位置信息，自动微调装置根据金刚石线锯在采集图像中的位置信息及其水平位置信息自动检测判定金刚石线锯的轴线是否垂直于所述第一相机的光轴，并自动对金刚石线锯进行位置调整。

14.根据权利要求13所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，还包括激光源，所述激光源和第二相机配合，使得第二相机获取金刚石线锯与激光相交的图像，用于对金刚石线锯进行位置矫正。

15.根据权利要求9所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，第一相机采用变倍镜头或远心镜头。

16.根据权利要求9至15任一项所述的金刚石线锯整周三维表面形貌检测装置，其特征在于，电控旋转单元包括两个旋转平台和分别驱动两个旋转平台进行旋转的两个旋转电机，夹持单元包括分别设于两个旋转平台上以夹持选定长度的金刚石线锯两端的两个夹头。

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