CN1210560C - 一种金属表面划痕三维显微成像的方法及其专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明的一种金属表面划痕三维显微成像的方法及其专用设备，属于金属物体表面划痕三维成像领域。主要解决以往利用激光设备进行金属表面划痕三维成像所存在的速度慢、成本高和对金属物体有损伤的问题。本发明的技术方案是：包括下列步骤：按照要求设计出用于待测金属物体的光栅图样，并印制成彩色胶片；将待测的金属物体固定在高精度旋转平台上，将印制的光栅彩色胶片设置于平行器光学系统和投射系统，投射系统把带符合系统要求的光栅彩色胶片用缩小镜头投射到金属物体上，再由具有显微镜头的数码相机摄取记录；拍摄物体的信息储存到计算机控制系统，然后解码处理成像。本发明具有成像速度快、成本低廉和对金属物体没有损伤等特点，试用与各种金属物体的三维成像。

Description

一种金属表面划痕三维显微成像的方法及其专用设备

技术领域：

本发明属于金属物体表面划痕三维成像领域，特别是一种金属表面划痕三维显微成像的方法及其专用设备。

背景技术：

显微状况下的金属划痕的精确记录，是一个高精尖的科技问题。以枪弹管理为例，它是国家治安管理的重要组成部分，直接关系到国家的稳定和人民的生命安全。子弹通过枪的激发，在弹壳和弹头上留下划痕，这是反映各种枪支特性的重要线索，因此能够记录、比较每支枪射出子弹表面划痕，是刑侦破案的关键之一。在国内国际，几十年来迄今，枪弹弹痕的摄取都是通过放大十倍到二十倍的二维照相来获取的。弹痕专家们根据这些照片来进行比较、分析。然而，任何划痕都是有深度的，而深度对于二维照片来说是可望不可及的禁区。照相环境下的光源、角度和其它不定因素，可以使同一弹痕的深度看上去完全不一样；同样，也可使不同的划痕看上去完全一样，从而大大影响了准确性。除了上述显微二维照相方法外，国内国际也采用三维成像获取金属的划痕，目前唯一的三维成像手段是激光扫描。但激光扫描有下列致命的缺陷：A：速度极慢。每拍摄一件物体，少则30分钟，多则90分钟。B：对扫描环境的苛刻要求。电源电压的轻微改变和激光部件的老化等，都在很大程度上影响效果。C：无法为扫描下来的图像提供准确的数据。D：激光属于接触性扫描，对于安全操作不利，对于作为物证的弹头弹壳不利。E：操作过程复杂。

发明内容：

本发明的目的就是解决目前对金属划痕无法精确、方便、快速进行检测和记录的技术难题，设计一种能方便、快速全自动精确记录金属表面划痕深度变化的方法。

本发明的另一个目的涉及一种采用该方法实现全自动精确记录金属表面划痕深度变化的专用设备。

本发明的技术方案是：一种金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征在于包括下列步骤：

--按照要求设计出用于待测金属物体的光栅图样，并印制成彩色胶片；

--将被显微三维成像的金属物体固定在高精度旋转平台上，高精度旋转平台以及具有显微镜头的数码相机与计算机控制系统连接，并对计算机预设拍摄物体所需的预设值，包括金属物体表面的光洁度、物体的直径、所需拍摄的次数以及旋转平台每次旋转的角度；

--高精度旋转平台根据计算机的预设值，来调整金属物体表面与相机镜头之间的微小距离；

--将印制的光栅彩色胶片设置于平行器光学系统和投射系统，投射系统把带符合系统要求的、经过编码的光栅彩色胶片用缩小镜头投射到金属物体上，再由具有显微镜头的数码相机摄取记录；

--拍摄物体的信息储存到计算机控制系统，然后解码处理成像。

所述的解码处理成像过程是计算机控制系统将数码相机拍摄的信息通过USB或局域网下载至处理计算机中，由处理计算机进行处理。

所述的处理计算机处理信息的过程包括下列步骤：

--将从不同角度拍摄下来的分段的图像进行粘合处理；

--解码、建模、成像。

由于金属物体的形状、大小，光栅的格式是特殊设计的，使之可以在很小的层面上依然很清晰，这就需要在每个极细微的光栅条之间，嵌入一条不透明的色条，不透明的细条由CMYK各100％组合形成，使光栅投射出去时，各色条之间不相互渗透。

所述编码的步骤是：光源投射镜头与数码相机之间的距离1作为基线已知量，从光源投射到物体上的栅格与基线形成的夹角得出α，并用被摄物体本身的凹凸的像在CCD相机中的不同位置结算而得出另一个角β，光源系统带彩色条的投射，使得三维空间中的几何信息即α角与光栅的折射频率分别一一对应。

所述解码的步骤是：由于结构栅格光其中的某条光带的色散角α与其波长λ具有关系式，因此在编码时可以事先得知α，那么结构栅格光的波长λ，可以通过分析其由投射到待测金属表面上彩色光栅的折射而反映到CCD相机上的颜色值取得，具体解码的方式为：

$z=\frac{b}{\mathrm{fetg}\left(\mathrm{\α}\right)-\mathrm{uf}}$

解码式中的α是由α与λ的关系式取得的；u，v待测金属表面某点Q在CCD相机对应像素的x，y轴方向上的距离；f为摄影物镜的焦距；b为光源中心到CCD镜头光轴的垂直距离，Q点坐标(x，y，x)的z轴信息，是本系统三维成像之关键。

适用于上述方法的专用设备，其特征在于包括拍照系统和机械运动部分，拍照系统包括一光源系统、一高解析度及高分辨率的带有显微镜头的数码照相机；机械运动部分包括纵向滑台、横向滑台、高精度旋转平台、床身、垂直调节支架和控制柜组成，纵向滑台设置于床身上面，横向滑台设置在纵向滑台的上面，高精度旋转平台设置在横向滑台的上面，可处置调整支架位于床身的上面，拍照系统和电容测微仪测头安装在可垂直调节支架上，机械运动部分受控制柜的控制，拍照系统和控制柜受计算机控制；平行器光学系统前设置有光栅彩色胶片，在光栅彩色胶片前部设置有带缩小镜头的投射系统，投射系统缩小镜头的高度与所述旋转平台匹配。

所述数码相机与旋转平台之间还设置有消除反光装置。

本发明的效果是：拍摄速度快，每摄取一件金属物体或子弹表面，只须90秒-120秒。由于相机所获取的信息只依赖于光栅，因此本发明对摄取环境不苛刻，对辅助光源不苛刻，采用软件进行解码，可为摄取的三维图像提供精确到5μm-10μm的数据；采用光栅照射和数码相机拍摄，两者不直接接触金属，无接触性，故不伤及被拍摄的物体和作为物证的弹头弹壳。在全套设备设置完善的条件下，本发明还具有操作安全、简便的优点。

用光学和数码手段，能在显微状况下精确地摄取金属的表面状况，对于子弹来说，记录子弹表面的由枪膛来幅线及其它因素所产生的划痕，并把摄取来的图像(三维和二维)以及数据输入电脑存档。然后在全国范围内建立联网式数据库，把各种型号枪支所射出的子弹划痕分类录入数据库。一旦枪击案件发生，再根据现场收集到的子弹划痕在数据库中进行检索、比较、分析，找出相应的枪支，判断枪支的来源，从而抓获罪犯。

附图说明：

图1是本发明装置的原理图；

图2是实现图1所述原理的一个具体装置的结构主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是本发明编码、解码过程示意图。

具体实施方式：

图1中，1为平行器光学系统和投射系统，2为高解析度及高分辨率的带有显微镜头的数码照相机组成的拍摄系统，3为旋转平台，4为待测金属物体，5为控制计算机，平行器光学系统投射系统1、高解析度及高分辨率的带有显微镜头的数码照相机组成的拍摄系统2、旋转平台3和待测金属物体4均设置在一个床身的上面，由控制计算机进行控制和测量。金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征在于包括下列步骤：

--按照要求设计出用于本系统的光栅图样，并印制成彩色胶片；

--将被显微三维成像的金属物体固定在高精度旋转平台上，高精度旋转平台以及具有显微镜头的相机与计算机控制系统连接，并对计算机预设拍摄物体所需的预设值，包括金属物体表面的光洁度、物体的直径、所需拍摄的次数以及旋转平台每次旋转的角度；

--高精度旋转平台根据计算机的预设值，来调整金属物体表面与摄取系统镜头之间的微小距离；

--将印制的光栅彩色胶片设置于平行器光学系统和投射系统，投射系统把带符合系统要求的、经过编码的光栅彩色胶片用缩小镜头经过编码投射到金属物体上，再由具有显微镜头的数码相机摄取记录；

--拍摄物体的信息储存到计算机控制系统，然后解码处理成像。

所述的解码处理成像过程是计算机控制系统将数码相机拍摄的信息通过USB或局域网下载至处理计算机中，由处理计算机进行处理。

所述的处理计算机处理信息的过程包括下列步骤：

--将从不同角度拍摄下来的分段的图像进行粘合处理；

--解码、建模、成像。

由于金属物体的形状、大小，光栅的格式是特殊设计的，使之可以在很小的层面上依然很清晰。这就需要在每个极细微的光栅条之间，嵌入一条不透明的色条，不透明的细条由CMYK各100％的组合形成，使光栅投射出去时，各色条之间不相互渗透。

图2中，包括拍照系统和机械运动部分，拍照系统包括一平行器光学系统和投射系统、一高解析度及高分辨率的数码相机组成的拍摄系统；机械运动部分包括纵向滑台6、横向滑台7、高精度旋转平台8、床身9、垂直调节支架10和控制柜11组成，纵向滑台6设置于床身9上面，横向滑台7设置在纵向滑台6的上面，高精度旋转平台8设置在横向滑台的7上面，可垂直调整支架10位于床身9的上面的固定杆12上，拍照系统和电容测微仪测头安装在可垂直调节支架上，机械运动部分受控制柜的控制，拍照系统和控制柜受计算机控制，平行器光学系统前设置有光栅彩色胶片，光栅彩色胶片前部设置有带缩小镜头的投射系统，投射系统缩小镜头的高度与所述旋转平台匹配，所述数码相机与旋转平台之间还设置有反光装置，所述数码相机带有显微镜头。

图3中，8为旋转平台，9为床身，11为控制柜，12为可垂直调节支架的固定杆。

图4中，13为参照平面，1为平行器光学系统和投射系统，2是拍摄系统，16是待测金属表面。带有彩色条纹的二维图像下载到计算机上后，系统软件会根据这个已设计好的彩色条纹的特点计算出所需的几何信息，再根据三角关系式，得出被摄金属表面的深度信息。所述编码的步骤是：平行器光学系统和投射系统的缩小镜头与数码相机之间的距离1作为基线(已知量)，从平行器光学系统和投射系统到物体上的栅格与基线形成的夹角得出α，并用被摄物体本身的凹凸的像在数码相机中的不同位置结算而得出另一个角β。光源投射系统彩色胶片的投射，使得三维空间中的几何信息(即α角与光栅的折射频率(color frequency)分别一一对应。

所述解码的步骤是：由于结构栅格光其中的某条光带的色散角α与其波长λ具有关系式，因此在编码时可以事先得知α。那么结构栅格光的波长λ，可以通过分析其由投射到待测金属表面上彩色光栅的折射而反映到数码相机上的颜色值取得。图中的Q点坐标(x，y，x)的z轴信息，是本系统三维成像之关键，具体解码的方式为：

解码式中的α是由α与λ的关系式取得的；u，v待测金属表面某点Q在数码相机对应像素的x，y轴方向上的距离；f为摄影物镜的焦距；b为光源中心到数码相机镜头光轴的垂直距离。

拍摄过程中，每一物体多次拍摄的信息由本系统的内存记录下来。拍摄完成后，信息通过USB或局域网下载至处理计算机中。系统的处理软件随之把从不同角度拍摄下来的分段的图像进行粘合处理并用上述公式进行解码、建模，最终形成一个显微状态下的三维的、可从各个角度观察的、带有精确数据的立体图像。

金属划痕系统成果的数据
		Parameters	金属划痕系统
拍摄范围	~5mm×5mm(single scan)
		景深	~5mm*
长宽精度	~5μm*
		Z轴精度(深度精度)	～10μm*
表面色彩图象	无
		被摄物体	静止
所需拍摄次数	8-16scan
		物体表面	金属

由于有了划痕的三维信息，就可以在三个方向上，按照要求不同，设立出许多不同的测量空间。拿枪弹管理系统的实例来说，可把解析度由粗到细化分出层次，以此对划痕进行分类，按照这样的分类，单一样本总量达到三百万以上，足以达到现在及将来的枪支管理的覆盖率。

Claims (8)

1、一种金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征在于包括下列步骤：

--按照要求设计出用于待测金属物体的光栅图样，并印制成彩色胶片；

--将被显微三维成像的金属物体固定在高精度旋转平台上，高精度旋转平台以及具有显微镜头的数码相机与计算机控制系统连接，并对计算机预设拍摄物体所需的预设值，包括金属物体表面的光洁度、物体的直径、所需拍摄的次数以及旋转平台每次旋转的角度；

--高精度旋转平台根据计算机的预设值，来调整金属物体表面与相机镜头之间的微小距离；

--将印制的光栅彩色胶片设置于平行器光学系统和投射系统，投射系统把带符合系统要求的、经过编码的光栅彩色胶片用缩小镜头投射到金属物体上，再由具有显微镜头的数码相机摄取记录；

--拍摄物体的信息储存到计算机控制系统，然后解码处理成像。

2、根据权利要求1所述的金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征是所述的解码处理成像过程是计算机控制系统将数码相机拍摄的信息通过USB或局域网下载至处理计算机中，由处理计算机进行处理。

3、根据权利要求2所述的金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征是所述的处理计算机处理信息的过程包括下列步骤：

--将从不同角度拍摄下来的分段的图像进行粘合处理；

--解码、建模、成像。

4、根据权利要求1或2或3所述金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征在于：由于金属物体的形状、大小，光栅的格式是特殊设计的，使之可以在很小的层面上依然很清晰，这就需要在每个极细微的光栅条之间，嵌入一条不透明的色条，不透明的细条由CMYK各100％组合形成，使光栅投射出去时，各色条之间不相互渗透。

5、根据权利要求1或2或3所述的金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征在于所述编码的步骤是：平行器光学系统系统和投射系统的投射镜头与数码相机之间的距离1作为基线，为已知量，从光源投射到物体上的栅格与基线形成的夹角得出α，并用被摄物体本身的凹凸的像在CCD相机中的不同位置结算而得出另一个角β，平行器光学系统和投射系统彩色胶片的投射，使得三维空间中的几何信息即α角与光栅的折射频率分别一一对应。

6、根据权利要求1或2或3所述的金属表面划痕显微三维成像的方法，其特征在于所述解码的步骤是：由于结构栅格光其中的某条光带的色散角α与其波长λ具有关系式，因此在编码时可以事先得知α，那么结构栅格光的波长λ，可以通过分析其由投射到待测金属表面上彩色光栅的折射而反映到CCD相机上的颜色值取得，待测金属表面某点Q点坐标(x，y，x)的z轴信息，是本系统三维成像之关键，具体解码的方式为：

$z=\frac{b}{\mathrm{fctg}\left(a\right)-\mathrm{uf}}$

解码式中的α是由α与λ的关系式取得的；u，v待测金属表面某点Q在CCD相机对应像素的x，y轴方向上的距离；f为摄影物镜的焦距；b为光源中心到CCD镜头光轴的垂直距离。

7、一种适用于上述方法的金属表面划痕显微三维成像专用设备，其特征在于包括拍照系统和机械运动部分，拍照系统包括一平行器光学系统和投射系统、一高解析度及高分辨率的带有显微镜头的数码照相机组成的拍摄系统；机械运动部分包括纵向滑台、横向滑台、高精度旋转平台、床身、垂直调节支架和控制柜组成，纵向滑台设置于床身上面，横向滑台设置在纵向滑台的上面，高精度旋转平台设置在横向滑台的上面，可处置调整支架位于床身的上面，拍照系统和电容测微仪测头安装在可垂直调节支架上，机械运动部分受控制柜的控制，拍照系统和控制柜受计算机控制；平行器光学系统前设置有光栅彩色胶片，在光栅彩色胶片前部设置有带缩小镜头的投射系统，投射系统缩小镜头的高度与所述旋转平台匹配。

8、根据权利要求7所述的金属表面划痕显微三维成像专用设备，其特征在于所述数码相机与旋转平台之间还设置有消除反光装置。

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