基于圖像測量技術的球壓壓痕尺寸檢測方法研究

檀叢嘯，魏運明，余以周，許 亮

（福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002）

1 引言

球壓試驗是許多電器產品國家標準中規定進行，以考核產品中所使用的非金屬材料耐熱性能的試驗。國際電工委員會（IEC）標準IEC60695-10-2：2014中詳細規定了試驗的方法、設備及接受條件[1]。標準中規定的球壓試驗裝置如圖1所示。試驗前先將球壓試驗裝置放置于規定溫度的烘箱內持續加熱至熱平衡狀態或加熱24小時，然后將試驗樣品放置在樣品支架大約中心的位置，并使樣品上表面保持水平；再將壓力球輕輕壓在樣品中心位置，并確保試驗期間沒有水平移動。經過規定時間后，將樣品及球壓試驗裝置從烘箱中取出，并在10秒內將樣品浸入溫度為20℃±5℃的水中6±2分鐘，從水中取出并去除所有水分。從水中取出3分鐘內測量壓力球在樣品表面產生壓痕的橫跨最大尺寸d，如果尺寸d不超過2.0mm，則表示該樣品球壓試驗合格。

圖1 標準中規定的球壓試驗裝置圖

在舊版標準IEC60695-10-2：2003中規定壓痕尺寸d不應包括材料的變形，并且明確規定了壓痕端點的位置，如圖2所示。但由于準確測量尺寸d在技術上幾乎不可能，新版標準IEC60695-10-2：2014也對該規定進行了修改，規定d為可分辨的樣品壓痕最大直徑，如圖3所示。但壓痕普遍很小，可接受尺寸不超過2mm，測量d值依然困難，并且在新標準及相關資料中仍沒有給出如何在試驗中簡單有效測量壓痕尺寸的方法。

圖2 球形壓痕部分的端點位置圖

圖3 d為可分辨的樣品壓痕最大直徑

目前，壓痕尺寸多通過讀數顯微鏡人工測量，該測量方法依靠檢測人員的經驗來判斷壓痕邊界，測量結果準確度不高，且存在不同檢測人員判斷不一致、不同材料表面特性不同影響檢測人員判斷、自然光照條件下壓痕邊界難以觀測等問題[2]。

2 有效壓痕分析及檢測原理

2.1 有效壓痕的分析

由于樣品表面的壓痕是由球形壓力球擠壓形成，故壓痕由一個與壓力球表面完全貼合的標準球形弧面，即由一個理想的凹面，及其周圍的過渡區域組成。根據光學原理，理想凹面有著優良的聚光特性，如圖4所示。標準弧面以外的部分為非理想弧面，弧度逐漸過渡到平面。由此可以將樣品壓痕分為A、B、C三個區域，如圖5所示。其中，A區域為標準弧面部分，由于該部分樣品表面為理想凹鏡，聚光性好，與周圍區域相比特別明亮；C區域為未發生形變的平面，幾乎沒有聚光效果，呈現出樣品表面原有的光澤；B區域作為A、C區域的過渡區域，為非理想凹面，雖然聚光特性不及A區域，但明顯優于C區域。從圖3中同樣可以看出A、B、C三個區域，其中B區域的邊界相對清晰，其最大直徑為d值。

圖4 理想凹面有著優良的聚光特性

圖5 分為A、B、C三個區域的樣品壓痕

2.2 基于圖像識別技術的檢測原理

由上文可知，檢測球壓壓痕尺寸，即是精確確定B區域的邊界并測量其尺寸大小。由于壓痕尺寸過小，人眼很難準確判斷壓痕邊界，這也是壓痕尺寸測量的難點。結合近年來發展迅速的圖像識別技術，利用B區域在亮度上與C區域有明顯區別的特點，提出了一種基于圖像測量技術的球壓壓痕尺寸測量方法。

該方法流程圖如圖6所示。首先，對采集到的圖像進行預處理：對圖像進行灰度處理，然后利用兩個高斯濾波器對圖像進行帶通濾波處理。由于該方法是將亮度大小作為有效壓痕區域的判定依據，所以將常規采集到的彩色圖像進行灰度處理，增強圖像的亮度特征；濾波器的目的是降低圖像的噪聲以減少后續處理中的干擾。其次，將采集到的圖像信號進行傅里葉變換，將時域信號轉換到頻域進行處理，根據亮度在頻域中的閾值，確認有效壓痕的區域。之后進行傅里葉反變換和連通域等操作，將圖像信號轉換回時域，提取出上一步判定的有效壓痕。最后，對得出的有效壓痕圖像提取邊界并進行擬合，得出圓形壓痕邊界并計算出其尺寸[3]。

圖6 基于圖像測量技術的球壓壓痕尺寸測量方法的流程圖

3 基于圖像測量技術的檢測系統

根據上文提出的測量方法，文中提出了由載物平臺、光源、光學鏡頭、工業相機、PC機組成的檢測系統，如圖7所示。

圖7 由載物平臺、光源、光學鏡頭、工業相機、PC機組成的檢測系統圖

光源發出的光線垂直向下照射在樣品表面，反射的光線通過光學鏡頭放大，由工業相機拍攝圖片并傳給PC機，然后由PC機對所采集到的圖像進行處理并計算出有效壓痕的尺寸。

3.1 硬件系統

3.1.1 照明系統

恰當的照明方式是所有圖像檢測系統的基礎，照明效果影響到被攝物體成像的質量。選擇合適的光源，可以突出檢測目標的特征，從而簡化算法、提高檢測精度。

常規試驗室中的光照條件不穩定，一般不能直接用做圖像檢測系統的照明光源。根據球壓壓痕檢測的特點，本系統采用LED光源。LED光源具有響應速度快、壽命長、高節能、形狀多等優點。圖像檢測系統的照明方式又分為前景打光、背景打光和同軸打光三種。其中，同軸打光能提供更加均勻的照明，對存在很強鏡面反射的物體仍能突出其表面，如劃痕、凹凸特性等。故結合球壓試驗樣品表面的光潔度高、反射強，且球壓壓痕尺寸小的特點，本系統采用同軸光源照明。同軸光源原理圖如圖8所示。

圖8 同軸光源原理圖

3.1.2 工業相機

工業相機是圖像檢測系統的“眼睛”，其成像質量的好壞直接決定系統的成敗。本系統選用相機時考慮的主要因素包括信號類型、圖像傳感器類型及相機幀率等。最終選用某款36萬像素工業相機作為本系統的圖像采集裝置，其外形如圖9所示。其主要參數如表1所示。

圖9 作為本系統的圖像采集裝置的36萬像素工業相機外形圖

表1 工業相機主要參數表

3.1.3 光學鏡頭

光學鏡頭在圖像測試系統中的作用相當于人眼中的晶狀體，其性能主要由焦距、光圈大小、鏡頭畸變來衡量。

在相機中，焦距是指從鏡頭的鏡片中心到成像芯片平面的距離。焦距對鏡頭的視場大小、工作距離、景深等有決定性影響，在選擇鏡頭時，焦距一般是第一個被考慮的因素。鏡頭的焦距根據相機離被攝目標的距離、相機成像芯片的尺寸、獲取視場的大小等條件確定。

鏡頭的光圈控制著進入相機的光通量，其大小制約著相機的曝光時間。同時，光圈也控制著鏡頭的景深，光圈越大，景深越長。

鏡頭的畸變是無法避免的，一方面，現實世界中沒有形狀完美的透鏡；另一方面，相機組裝時也很難保證鏡頭內透鏡與相機成像傳感器是理想的平行狀態。所以必須根據需要采集的大小、采集的精度來選用合適畸變度的鏡頭，才能保證圖像檢測的精確性。

本試驗系統選用的鏡頭具體參數如表2所示。

表2 本試驗系統選用的鏡頭具體參數表

3.2 軟件系統

根據文中第二章節提到的系統檢測原理，本試驗系統軟件采用C++語言編程，操作簡便、數據直觀，實現了球壓壓痕邊界的自動顯示、壓痕尺寸自動計算的功能。

程序面板如圖10所示。按相機的實際分辨率輸入參數、選擇拍攝好的樣品照片，便可以自動生成壓痕邊界，并自動求出壓痕尺寸。

圖10 程序面板圖

4 測量結果的分析與展望

為了考量該檢測方法測量數據的重復性，文中對某一球壓試驗樣品拍照10次，并通過軟件計算球壓壓痕尺寸大小，結果如表3所示。

表3 球壓壓痕尺寸大小表

分析該組數據，壓痕尺寸平均值為1.767mm，標準差約為0.031mm，方差約為0.00093mm，標注差和方差小，檢測系統具有良好的重復性。

檢測系統的特性除了重復性外，還涉及到測量精確性問題。由于該測量方法是根據球壓壓痕照片的亮度閾值法來判定球壓壓痕的邊界，所以該閾值的大小直接關系到測量結果。為了保證該方法測量的精確性，需要對該系統進行標定從而確定正確的閾值。文中對5個不同的球壓壓痕樣品進行測量，測量結果與人工通過顯微鏡讀數基本一致。但是測量設備需要用固定壓痕尺寸大小的標準樣品或用高準確度、已計量的測量設備檢測的測量值進行標定，人工讀數的準確度并不高，無法對該系統的準確度進行更嚴格的考量。在系統測量準確度方面將來還需要進行進一步的試驗和研究。

參考文獻

[1]IEC 60695-10-2:2014 Fire hazard testing Part 10-2:Abnormal heat-ball presure[S].Switzerland: IEC, 2014.

[2]Parker JR. Algorithms for Image Processing and Computer Vision[M].John Wiley & Sons,Inc.,2010.

[3]劉豐.基于機器視覺技術的水表在線檢定系統的研制[D].福州大學,碩士學位論文，2016.