摘  要：在窄浅槽的深度测量方面，常用的测量方法受到很多的限制。对不锈钢管的电火花加工（EDM）的刻槽深度测量，提出了一种在光切法基础上采用电荷藕合器件图像传感器（CCD）获得不锈钢管表面和刻槽底部的图像，运用数字图像处理技术对图像进一步处理的刻槽深度测量方法。介绍了光切法的原理，并详细介绍了对所获得的数字图像进行处理的步骤。实际应用表明，该方法有较高的测量精度。
关键词：数字图像处理技术，光切法，窄浅槽，刻槽深度，测量方法
中图分类号：      文献标识码：     文章编号：1672-4984（2007）00-0000-00

Research on a Fathoming Method for Groove Based on Light-section and Digital Image Processing TechNIque

Huang Dingming1, Kang Yihua1, Zeng Hongwei2
(1.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.Oil Pipe Testing Company, Sichuan Oil Material Parent Company, Chongqing 400039)

Abstract: Normal methods are restrained to measure the depth of narrow and shallow groove. With dealing with the photographed images of the tube’s surface and the groove’s bottom, a method is put forward to fathom the groove cut on stainless steel tube by EDM, based on light-sectioning method and digital image processing technique. Introduced is the principle of light-sectioning method, and detailed are the steps of processing the digital images. Relevant practice shows that the measuring method can attain high accuracy.
Key words: digital image processing technique, light-sectioning method, narrow and shallow groove, groove’s depth, fathoming method


1  前言
在无损探伤的研究中，往往要预先制作标准试样，以供设备研制的测试和标定。标准试样是一定规格的槽或孔，有关国家标准对其深度尺寸有较高的要求。测量刻槽深度的方法有多种，如机械仪表测量、超声波测量、脉冲热像检测和白光干涉测量法等。脉冲热像对槽深度的定量检测通常利用热像时间序列先求得峰值时间，进而求得槽深度，但该法不适合窄槽的测量[1]，也不适合精确测量深度小的缺陷[2]。机械仪表测量通常采用游标卡尺、深度百分表或千分表，操作简单，但测量的精度不高。超声波测量是在槽的两侧表面相近部位,分别配置超声波纵波发射探头和接收探头，接收探头接收到的回波中含有槽深度信息，按此回波的传播时间来测量裂缝的深度，该方法测量精度高，但超声波测量过程麻烦，适用范围小[3]。白光干涉测量法是利用迈克尔逊光路结构产生相干光，采用白光光源测量物体表面的三维轮廓，具有高测量精度和高灵敏度的特点，测试过程快速准确，但该方法对底部比较粗糙的刻槽不适合[4]。
在底部较粗糙的窄浅槽深度测量方面，上述测量方法受到了很大的限制。如今，数字图像处理技术已经非常成熟，同时CCD的成像质量越来越高。用光切法和CCD获取光带在槽轮廓处形成的图像，再用计算机软件对图像进行处理，不仅操作十分简便，而且测量精度较高。
2 光切法测量原理
光切法的主要设备是双管显微镜，其加装CCD后的测量光路如图1所示。双管显微镜有两个光管，一个为照明管，另—为观测管。两管轴线互成90°。光源4发出的光经聚光镜3聚焦成平行光，经狭缝2后形成细光带，再由物镜1聚焦后，成45°角投射在工件8的表面上。细光带与槽的长度方向垂直。光带以与光源成90°角的方向反射，经物镜7和目镜6聚焦后以供观测[5]。在目镜后加装CCD5，以便产生数字图像传送给计算机进行处理。


1—照明管物镜  2—狭缝  3—聚光镜  4—光源  5—摄像头
6—观测管目镜  7—观测管物镜  8—带窄槽的工件
图1  光切法测量光路图


在未开槽的工件表面上，光带成像是一条完整的光带，但开槽后由于槽底部与工件上表面不在一个高度上，形成的反射光带与上表面的反光会错开一定距离，光带不再是连续的。
3  CCD摄取图像
3.1  CCD成像原理
电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device）是在P（或N）型硅基体上，生成一层SiO2绝缘层（厚度约0.1μm），再于绝缘层上淀积一系列间隙相隔很小（小于0.3μm）的金属电极（栅极），每个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个MOS电容器，CCD实际上是由一系列MOS电容器构成的MOS阵列。由于这些MOS电容器彼此靠得很近，它们之间可以发生耦合，使被注入到MOS电容器中的电荷可以有控制地从一个电容器移位到另一个电容器。这种电荷转移过程是电荷耦合的过程 [6]。生成的电荷通过模数转换器芯片转换成数字信号，再传输给计算机，并借助计算机的处理手段，根据需要来修改图像。CCD通常以像素为单位。
3.2  光源的选择
CCD应用系统可大致分为摄像和检测两种类型，不同类型对照明光源有不同要求。摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色，光源一般是日光或大功率氙灯。检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。对于前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；而对于后者，应选用激光照明，它能满足单色性好、相干性好、光束准直度高等方面的要求[7]。
在实际测量中，采用了白炽灯光经黄绿色滤光片后所得的光作为光源，既有效地缩小了光的波长范围，又保证了光照度，效果较好。
3.3  摄取图像
在调好双管显微镜的光源聚焦后，再调整好显微镜的目镜，用肉眼观察光带的成像质量。在获得较好的成像质量后，安装好带有CCD的摄像头并摄取图像。前后需摄取两幅图像，一幅是工件完好表面的光带图像，还有一幅是槽及其相近工件表面的光带图像。
下图是实际测量一个电火花加工（EDM）获得的刻槽的光带图像。该工件是不锈钢管，其外圆柱面（OD面）上刻有纵向（槽的长度方向与钢管中心线平行）槽。先旋转钢管，在完好的部位拍摄一幅图像，如图2(a)所示。此图像是不锈钢管OD面反射光带的图像，用作槽图像的参照，便于较好地读取槽底部和其对应钢管表面的距离。图2(b)是钢管OD面和刻槽底部的反射光带共同形成的图像。
(a) 钢管表面的光带图像
(b) 钢管槽的光带图像
图2  CCD拍摄的图像
4  数字图像处理
在实际应用中，不锈钢管表面受光洁度的影响，形成的光带轮廓不是很清晰。尤其是电火花加工的缘故，槽底部的表面粗糙度较大，槽底形成的光带短小、模糊。在图像质量不高的情况下，有必要用数字图像处理技术对获得的图像进行处理，以提取感兴趣的信息[8]。
4.1 图像阈值分割
由于图像只由光带和暗背景两部分组成，因此首先对图像进行阈值分割处理可获得较好的图像效果。选用迭代阈值图像分割方法，先进行直方图灰度值统计，设定初始阈值为127，分别计算图像中小于127和大于127的两组平均灰度值，再进行迭代计算，直至两个阈值相等，根据计算的阈值对图像进行二值化处理 [8]。
4.2 滤波处理
滤波处理使图像轮廓平滑，图像质量得到改善。中值滤波既能去除图像中的噪声，又能保持图像中一些物体的边缘[9]。选用9×9中值滤波方法，读取图像后循环取得各点像素值，并对以各点为中心的9×9窗口所包括的像素值进行排序，得到中间值，以此替代各点的像素值[8]。
4.3 转为灰度图像
把彩色图像转换为灰度图像，便于下步的粗化处理。具体处理方法是比较各像素点的R、G、B分量值，取最大值作为该像素点的灰度值[8]，如图3所示。
(a) 钢管OD面光带
(b) 钢管槽光带
图3  灰度图像
此时的图像虽较清晰，但轮廓较粗，边缘不整齐，不利于读数，因此有必要进行进一步的处理。
4.4 粗化处理
粗化处理是为了获得图像的“骨架”，即图像轮廓的中轴线。先对灰度图像进行灰度值取补，然后再对图像细化处理，即先定义一个5×5的结构元素，计算5×5的结构元素中各个位置上的值，从第3行第3列开始起，判断每一像素点是否同时符合被删除的4个条件，并依次对其进行处理[8]。循环执行判断是否删除，直到没有点可以删除为止。结果如图4所示。
(a) 钢管OD面的光带骨架
(b) 钢管槽的光带骨架
图4  粗化处理
4.5 图像的叠合
从图2(a)中可清晰地看到光带图像是圆弧状的，为便于观察槽底部图像与加工前钢管外表面图像的差别，有必要把图7的两幅图像叠合到一幅图像上。叠合的方法是：对两幅图像进行与运算，处理结果如图5所示。
图5  叠合后的图像
4.6 局部放大后加网格
图5中上方的小黑点即为槽底部的图像，下方水平线即钢管表面未加工处的图像。为便于读数，把图像中间部分放大一倍，然后添加网格，分度为6微米/格，如图6所示。
图6  局部放大后的加网格图像
5  结语
在对不锈钢管的刻槽深度测量的实际应用中，该方法测量的精度较高，尤其适合刻槽底部具有一定粗糙度的窄浅槽深度的高精度测量，同时也可用作对刻槽宽度的测量。在开发出合适的应用程序后，该方法既可以实现数字图像的自动处理，也可以在自动处理图像的效果不好时，用手动的方式进行分步处理，必要时还可增加亮度调节和对比度调节以及其他滤波处理等环节。还可以在保证钢管移动平稳性的前提下，实现对单个刻槽不同部位深度的连续测量，便于完全掌握刻槽的深度信息。在改变显微镜的放大倍数的情况下，也可以测量较大的刻槽深度。
参考文献：
[1] 王永茂,王飒爽,马宁等.缺陷深度脉冲热像检测新方法(J).无损检测,2004,26(3),124-126.
[2] 王永茂,郭兴旺,李日华等. 缺陷大小和深度的红外检测(J).无损检测，2003，25(9)，458-461.
[3] 王亚峰.裂纹深度非破坏测量方法(J).计量技术，2006,7,39-40.
[4] 薛晨阳3,孔繁华,张文栋等.利用白光干涉原理测量MEMS深槽结构(J).传感技术学报(J),2006,19(5).
[5] 谢铁邦,李柱,席宏卓.互换性与技术测量（第三版）(M).武汉：华中理工大学出版社,1998.
[6] 刘笃仁等.传感器原理及应用技术(M).西安：西安电子科技大学出版社．2003.
[7] 王庆有等.CCD应用技术(M).天津：天津大学出版社，2000．
[8] 杨淑莹.VC++图像处理程序设计(第2版)(M).北京：清华大学出版社,北京交通大学出版社,2005.
[9] 夏良正等.数字图像处理(修订版) (M)．南京：东南大学出版社，1999．


                       
 
   

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