基于单目视觉三维恢复算法的微观形貌原位测量方法研究

工件表面微观形貌分析在机械加工及测量领域有着十分重要的作用。与二维形貌分析相比,三维形貌分析能够提供更全面的表面信息。然而,现有复杂、昂贵的先进测量手段始终无法实现原位测量。为了实现对工件表面现场检测和三维形貌表征,将基于单目视觉的SFS(shape from shading,从明暗恢复形状)算法及光度立体法应用至微观形貌原位测量领域,提出一种可以进行二维图像采集并进行三维形貌重构的原位测量方法,并对比两种算法在微观形貌三维恢复上的结果。基于上述方法,进行SiC工件表面三维形貌恢复试验,同时与共聚焦显微镜扫描结果比较。试验结果表明,相比于SFS方法,光度立体法重构结果更加准确,截线特征点高度差相对误差低于27.2%,截线二维参数相对误差低于32.8%,表面三维参数相对误差低于19.6%,为解决机械零件表面微观形貌原位测量难题给出了新的解决思路。     

基于光度立体视觉三维重构算法的微观磨损形貌原位测量原理及方法

基于图像的表面微观磨损形貌分析在磨损机理及状态分析中具有重要的地位,三维显微成像技术的应用已经将二维磨损形貌图像分析拓展到更丰富的三维分析领域.然而,从设备维护及故障监测的角度,在机或原位测量显然比上述先进测量更具吸引力,并且复杂、昂贵的先进表面测量技术至今无法打破其在机或原位测量的壁垒.针对现场检测与三维分析的需求,将光度立体视觉原理引入至微观磨损形貌的原位测量,借助便携式平面图像采集系统进行光学设计,提出一种采用多阴影平面图像的三维表面重构方法.首先,通过张正友标定法实现空间点由图像坐标系到相机坐标系的转换;然后,基于成像系统建立近场点光源模型,并由光度立体视觉算法求解表面法向量;最后,基于FC算法计算表面深度与高度信息,完成磨损表面微观形貌三维重构.基于上述方法,研制便携式图像采集与三维重构系统,分别对平面和曲面两类表面进行检测试验,并与共聚焦显微镜测量结果进行对比.测量与对比结果表明,截面曲线上特征点之间的高度差误差小于4.2％,截面二维参数误差小于10.9％,三维表面参数误差小于12.9％.上述工作表明,所提出的方法为机械设备部件磨损表面原位测量与分析提供有效的技术手段.     

研磨表面微观形貌的三维检测及Areal表征

介绍了三维表面微观形貌的检测方法,分析了采用高斯滤波提取基准中面的原理,针对研磨表面形貌的表征选取了一组Areal表征参数。运用原子力显微镜(AFM)扫描研磨工件的表面,采用高斯滤波提取基准中面进而分离出表面微观形貌的三维信息,在此基础上计算出表征参数值。试验表明研磨表面微观形貌呈现高斯分布规律,采用高斯滤波方法及所选的Areal表征参数能够有效地表征研磨表面的三维微观形貌。     

亚纳米级超精细表面微观形貌光电测量技术的现状与发展

通过对亚纳米级超精细表面微观形貌光电测量技术发展现状的介绍，着重阐述了激光差动干涉到同轴式激光表面微观测量的原理，对四种典型同轴式激光轮廓仪的特点以及影响表面微观形貌测量精度和限制测量分辨率的因素进行了分析，介绍了作者关于同轴式激光轮廓仪运用到超精加工金刚石车床上进行纳米级微观形貌在线检测的研究成果。     

触针式三维粗糙度测量仪的开发及应用

基于表面微观形貌三维分析的完整性,介绍了一种新开发的触针式三维粗糙度测量仪。该测量仪可对表面各种功能属性、纹理结构、表面重要缺陷等进行量化描述,并通过对气缸套内表面珩磨平台网纹角度、分布、有效沟槽等的检测,验证了三维图像对实现表面个性化功能属性描述的重要意义,给人们认识和研究微观形貌提供了帮助。     

深孔表面三维形貌测量与控制装置的研制

针对深孔表面三维形貌难于检测的问题，在传统的触针扫描技术的基础上，利用柱面激光-全息光栅传感器，设计出了独特的光栅信号采集处理电路，采用大小数细分与融合的方法，来进行表面微观轮廓信息的采集。由上位机通过PCI总线的多功能板卡及步进电机细分驱动器来进行触针轴向微位移量的高精度运行控制，较好地实现了对深孔表面三维形貌的测量。详细介绍了深孔内表面三维形貌的测量与控制装置的测量原理、软硬件设计及特点，并给出了实验结果。     

三维显微光切法表面粗糙度的非接触测量技术

基于三维视觉检测原理对三维显微光切法表面粗糙度非接触测量技术进行研究。使激光光线与被测工件表面相切,利用工业相机采集获取表面微观轮廓,采用图像处理技术恢复出微观轮廓的几何形貌。根据设计算法,由表面粗糙度评定算法得到表面粗糙度的R_a、R_z等评定指标。这种测量方法效率高,适用范围广,且非接触式测量可避免对工件表面的损坏。     

加工表面形貌测量理论、方法及评价

随着精密、超精密及纳米级加工技术的发展,对工件表面的微观几何结构及表面形貌特性的检测提出了越来越高的要求,传统的二维表面测量,评定方法发展较为成熟,但已经不能满足现代计量技术的需要。三维的测量,评定方法则是目前国内外研究的重点。本文就表面测量方法、理论及评价指标等进行了论述。     

基于多层序列图像的三维表面粗糙度检测

提出了一种非接触检测工件表面粗糙度的新方法。利用光学测量显微镜景深小这一特点,将CCD沿金属表面垂直方向等间距拍摄部分聚焦的序列图像,然后采用方差聚焦测度算子确定融合图像中每点所属的高度层次,利用高斯插值方法计算微观物体表面更准确的高度信息,重构了三维微观形貌。同时探讨了三维表面粗糙度参数表征的可行性,通过与二维表面粗糙度参数的对比实验,验证了其正确性和可靠性。该方法对表面粗糙度的在线检测和更完整地表征3D形貌等方面具有参考价值。     

基于三维形貌重建的镗加工表面粗糙度检测

以计算机显微视觉为检测手段,采用明暗恢复形状方法重建加工表面微观形貌,进而检测加工表面粗糙度.根据微观金属表面反射特性,采用基于Torrance-Sparrow光照模型的明暗恢复形状算法,完成了镗加工表面图像三维形貌重构与表面粗糙度参数检测.     

基于空间编码投影法测量三维大物体面形

三维图像拼接技术是实现大型物体形貌测量的关键技术。本文在图像控制点约束的基础上,提出了一种实现三维图像拼接的新方法,即将一伪随机空间编码投射到一大型物体表面,然后用CCD在不同视角拍摄不同视场中的物体,利用重叠区域相同的某一窗口特征点进行配准,采用四元组法求取坐标转换矩阵,从而实现大范围自由曲面三维形貌的测量。实验结果表明：基于空间编码的图像拼接新方法,可以实现大尺度三维面形的测量。     

A Comparative Study on the Three-Dimensional Surface Topography for the Polished Surface of Femoral Head

Several surface topographic techniques have been widely used in many manufacturing engineering fields for studying the surface characteristics for the practical application of manufacturing surfaces. In this paper, a polished surface of a femoral head is considered for the compatative study, where the stylusbased technique, the autofocused optical measurement technique, the interferometric technique, and scanning probe microscopy are applied. After the operational principles are introduced, some practical comparative measurements are reported for the polished surface. Some useful comparisons and conclusions are drawn from the comparative study. General guidelines for the 3D surface topography are also given for practical application.     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

光学三维测量技术与应用

光学三维测量技术是一种可视化的测量技术,能完成复杂形体的点、面、形的三维测量,能实现非接触测量,在制造业和航空航天领域得到广泛应用。航空三维激光扫描与摄影测量技术利用激光测距原理和航空摄影测量原理,与基于全球定位系统(GPS)和惯性测量装置(IMU)的机载定位定向系统(POS)联接,可以快速获取大面积地球表面三维数据。本文对光学三维测量技术和航空三维激光扫描技术做一简单介绍,给出三维激光扫描技术在航空航天领域的几个应用。     

光切法测量中三维实体的重建

光切法是一种新型的三维表面轮廓的光电非接触测量方法，它主要有两个步骤：用ＣＣＤ获取物体表面的轮廓信息；重建三维实体。讨论了采用３ＤＡＰＩ实现三维重建的具体方法，并给出了实例。     

基于功能特性的MEMS表面结构三维测量评定探索

MEMS表面结构质量对其功能特性具有重要的影响,本文专门探索研究了MEMS表面结构三维测量评定,主要分析了其表面结构质量对其功能特性影响,并举例进行了分析;提出了基于功能特性的MEMS表面结构三维测量评定综合参数、测量评定流程方案.     

In situ non-contact measurements of surface roughness

Surface roughness measurements are often required to validate a machining process. However, when using a 3D surface roughness measuring instruments it is usually necessary to remove the part from the machine tool between two operations, potentially introducing systematic errors. Furthermore, surface roughness measuring instruments are not suited for measuring heavy and large parts such as stamping dies. This paper presents a method to measure the surface topography of a part in situ, i.e. directly on the machine tool without removing the part. After introducing the sensor technology and the data acquisition chain, the effects of geometric imperfections of the machine tool and compensation for thermal effects on the measurement results are discussed. An application of the method is then presented to assess a finishing process on a five-axis machining centre including milling and polishing operations.     

基于彩色条纹投影术的三维形貌测量

物体表面三维形貌数据的获取在智能制造、航空航天、文物保护、医疗卫生、远程教育等领域有着广泛的应用。三维形貌数据的获取受限于系统硬件的性能,特别是现有数字投影系统的投影速度,无法快速测得物体面形的三维形貌。彩色成像和投影系统的出现,为并行多颜色通道三维成像系统提供了新的研究方向。详细综述了基于彩色条纹投影术的三维形貌数据测量研究的现状。具体包括彩色条纹投影术的基本原理、彩色条纹调制和解调相关技术、三维成像系统的标定、以及未来的研究方向。接着给出几个利用彩色条纹投影术获取物体表面三维形貌和彩色纹理的实例。为彩色条纹投影术测量物体表面三维形貌数据提供了详尽的综述,并指明了未来潜在的研究新方向。     

树脂结合剂砂轮表面形貌的激光扫描测量与分析

采用激光三维扫描方法 ,对树脂结合剂砂轮的表面形貌进行了测量。测量结果表明 :砂轮表面形貌的形成 ,不仅与砂轮表面磨粒的突出有关 ,还受结合剂表面高度变化的影响。在表面形貌测量结果的基础上 ,对磨削过程进行了仿真 ,可以得到有效磨粒数占磨粒总数的比例 ,以及有效磨粒数在磨削过程中的动态变化过程。     

A two-dimensional isotropic spline filter

The work deals with the development of a two-dimensional isotropic spline filter with application to the separation of components of the surface topography, i.e. roughness, waviness and form. An appropriate variational problem was formulated to define the mapping of primary surface data into filtered surface data with a transfer function of a circularly symmetric low-pass Butterworth filter of a given order. The variational problem was solved by approximating the filtered surface data by means of two-dimensional B-spline functions. The Fourier transform of the filter impulse response was determined to estimate the quality of approximation of the Butterworth filter and to select the appropriate filter cutoff. The paper presents one application of the designed filter to determine 3D roughness of an inner ring race of a ball bearing.