王赫，白素平，閆鈺鋒

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

零件由于各類應(yīng)力的作用會出現(xiàn)不同程度的損傷。在工業(yè)生產(chǎn)中，對于大部分結(jié)構(gòu)較為簡單的零件，表面產(chǎn)生的裂紋會隨著運(yùn)作過程中應(yīng)力的不斷作用而逐漸延展，這使得設(shè)備整體的工作安全和工作效率受到了影響，并隨著裂紋的逐漸擴(kuò)大引起設(shè)備的機(jī)械性能大幅度下降。因此，對零件進(jìn)行表面裂紋檢測并及時(shí)更換或處理問題零件在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。

近幾年一些裂紋檢測系統(tǒng)相繼問世，諸如Crack Viewer、IRP-100等裂紋檢測系統(tǒng)，它們雖然可以實(shí)現(xiàn)裂紋信息的提取，但采集結(jié)果中的干擾信息較多。為了進(jìn)行裂紋的檢測，Hutchinson等人［1］使用canny濾波器和小波變換相結(jié)合的方法；Iyer等人［2］使用了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法；Miwa等人［3］則利用了分水嶺分割算法。然而上述這些方法過度專注于將線性形狀特征做為裂紋的主要特征，因此只能將檢測出的一些線狀輪廓做為實(shí)際裂紋的近似，一方面它們無法十分準(zhǔn)確地檢測出完整的裂紋，另一方面測量對象也受到自身表面形狀的限制，進(jìn)而就無法得到相對準(zhǔn)確的裂紋長度信息［4-13］。

為了得到裂紋完整且準(zhǔn)確的圖像信息，在進(jìn)行裂紋圖像處理前，通過采用熒光滲透探傷對待測零件進(jìn)行滲透處理。在暗室環(huán)境中，熒光材料滲透到缺陷裂紋中，使得裂紋部分的對比度大大增強(qiáng)，最終采集到的圖像上，裂紋的輪廓清晰且連貫，同時(shí)可形變標(biāo)尺可以隨著零件的表面形狀展開，此時(shí)標(biāo)尺與裂紋的形變狀態(tài)相同，在相機(jī)下不管缺陷零件表面為何種形狀，在圖像中單個(gè)像元所對應(yīng)的實(shí)際長度是固定的，通過對應(yīng)像元的實(shí)際長度相疊加，不但可以實(shí)現(xiàn)對工件復(fù)雜表面裂紋長度的計(jì)算，同時(shí)由于像元的尺寸微小，讓測量精度大大提高。

1 熒光滲透探傷

熒光滲透探傷是一種以毛細(xì)管現(xiàn)象為基礎(chǔ)，用于檢查表面開口缺陷的無損檢測手段。是五種常規(guī)無損檢測方法中的一種（射線探傷、超聲波檢測、磁粉探傷、渦流檢測）。同其他無損檢測方法一樣，熒光滲透探傷也是在不損壞被測對象使用性能的前提下工作的。

本文中應(yīng)用水洗型熒光滲透探傷法來捕獲零件表面的缺陷區(qū)域圖像。根據(jù)所使用顯象劑的種類水洗型熒光滲透探傷的工作流程圖，如圖1所示。

圖1 水洗型熒光滲透探傷的工作流程圖

2 裂紋缺陷長度檢測

近幾年，國內(nèi)外有不少學(xué)者都在嘗試用數(shù)字圖像處理的方法，來檢測各種物體表面裂紋缺陷的尺寸。其目的都是在存在噪聲的物體表面圖像中檢測出裂紋輪廓并將其標(biāo)注出來。這樣做的主要問題在于檢測出的裂紋輪廓可能會出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致檢測不完整，并且由于相機(jī)與CCD精度問題使得裂紋識別的準(zhǔn)確率相對較低［14-16］。為解決這些問題，采用經(jīng)過熒光滲透處理后的零件圖像，加強(qiáng)裂紋處的圖像對比度，根據(jù)實(shí)際情況無需進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。同時(shí)，憑借在缺陷區(qū)域貼加熒光標(biāo)尺，以比例換算的方式降低相機(jī)與CCD帶來的精度誤差。

2.1 圖像的去噪處理

在對裂紋缺陷圖像區(qū)域進(jìn)行處理時(shí)，只針對裂紋所在的小區(qū)域圖像做相應(yīng)處理可以有效減少計(jì)算時(shí)間、提高算法運(yùn)行效率。本文中所采用的裂紋缺陷計(jì)算方法，所感興趣的特征區(qū)域?yàn)榱鸭y及標(biāo)尺所在窗口。裂紋與熒光標(biāo)尺邊緣都需要在圖像上清晰體現(xiàn)。主要通過迭代閾值法來實(shí)現(xiàn)特征區(qū)域的提取。

迭代閾值法中閾值化處理主要是為了確定裂紋與標(biāo)尺的初始窗口。圖像的分割精度極大程度上依賴于所確定的閾值是否準(zhǔn)確。迭代閾值法是閾值法圖像分割中比較有效的方法，通過迭代的方式來求出分割的最佳閾值，具有一定的自適應(yīng)性。迭代閾值法的步驟如下：

（1）確定參數(shù)T0，并選擇一個(gè)初始估計(jì)閾值T1；

（2）用閾值T1分割圖像。將圖像分為兩部分：灰度值大于T1的像素集合G1與灰度值小于T1的像素集合G2；

（3）分別計(jì)算G1及G2中所有像素的灰度平均值，記為μ1與μ2，則有新的閾值：

（4）若 |T2-T1|＜T0，則認(rèn)為T2為最佳閾值；反之，將T2賦值給T1，重復(fù)步驟（2）-步驟（4），直至得到最佳閾值位置。

2.2 裂紋尺寸的計(jì)算方法

假設(shè)標(biāo)尺的尺寸為Amm×Bmm，且可求得標(biāo)尺長所占像素個(gè)數(shù)為n1，寬所占像素個(gè)數(shù)為n2。將裂紋的圖像細(xì)化分塊，即將裂紋長度以單個(gè)像元長度為單位分割成許多小單元，得到裂紋長所占像素個(gè)數(shù)為。

分析標(biāo)尺，對于標(biāo)尺的長，單個(gè)像元所代表的實(shí)際長度通過比例換算可以得到，即：

同理，對于標(biāo)尺的寬，單個(gè)像元所代表的實(shí)際長度通過比例換算得：

建立坐標(biāo)系XOY，將裂紋沿X軸分成n段微弧dx1,dx2,…,dxn，由于單個(gè)像元尺寸足夠小，近似將這些微弧看成直線，如圖2所示。

圖2 裂紋分割圖

在實(shí)際圖像中dx實(shí)際上覆蓋了一定數(shù)量組成的列像元，分別對dx1,dx2,…,dxn取中心點(diǎn)，共計(jì)得到n個(gè)特征點(diǎn)，每相鄰兩點(diǎn)之間用直線連接，共計(jì)有n-1條線段z1,z2,…,zn-1。則以X軸為基準(zhǔn)，判別zi（i=1，2,…,n-1）與X軸的夾角θi。針對第i（i=1，2,…,n-1）個(gè)中心點(diǎn)，當(dāng)θi＜ 45°時(shí)，在其所在的像元列，dxi的長度為xi；當(dāng)θi≥ 45°時(shí)，在其所在的像元列，dxi的長度為yi。針對最后一段微弧dxn，其長度的選擇由第n-1個(gè)夾角θn-1的大小來決定，判別方式同上。最終裂紋的長度為：

3 精度分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)精度分析

在圖像采集時(shí)，裂紋與標(biāo)尺經(jīng)由統(tǒng)一光學(xué)系統(tǒng)縮放，最終成像在同一個(gè)CCD上，可使被測裂紋與標(biāo)尺所成的像擁有相同的畸變。被測裂紋與標(biāo)尺在拍照成像的過程中具有相同的系統(tǒng)誤差，且兩者的系統(tǒng)誤差可以起到相互補(bǔ)償?shù)淖饔?，因此，在對裂紋的測量過程中，誤差主要由CCD成像時(shí)單個(gè)像元引起，同時(shí)標(biāo)尺的尺寸誤差也會影響測量精度。

3.1.1 CCD單個(gè)像元引起的誤差

由于在圖像采集時(shí)，裂紋與標(biāo)尺被放入同一視場內(nèi)進(jìn)行比例換算，但因?yàn)镃CD分辨率不足以精準(zhǔn)地用整數(shù)個(gè)像元表征裂紋與標(biāo)尺的尺寸，所以CCD單個(gè)像元引起的誤差最大時(shí)分如下2種情況。

3.1.2 標(biāo)尺的誤差

標(biāo)尺根據(jù)其生產(chǎn)、工作環(huán)境等因素，其誤差通常分為尺長誤差ν1與標(biāo)尺使用時(shí)的測量環(huán)境溫度誤差ν2，從標(biāo)尺生產(chǎn)的角度，通常采用電子測量顯微鏡來測量，因此尺長的測量精度可達(dá)±1 μm，即δ1≤±1 μm；同時(shí)在正常室內(nèi)溫度下工作，標(biāo)尺的形變最大約為±3 μm，且呈偶然性，即δ2≤±3 μm。

3.1.3 誤差的合成

通過上述分析可知，CCD單個(gè)像元所引起的誤差與標(biāo)尺的誤差均為隨機(jī)誤差，在測量實(shí)踐中，各個(gè)單項(xiàng)誤差的隨機(jī)誤差和測量結(jié)果的總誤差也常以極限誤差的形式表示，由于極限誤差可通過標(biāo)準(zhǔn)差來表示，故合成后的總誤差可寫為：

由于所選用的遠(yuǎn)心鏡頭光學(xué)倍率為1，所以CCD單個(gè)像元所引起的誤差可以直接帶入計(jì)算。將CCD單個(gè)像元所引起的誤差與標(biāo)尺的全部誤差代入總誤差公式，計(jì)算長度的合成誤差。合成后長度的誤差為：

由于裂紋分布不是水平或垂直的，根據(jù)長度方向的作用誤差，得出測量長度的結(jié)果表達(dá)式為：

裂紋與標(biāo)尺所占的像元個(gè)數(shù)比可近似等于長度比，已知裂紋長度最長為5 mm，標(biāo)尺的邊長為3 mm，所以有：

故裂紋長度的極限誤差為：

3.2 實(shí)驗(yàn)原始圖像

經(jīng)由熒光滲透探傷過程處理過后的表面帶有缺陷的零件，其表面粘貼著涂有熒光顏料的標(biāo)尺，標(biāo)尺的尺寸為3×3 mm2，由于對比度的差異，裂紋缺陷在圖像中較為清晰，為了方便完成裂紋長度的測量，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過激光打標(biāo)機(jī)在薄片金屬零件上，刻劃了3道長度不同的劃痕作為待測裂紋。為方便手工測量，激光打標(biāo)機(jī)在薄片型零件上刻劃的模擬裂紋均為直線，經(jīng)由手工測量三道劃痕的長度分別為4.98 mm、3.86 mm、2.35 mm。且由于激光打標(biāo)機(jī)工作時(shí)光束能量較高，薄片金屬零件受熱發(fā)生形變，其表面由平面變?yōu)閹в幸欢ɑ《鹊牟灰?guī)則表面。圖像采集實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3所示。

圖3 圖像采集實(shí)驗(yàn)裝置圖

該裝置所采集到的模擬裂紋區(qū)域圖像如圖4所示。

圖4 采集到的裂紋區(qū)域圖像

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

運(yùn)用裂紋長度檢測算法測量裂紋圖像中的裂紋長度，通過去噪及閾值化處理后所得的圖像結(jié)果如圖5所示。

圖5 迭代閾值分割后的裂紋圖像

測量所得裂紋長度結(jié)果分別為4.987 4 mm、3.872 3 mm、2.340 2 mm，與激光刻制的標(biāo)準(zhǔn)值相比測量誤差分別為 7.4 μm、12.3 μm、-9.8 μm，均位于精度分析中±18.9 μm的測量精度范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)常見裂紋長度檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)和裂紋長度檢測相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，從滲透探傷和圖像處理相結(jié)合的角度出發(fā)，提出一種在采用滲透探傷的情況下，通過累加單個(gè)像元尺寸，實(shí)現(xiàn)對工件復(fù)雜不規(guī)則表面裂紋長度計(jì)算的方法。相比于過去常用的裂紋尺寸檢測方法該方法具有更高的測量精度，且不受面型種類的影響。通過相應(yīng)的精度分析計(jì)算后得到該算法的裂紋長度測量精度為±18.9 μm，實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量情況也表明，精度分析計(jì)算所得測量精度范圍合理。