鄧義斌,張俊，武龍飛,熊君,胡飛孔

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,武漢 430063；2.中船工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司，廣州 510700;3.武漢市船舶檢驗所，武漢 430030)

船舶主機墊片配制是主機安裝的重要工序之一，墊片配制質(zhì)量是影響船舶主機安全運行的重要因素。GB/T34000—2016《中國造船質(zhì)量標準》明確要求主機墊片的接觸比不低于70%，允許極限60%[1]。主機墊片有用鋼質(zhì)墊塊刮配的[2]，也有環(huán)氧樹脂澆注成的[3]，鋼質(zhì)墊片在主機安裝中必不可少。目前船舶修造現(xiàn)場，主機鋼質(zhì)墊片進行接觸比檢測采用傳統(tǒng)的色油法[4]，即在與調(diào)整墊片表面接觸的配合面上涂抹色油后試配，取出墊片，觀察墊片表面色油分布情況，評估接觸比是否滿足要求。此法依賴經(jīng)驗且只能粗略評估，無法得到精準的檢測結(jié)果。國內(nèi)外關(guān)于接觸面精確檢測方法分為接觸式和非接觸式[5]，由于非接觸式平面檢測的精度高、效率高等優(yōu)點正逐步替代傳統(tǒng)的接觸式檢測，非接觸式檢測主要用在粗糙度測量、平面度測量等場合[6]，以及摩擦接觸面分析，還有運用圖像處理技術(shù)分析接觸面圖像以獲取更多細節(jié)信息,但在配合件表面接觸面積的定量檢測方面仍存在空缺。為此，本文提出一種基于計算機圖像技術(shù)的接觸比精確檢測方法，運用計算機圖像處理技術(shù)對主機鋼質(zhì)墊片的色油圖像進行識別，探索接觸比的精確檢測方法和技術(shù)，開展模擬實驗評估檢測效果，并分析檢測結(jié)果的影響因素。

1 主機墊片接觸比精確檢測技術(shù)

接觸比η是實際接觸面積S1與理論接觸面積S0的比值，計算公式如下。

(1)

主機墊片接觸比的圖像檢測就是將色油圖像中接觸部分和未接觸部分區(qū)分開來，精確計算出各部分面積，然后計算出接觸比。主機墊片接觸比精確檢測的思想就是運用計算機圖像處理技術(shù)對色油圖像進行預(yù)處理、圖像灰度轉(zhuǎn)換、二值圖轉(zhuǎn)換、二值圖像素點統(tǒng)計等一系列處理，從而得出精確的接觸比。

1.1 接觸比精確檢測流程

1)圖像采集及預(yù)處理。采集主機墊片色油圖像，根據(jù)需要進行預(yù)處理(如拉伸，變形，剪裁等)，獲得有效的檢測區(qū)域。

2)圖像灰度轉(zhuǎn)換。運用浮點算法將RGB三原色的色油圖像轉(zhuǎn)化為灰度顏色的圖像。

3)圖像二值轉(zhuǎn)換。采用大津法(OTSU算法)產(chǎn)生自適應(yīng)閾值T，把灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖。

4)二值像素統(tǒng)計。遍歷二值圖中所有像素，并分類統(tǒng)計，從而計算出接觸比。

1.2 接觸比精確檢測關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 色油圖像采集及預(yù)處理技術(shù)

在與主機墊片接觸的配合面均勻涂抹色油后試配，然后取出墊片，拍照獲取接觸面的色油分布RGB圖像。拍照時盡量采用正常的拍攝角度、光線等以保證圖像質(zhì)量。一般來說，為保證獲取完整的目標圖像，在拍照時會拍攝到多余的非目標區(qū)域，此時需要對RGB圖像進行裁剪或拉伸等預(yù)處理來提取有效的檢測區(qū)域，由于計算機圖像處理是將像素點矩陣化，為便于后續(xù)分析計算，應(yīng)將RGB圖像裁剪為與墊片相同形狀的矩形。

圖1a)為船舶主機墊片刮配現(xiàn)場拍攝的色油分布RGB圖像；圖1b)為通過預(yù)處理提取的有效區(qū)域。在圖1a)到圖1b)的預(yù)處理過程中，除了裁剪，還進行圖片的拉伸處理。這是由于拍攝時攝像頭與主機墊片表面不平行，導(dǎo)致不同區(qū)域的壓縮比例不同。通過圖片的拉伸處理，可以使圖像在水平與豎直兩個方向分別保持相同壓縮比例。

圖1 主機墊片色油圖像處理過程

1.2.2 浮點算法

RGB圖像由R、G、B3個分量構(gòu)成，每個像素點有1 600多萬種變換。當3個分量數(shù)值一致時，圖像稱之為灰度圖像?；叶葓D像每個像素點有255個值，數(shù)據(jù)量大大降低。浮點算法是最常見的灰度處理方法，該算法符合人眼對顏色的敏感情況，貼近裝配現(xiàn)場的實際。目前，較為符合人眼特點的浮點運算經(jīng)驗公式為

f(i,j)=0.3R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j)

(2)

式中：R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)分別表示圖像中第i行，j列像素點的像素值；f(i,j)表示轉(zhuǎn)化為灰度圖像后該點像素值。

對圖1b)運用浮點算法處理結(jié)果見圖1c)。

1.2.3 OTSU算法

灰度圖像經(jīng)過閾值分割后轉(zhuǎn)化為二值圖，即每個像素點只有0和1兩個值，0代表黑色，1代表白色。由于二值圖沒有灰度圖像的多級像素值，圖像數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度再次簡化，能顯現(xiàn)出不同區(qū)域的邊緣輪廓，使圖像變得更加簡單，便于后續(xù)處理。OTSU稱為最大類間方差法，追求的是目標與背景類間方差最大時的閾值，該算法建立如式(3)所示的目標函數(shù)來確定分割閾值。

g(t)=W0×(U0-U)2+W1×(U1-U)2

(3)

式中：t為目標與背景的分割閾值；g(t)為閾值為t時的類間方差；W0，W1分別為圖像中目標點和背景點的比例，U為圖像均值，U0、U1分別表示圖像中目標點和背景點均值。

OTSU以圖像灰度特性為依據(jù)，將圖像分為背景與目標兩部分，二者類間方差越大，說明圖像中二者的差別越大。墊片檢驗時涂抹的色油通常調(diào)配為藍油或紅油，未接觸面保持金屬光澤，而接觸面具有色油顏色，在同等拍攝條件采集到的圖像灰度處理后，兩者差異較大。因此，選取類間方差最大時的閾值來進行圖像分割最為合理。對圖1c)運用OTSU算法處理結(jié)果見圖1d)。

1.2.4 接觸比計算

墊片的試配過程是以接觸面有無色油來區(qū)分是否接觸：有色油即認為接觸，反之未接觸。色油圖像經(jīng)過處理得到二值圖后，接觸點和未接觸點分別對應(yīng)為二值圖中的0和1。因此，遍歷二值中的像素點，統(tǒng)計0和1所占比例，即可得出代表0區(qū)域在圖像中面積比例的大小，從而計算得到接觸比。

(4)

式中：η0為二值圖中像素值為0的面積比例；N0為二值圖中像素值為0的像素點數(shù)；N1為二值圖中像素值為1的像素點數(shù)。

2 模擬實驗

2.1 實驗材料

1)接觸塊對。200 mm×200 mm×20 mm的不銹鋼板2塊，擬接觸的2個實驗表面經(jīng)過拋光處理。其中一塊模擬機座，另一塊模擬墊片，在墊片模擬塊實驗表面的50、100和150 mm處分別加工200 mm×10 mm×3 mm的2個平行槽模擬未接觸面積，如圖2b)所示；采用3D打印制作200 mm×100 mm×8 mm的樹脂板1塊，在接觸面設(shè)置有深度為2 mm面積已知的正方形、三角形和圓形凹槽來模擬未接觸面積，并在凹槽區(qū)域設(shè)置個數(shù)不同直徑為1 mm圓柱來模擬接觸點，如圖2c)所示。

圖2 實驗?zāi)M

2)色油。用潤滑油和紅色氧化鉛粉末等調(diào)配制成，由于潤滑油與工業(yè)重油存在黏度差異，需在潤滑油中加入比正常情況稍多的氧化鉛粉末并充分攪拌，參照工業(yè)重油的黏度調(diào)制。

2.2 實驗步驟

1)將基座模擬塊置于水平工作臺，在其擬接觸面上均勻涂抹調(diào)制好的色油。涂抹過程中注意保證色油均勻分布，厚度取10～15 μm。

2)將墊片模擬塊1的實驗面朝下覆蓋在基座模擬塊上表面的一側(cè)，勻速向另一側(cè)推動，直2個實驗面完全重合。放置2～3 min后即可將墊片模擬塊1沿原路徑勻速拉回，直至二者分離，放置好墊片模擬塊1。

3)將基座模擬塊的色油清洗干凈，重復(fù)步驟1)后，然后按步驟2)進行墊片模擬塊2的配合實驗。

4)采集墊片模擬塊1和2實驗表面色油圖像，拍攝時注意光照條件和拍攝角度，避免局部強烈反光。

5)應(yīng)用接觸比精確檢測方法評估結(jié)果。

2.3 實驗結(jié)果

圖3分別為采集到的模擬墊片1色油圖像的未切分圖和切分圖；圖4a)b)為自然光源和非自然光源條件下采集到的模擬墊片2色油圖像，圖4c)d)e)分別為自然光源下模擬墊片2不同區(qū)域的局部色油圖像，上述圖像的檢測結(jié)果見表1。

圖3 墊片模擬塊1色油圖像

圖4 墊片模擬塊2色油圖像

表1 模擬實驗識別結(jié)果

3 實驗結(jié)果分析

3.1 影響因素

1)圖像切分。對比圖3a)、b)實驗結(jié)果可知，對圖像進行切分，針對每個子區(qū)域進行閾值分割可以有效提升檢測精度。這是由于在采集色油圖像時，如果攝像頭距接觸面較近，則接觸面上的各點與攝像頭之間的距離會產(chǎn)生較大偏差，從而導(dǎo)致拍攝得到的色油圖像各點像素值差異較大，例如，與攝像頭距離差異較大的區(qū)域1和區(qū)域2，假設(shè)這2個區(qū)域目標值均小于背景值，并且目標像素值和背景像素值分別為m1、n1和m2、n2，由于像素值的差異，可能出現(xiàn)m1>n2或m2>n1的情況，如果對全圖采用統(tǒng)一的閾值進行閾值分割，將會導(dǎo)致目標像素點與背景像素點的錯誤識別，降低識別精度。因此可適當將圖像進行切分，分別對每個區(qū)域進行閾值分割，可以降低錯誤識別的機率。

2)光照條件及拍攝角度：對比圖4a)、b)及實驗結(jié)果可知，在自然光源條件下拍攝，無強烈反光區(qū)域形成，各點反射角度幾乎一致，檢測精度較高；而在燈光等非自然光源條件下，反射光線較強，而且各點的反射角度差異增大，局部反射光線的聚集產(chǎn)生光斑，而光斑的產(chǎn)生會嚴重影響圖像的識別，檢測精度較低。船廠裝配施工現(xiàn)場的光照條件一般為室內(nèi)燈光，因此為避免光斑的形成，拍攝色油圖像時可以從側(cè)面進行，適當?shù)貎A斜角度，一方面可以減弱反射光線，另一方面可以尋找適當?shù)奈恢煤徒嵌?，避免產(chǎn)生反射光斑。

3)色油黏度及厚度。當調(diào)配的色油黏度較低時，色油的擴散性增加，導(dǎo)致有部分色油流入凹槽如圖4c)d)e)所示，色油區(qū)域所占比例增加，導(dǎo)致接觸比識別偏大；當黏度過大，氧化鉛粉末無法與潤滑油充分混合，形成氧化鉛小顆粒并結(jié)塊，影響墊片之間的接觸。另外，色油厚度過低時，即便發(fā)生接觸也可能無法沾染色油，即無法將接觸反映在色油圖像上，導(dǎo)致接觸比識別偏??；相反，當色油厚度過大時，由于墊片的接觸面之間的擠壓，會將過厚的色油擠壓的其他區(qū)域，存在覆蓋未接觸區(qū)域的可能，導(dǎo)致接觸比識別偏大，此外，色油厚度過大，易造成色油堆積，對光線的反射作用增強，形成反射光斑。

4)無效區(qū)域去除。主機墊片通常會有地腳螺栓孔，該區(qū)域本來就不會有配合面與之接觸，稱之為無效區(qū)域。無效區(qū)域的存在相當于增加了理論接觸面，會導(dǎo)致接觸比偏低。因此，在圖像預(yù)處理時就應(yīng)該標識出無效區(qū)域或?qū)⒃搮^(qū)域透明化處理，并在后續(xù)處理過程中略過無效區(qū)域。

3.2 檢測方法評價

從3.1分析可知，在檢測過程中注意控制不利影響因素帶來的干擾，合理操作，檢測精度能達到表1的2，3，5，6和7號的檢測結(jié)果水平，接觸比識別誤差可以控制在一般工業(yè)應(yīng)用的3%以內(nèi)，滿足裝配現(xiàn)場的使用需求。因此，接觸比精確檢測方法操作簡單，可以應(yīng)用到實際船舶主機墊片刮配工作，并為不滿足國標規(guī)定接觸比的配合面的進一步刮配提供參考。

4 結(jié)論

1)相較于傳統(tǒng)色油法只能粗略評估船舶主機墊片接觸比是否滿足標準要求，本文提出基于圖像處理技術(shù)的接觸比精確檢測方法能給出定量的、精確的接觸比結(jié)果。

2)開展船舶主機墊片定量的、精確的接觸比檢測并記錄檢測結(jié)果有助于在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下實現(xiàn)船舶主機裝配的質(zhì)量溯源。