本發(fā)明涉及一種四球摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)定潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能的擴(kuò)展應(yīng)用，具體涉及一種利用邊緣信息進(jìn)行磨痕方向自動(dòng)定位的方法。

背景技術(shù)：

潤(rùn)滑性好的潤(rùn)滑油可以保護(hù)機(jī)械、延長(zhǎng)工作壽命，常常通過(guò)四球磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)量。根據(jù)我國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GB-T 12583-1998和H-T 0762-2005)，潤(rùn)滑劑抗摩損性能測(cè)定方法為：將三個(gè)直徑為12.7mm的鋼球夾緊在一油盒中，并用試油浸沒(méi)，在三球頂部放置一個(gè)直徑的鋼球，在試油溫度達(dá)到75℃±2℃后，施加147N或392N作用力，頂球在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)60min，隨后取出底部的三個(gè)鋼球，在測(cè)量精度為0.01mm的顯微鏡下測(cè)量三個(gè)鋼球的磨斑直徑，三個(gè)鋼球共得到六組測(cè)量數(shù)據(jù)，潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂的抗摩性能通過(guò)三個(gè)球的六次測(cè)量的摩斑直徑的算術(shù)平均值來(lái)評(píng)價(jià)。磨痕方向的確定可以便于磨斑直徑的測(cè)量、擺正磨斑圖像的拍攝角度，以及便于后續(xù)的磨痕強(qiáng)度、密度等后續(xù)的分析處理等等。基于此，我們提出了一種基于邊緣信息的磨痕方向自動(dòng)定位方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供的一種四球摩擦試驗(yàn)?zāi)グ邎D像磨痕方向自動(dòng)定位方法，決了現(xiàn)有的測(cè)定方法中由于試驗(yàn)人員的感知誤差，導(dǎo)致的測(cè)量精度不準(zhǔn)確等缺陷。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明提供的一種四球摩擦試驗(yàn)?zāi)グ邎D像磨痕方向自動(dòng)定位方法，包括以下步驟：

步驟S1，四球摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，采集試驗(yàn)所使用的三個(gè)底部鋼球上的磨斑圖像F；

步驟S2，將采集到的彩色磨斑圖像F進(jìn)行灰度化處理，得到灰度磨斑圖f；

步驟S3，通過(guò)邊緣檢測(cè)算子對(duì)灰度磨斑圖f進(jìn)行邊緣檢測(cè)，用來(lái)提取磨斑圖中的磨痕，得到磨斑邊緣圖E；

步驟S4，將上述所得到的磨斑邊緣圖E第一次以α＝0的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)了α的旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α；

步驟S5，計(jì)算上述所得的旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α中第x行從(x,1)到(x,y)的連續(xù)邊緣的長(zhǎng)度，得到行邊緣長(zhǎng)圖d_α；

步驟S6，對(duì)上述所得的長(zhǎng)邊緣圖d_α從左到右進(jìn)行逐行掃描濾波處理，保留每行中連續(xù)長(zhǎng)超過(guò)一定值T的邊緣，得到行濾波圖h_α；

步驟S7，計(jì)算旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α的水平標(biāo)記S_α；

步驟S8，當(dāng)α<180°時(shí)，則需以迭代法循環(huán)執(zhí)行步驟S4到步驟S7；

步驟S9，當(dāng)α≥180°時(shí)，則根據(jù)水平標(biāo)記S_α確定磨斑圖像方向水平角θ。

優(yōu)選地，步驟S1中，所述磨斑圖像F的像素大小為M×N，所述磨斑圖像F的任一像素點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y)，則x和y分別表示該像素點(diǎn)的行和列，且x和y均為整數(shù)。

優(yōu)選地，步驟S2中，所述灰度磨斑圖像f中像素點(diǎn)(x,y)的灰度值為f(x,y)，則f(x,y)的計(jì)算式如式(1)所示：

f(x,y)＝0.3·R(x,y)+0.59·G(x,y)+0.11·B(x,y) (1)

其中，R(x,y)、G(x,y)和B(x,y)分別表示磨斑圖像F中像素(x,y)的紅色分量值、綠色分量值和藍(lán)色分量值。

優(yōu)選地，步驟S3中，所述的邊緣檢測(cè)算子為Sobel、Canny或Prewit邊緣檢測(cè)算子，其中，所述磨斑邊緣圖E為二值圖，其中，E(x,y)＝1表示邊緣點(diǎn)，E(x,y)＝0表示非邊緣點(diǎn)。

優(yōu)選地，步驟S4中，所述的旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α為二值圖，其大小為M_α和N_α，其中，E_α(x,y)＝1表示邊緣點(diǎn)，E_α(x,y)＝0表示非邊緣點(diǎn)。

優(yōu)選地，步驟S5中，所述行邊緣長(zhǎng)的計(jì)算式(2)如式：

其中，d_α(x,y)表示行邊緣長(zhǎng)圖像素點(diǎn)(x,y)的連續(xù)邊緣長(zhǎng)，即表示第x行中像素點(diǎn)(x,y)的左側(cè)有(d_α(x,y)-1)個(gè)1。

優(yōu)選地，步驟S6中，所述行濾波處理的計(jì)算式(3)如式：

其中，h_α(x,y)為行濾波圖像素點(diǎn)(x,y)的像素值，T為定值，取值為10～100。

優(yōu)選地，步驟S7中，所述水平標(biāo)記的計(jì)算式(4)如式：

其中，所述水平標(biāo)記S_α值為最大，磨斑圖F的磨痕位于水平方向；所述水平標(biāo)記S_α值為最小，磨斑圖F的磨痕位于垂直方向。

優(yōu)選地，步驟S8中，所述迭代法是指以旋轉(zhuǎn)角度α加設(shè)定的旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)β作為新的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行循環(huán)旋轉(zhuǎn)，即，α＝α+β，其中，β的取值越小，精度越高，之后得到C_β組的磨斑灰度圖的旋轉(zhuǎn)數(shù)組和與其數(shù)組對(duì)應(yīng)的水平標(biāo)記S_α值。

優(yōu)選地，步驟S9中，根據(jù)上述所得C_β組的水平標(biāo)記S_α，滿(mǎn)足時(shí)，則α＝θ。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的一種四球摩擦試驗(yàn)?zāi)グ邎D像磨痕方向自動(dòng)定位方法，首先對(duì)采集到的不具備明顯色彩的磨痕圖像進(jìn)行灰度化處理，加大了圖像的處理速度，通過(guò)對(duì)灰度磨斑圖進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到邊緣檢測(cè)圖，再通過(guò)對(duì)邊緣檢測(cè)圖進(jìn)行循環(huán)旋轉(zhuǎn)，已得到若干組水平標(biāo)記值，最終通過(guò)得到的最大水平標(biāo)記值得到磨痕方向角。本發(fā)明利用邊緣信息可以精確的確定磨痕的方向，克服試驗(yàn)人員因經(jīng)驗(yàn)不足或欠缺帶來(lái)的測(cè)量精度。且無(wú)需進(jìn)行多次對(duì)比分析，即可得到精確的磨痕方向角。

附圖說(shuō)明

圖1是磨痕方向角θ示意圖；

圖2是磨斑圖像F示意圖；

圖3是灰度磨斑圖f示意圖；

圖4是磨斑邊緣圖E示意圖；

圖5是旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明用磨痕的水平角來(lái)表征磨痕方向，磨痕水平角定義為磨痕和水平線(xiàn)相交后，左水平射線(xiàn)和上磨痕射線(xiàn)所夾的左上角，圖1磨痕水平角θ。

本發(fā)明提出了一種四球摩擦試驗(yàn)?zāi)グ邎D像磨痕方向自動(dòng)定位方法，包括如下步驟：

步驟S1：通過(guò)掃面電子顯微鏡采集試驗(yàn)鋼球的磨斑圖像。具體是：在四球摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，分別將試驗(yàn)所使用的三個(gè)底部鋼球取出并置于掃面電鏡中，并調(diào)節(jié)掃面電鏡的光照和放大倍數(shù)等參數(shù)，以便清晰地采集到磨斑圖像，所采集的磨斑圖像用F表示，如圖2所示。同時(shí)，得到的所述磨斑圖像F的像素大小為M×N，例如磨斑圖像的大小為768×1024，即M＝768，N＝1024。同時(shí)，利用(x,y)表示磨斑圖像F的任一像素點(diǎn)的坐標(biāo)，則x和y分別表示該像素點(diǎn)的行和列，且x和y均為整數(shù)；

步驟S2：將采集到的彩色磨斑圖像進(jìn)行灰度化處理。步驟S1中采集到的磨斑圖像不具有顯著的顏色信息，故宜先對(duì)磨斑圖像進(jìn)行灰度化處理，這樣可以大大加快處理速度。具體地，將磨斑圖像F轉(zhuǎn)化為灰度圖像，得到如圖3所示的灰度磨斑圖f，則灰度磨斑圖像f中像素點(diǎn)(x,y)的灰度值為f(x,y)，則f(x,y)的計(jì)算式如式(1)所示：

f(x,y)＝0.3·R(x,y)+0.59·G(x,y)+0.11·B(x,y) (1)

其中，f(x,y)表示灰度磨斑圖f中像素(x,y)的灰度值；R(x,y)、G(x,y)和B(x,y)分別表示磨斑圖像F中像素(x,y)的紅色分量值、綠色分量值和藍(lán)色分量值；

步驟S3：邊緣檢測(cè)。通過(guò)邊緣檢測(cè)算子對(duì)灰度磨斑圖像f進(jìn)行邊緣檢測(cè)可用來(lái)提取磨斑圖中的磨痕，所述的邊緣檢測(cè)算子可以為Sobel、Canny或Prewit邊緣檢測(cè)算子，得到磨斑邊緣圖E，如圖4所示。本實(shí)施例采取傳統(tǒng)Sobel邊緣檢測(cè)算子。所述得到的磨斑邊緣圖E為二值圖，其中，E(x,y)＝1表示邊緣點(diǎn)，E(x,y)＝0表示非邊緣點(diǎn)。

步驟S4：旋轉(zhuǎn)磨斑邊緣圖。將上述所得到的磨斑邊緣圖E第一次以α＝0的旋轉(zhuǎn)角度(即第一次不執(zhí)行旋轉(zhuǎn))進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到如圖5所示的旋轉(zhuǎn)了α的旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α。所得的旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α的大小為M_α和N_α。同樣的，所述的旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α也是二值圖，其中，E_α(x,y)＝1表示邊緣點(diǎn)，E_α(x,y)＝0表示非邊緣點(diǎn)。

步驟S5：計(jì)算行邊緣長(zhǎng)。通過(guò)行邊緣長(zhǎng)來(lái)評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α中第x行從(x,1)到(x,y)的連續(xù)邊緣的長(zhǎng)度，得到行邊緣長(zhǎng)圖d_α，其中，所述行邊緣長(zhǎng)的計(jì)算式2)如式：

其中，d_α(x,y)表示行邊緣長(zhǎng)圖像素點(diǎn)(x,y)的連續(xù)邊緣長(zhǎng)，即表示第x行中像素點(diǎn)(x,y)的左側(cè)有(d_α(x,y)-1)個(gè)1。

步驟S6：行邊緣長(zhǎng)圖的行濾波處理。對(duì)長(zhǎng)邊緣圖d_α從左到右進(jìn)行逐行掃描濾波處理，保留每行中連續(xù)長(zhǎng)超過(guò)一定值T的邊緣，得到行濾波圖h_α。由于磨痕具有顯著的方向一致性，當(dāng)磨痕處于水平方向時(shí)，磨痕邊緣也處于水平，進(jìn)行行濾波時(shí)，將被保留；當(dāng)磨痕處于垂直方向時(shí)，進(jìn)行行濾波時(shí)，幾乎都被刪除。

行濾波處理的計(jì)算式(3)如式：

其中，h_α(x,y)為行濾波圖像素點(diǎn)(x,y)的像素值，T為定值，一般取值為10～100。

步驟S7：計(jì)算旋轉(zhuǎn)邊緣圖E_α的水平標(biāo)記。用S_α表示E_α的水平標(biāo)記，水平標(biāo)記S_α值表征了磨痕位于水平方向的程度，水平標(biāo)記S_α值越大，磨痕越接近水平方向，即：當(dāng)磨斑圖F的磨痕位于水平方向時(shí)，水平標(biāo)記S_α值最大；當(dāng)磨斑圖F的磨痕位于垂直方向時(shí)，水平標(biāo)記S_α值最小。水平標(biāo)記的計(jì)算式(4)如式：

步驟S8：計(jì)算新的旋轉(zhuǎn)角度α。

當(dāng)α<180°時(shí)，則需以迭代法循環(huán)執(zhí)行步驟S4到步驟S7，即，所述迭代法是指以旋轉(zhuǎn)角度α加設(shè)定的旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)β作為新的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行循環(huán)旋轉(zhuǎn)，即，α＝α+β，其中，β的取值越小，精度越高；

當(dāng)α≥180°時(shí)，則轉(zhuǎn)入步驟S9。

步驟S9：磨痕方向確定。

當(dāng)磨斑圖像的磨痕方向旋轉(zhuǎn)至水平方向時(shí)，得到的水平標(biāo)記S_α值是最大的，基于得到的水平標(biāo)記數(shù)組即可確定磨痕的方向。具體地：

按照步長(zhǎng)β旋轉(zhuǎn)磨斑灰度圖，將得到組的磨斑灰度圖的旋轉(zhuǎn)數(shù)組，以及與其數(shù)組對(duì)應(yīng)的水平標(biāo)記S_α，其中，C_β為磨斑灰度圖的旋轉(zhuǎn)數(shù)組。

在C_β組的水平標(biāo)記S_α中，當(dāng)滿(mǎn)足時(shí)，則α＝θ，θ為磨痕方向水平角，是磨痕與水平線(xiàn)的夾角，用來(lái)表征磨痕方向。

按照以上本發(fā)明的技術(shù)方案，從運(yùn)行時(shí)間和成本分析兩方面，對(duì)比本發(fā)明方案和傳統(tǒng)的人工測(cè)量法的優(yōu)缺點(diǎn)。

1運(yùn)行時(shí)間。以本實(shí)施例的圖像為例，本發(fā)明的仿真處理平臺(tái)為：Intel I3 M350處理器，2GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)，在MATLAB平臺(tái)下進(jìn)行仿真，算法所用的時(shí)間為42秒，硬件實(shí)現(xiàn)本算法后，算法運(yùn)行時(shí)間還會(huì)大大減少。

2精度分析。傳統(tǒng)方法測(cè)定一是主要依靠人眼判斷進(jìn)行定性估計(jì)，沒(méi)有定量的評(píng)價(jià)值，會(huì)產(chǎn)生模棱兩可的；本方法有定量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，故判定的磨痕方向精度要高于傳統(tǒng)方法。