基于小波的维氏硬度图快速自动分析新方法

　　1　前　言

　　对材料的微观组织结构进行分析对于研究和改善材料性能具有重要的意义。在各种研究手段中,用金相显微镜进行光学金相分析是使用最为广泛的一种。随着现代计算机控制技术和数字图像处理技术的发展,逐渐使用计算机进行自动控制和自动图像分析代替传统的人工操作,金相分析系统的自动化程度逐渐提高。

　　试验材料维氏硬度值的测试结果主要依赖两个量:试验力的大小和试验压痕区域的平均对角线长度。在金相图片中怎样有效地提取出试验压痕区域,从而得到其平均对角线长度是计算机实现自动分析硬度的关键点。在这方面的自动分析现在普遍仅限于被抛光材料。他们主要采用灰度来区分图像区域,然后提取出压痕区域的4个顶点,得到对角线的平均长度,因为材料的抛光区域往往比较明亮,试验压痕区域一般比较暗。对于抛光不是很理想的情况下,许多研究致力于消除那些噪声,校正压痕的边缘直线。如日本的Sugimoto Takao等提出采用灰度门限来区分压痕区域和背景材料区域,然后用最小二乘法算法、或用交角扫描策略来得到压痕的四个顶点的坐标[1]。虽然这些在一定程度上提高了自动分析的效果,但是他们的分析对象也主要是针对粗略抛光的材料。对于未经抛光的材料,其自动化图像分析的研究甚少。由于在工厂里大量需要检测的零件往往是没有经过抛光的,因此,研究自动分析未抛光材料的维氏硬度就很有必要。本文提出一种用小波多分辨率理论来对马氏体材料表面硬度试验压痕图进行自动分析的新方法,采用一种较快的数据采样策略,自适应调整采样间隔,确保分析速度和精度,能够对马氏体材料和抛光材料进行硬度自动分析。

　　2　维氏硬度测试原理

　　维氏硬度试验也是一种压痕试验方法,它是将一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力F压入试验表面,经规定保持时间后卸除试验力,测量压痕两条对角线的长度(如图1所示)。维氏硬度的计算公式为[2]:

　　3　基于小波的维氏硬度测量新方法

　　要得到压痕的两条对角线,首先要确定压痕的四个顶点的位置。而一旦识别出了压痕四条边的位置后,顶点的坐标就会很容易得到。理想情况下,压痕的四条边在图片中与横坐标分别成45°和135°角。当沿着45°和135°两个方向分别采样数据时,每条采样线在压痕区域将与压痕的两条相对的边缘线垂直相交。利用小波理论对信号细节的多分辨率分辨能力,对每条采样线进行分解,找到在压痕区域的采样线并计算出其与压痕两条边的交点。当在压痕边缘线上找出了一定数量的点后,就可以用最小二乘法拟合出压痕的边缘线,然后得到四个顶点在图片中的坐标(图2)。通过解决金相图片的尺寸标定后,就能得到压痕区域对角线的实际长度,从而计算出材料的维氏硬度值。