Способ получения 3-мерной модели поверхности объекта
Владельцы патента RU 2427796:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ"-Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского (RU)
Изобретение относится к области построения фрактограмм и может быть использовано для исследования шероховатых поверхностей, в том числе поверхностей изломов металлических материалов. Данный способ может применяться при проведении научных исследований и в промышленности. Способ получения 3-мерной модели поверхности объекта заключается в оцифровке поверхности объекта и построении его модели. Построение модели поверхности производят путем пошагового и послойного фотографирования цифровой техникой через оптический микроскоп, после чего на каждом слое определяют зоны резкости, посредством сравнения числовых значений пикселей изображений, по результатам строят карту высот и карту цветов поверхности и с помощью графического редактора собирают модель поверхности. Технический результат - возможность построения 3-мерной поверхности излома, высота шероховатости которой превышает глубину резкости прибора. 6 ил.
Изобретение относится к области построения фрактограмм и может быть использовано для исследования шероховатых поверхностей, в том числе поверхностей изломов металлических материалов. Данный способ может применяться при проведении научных исследований и в промышленности.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится изучение поверхностей с помощью оптической цифровой системы 3D-CAM, разработанной немецкой фирмой Limess [1]. Суть метода заключается в том, что для построения 3-мерной модели поверхности используются две цифровые камеры, производящие съемку объекта исследования, далее изображения обрабатываются с субпиксельной точностью с помощью алгоритмов количественной корреляции изображений, в основе которых лежит принцип параллакса (греч. παρλλάξ, от παραλλαγή, «смена, чередование») - изменение видимого положения объекта относительно удаленного фона в зависимости от положения наблюдателя [2] (см. фиг.1).
Зная расстояние между точками наблюдения (база) и угол смещения, можно определить расстояние до объекта: для малых углов 
, где угол α выражен в радианах [2].
Принцип параллакса используется для измерения расстояния до удаленных объектов. Таким образом, получают мерные координаты каждого пикселя изображения объекта.
Поверхность объекта может представлять собой стохастическую пиксельную структуру.
Недостатком данного способа является возможность оцифровки поверхностей только макроуровня. Для съемки поверхности используют две камеры. Анализ полученных изображений применяет крайне сложные математические алгоритмы обработки фотографий, которые имеют значительные погрешности. Для каждого типа поверхности данные алгоритмы необходимо настраивать индивидуально.
Технической задачей представленного способа является построение 3-мерной поверхности излома, высота шероховатости которой превышает глубину резкости прибора.
Для выполнения поставленной задачи в предложенном способе построения 3-мерной модели поверхности объекта поверхность пошагово и послойно фотографируют цифровой техникой через оптический микроскоп. После чего на каждом слое определяют зоны резкости посредством сравнения числовых значений пикселей изображений, по результатам строят карту высот и карту цветов поверхности и с помощью графического редактора собирают модель поверхности.
Предлагаемый способ позволяет с помощью оптического микроскопа строить 3-мерные поверхности изломов, высота шероховатости которых превышает глубину резкости прибора. Для реализации предложенного метода используется оптический микроскоп с возможностью цифровой съемки. Получение 3-мерной модели излома осуществляется цифровой обработкой серии снимков, последовательно сделанных с выбранной глубиной резкости. Схема съемки представлена на фиг.2.
Для проведения исследования образец (излом) размещается на предметном столике. Объектив микроскопа устанавливается на расстоянии от поверхности образца, которое обеспечивает попадание в глубину резкости прибора крайней нижней зоны изучаемого рельефа.
Делается цифровой снимок, на изображении которого при последующей обработке выделяются зоны резкого изображения рельефа, см. фиг.3.
Для выделенных зон фиксируется расстояние от объектива, которое в дальнейшем используется для определения высоты данного уровня рельефа. После первого фотографирования объектив перемещается вверх на расстояние, не превышающее глубины резкости микроскопа. Делается очередной снимок. По аналогичной схеме с выбранным шагом перемещения производится фотографирование поверхности до тех пор, пока зона резкости микроскопа не окажется выше поверхности рельефа.
Дальнейшая цифровая обработка серии снимков заключается в определении зон резкости на каждом снимке, в частности определении тех пикселей, которые относятся к зоне резкого изображения.
Каждый цифровой снимок можно представить как плоскую поверхность, построенную из пикселей от 1 до N (см. фиг.4в). Пиксель имеет две характеристики: числовое значение цвета пикселя и величину яркости в числовом измерении (см. фиг.4а). Количественные характеристики цвета рассматриваемого пикселя изображения последовательно сравниваются с окружающими его пикселями (см. фиг.4б). Экспериментально установлено, что если яркость и цвет выделенного пикселя изменяются по отношению к окружающим пикселям более чем на 20%, то рассматриваемый пиксель находится в зоне перехода между зонами резкого и нерезкого изображения. Последующим циклическим перебором всех пикселей изображений с помощью описанной процедуры фильтрации выявляются зоны резкого изображения.
Координаты (X, Y, Z) каждого резкого пикселя с каждого снимка заносятся в карту высот поверхности, координата Z определяется на основании сведений о расстоянии объектива микроскопа до образца для каждого снимка.
Далее методом наложения производится объединение всех зон резкого изображения серии снимков в единое изображение, которое является будущей текстурой 3-мерной поверхности.
Затем с помощью графического редактора на основании карты высот и текстуры поверхности (см. фиг.5а, темные пятна - объединенные зоны резкого изображения) строится 3-мерная цветная модель, представленная на фиг.5б. Обобщенно предложенный метод представлен на фиг.6.
Предложенный способ позволяет проводить 3-мерный анализ шероховатых поверхностей, в том числе поверхностей изломов, при этом обработку можно производить без предварительной полировки поверхности образца (шлифа). Данный способ имеет низкую себестоимость, а качество итоговых данных - высокую точность.
Литература
1. Журнал "J. Blondeau et al. Eisenbahningenieur", 1999, №2, S.58-64.
2. Яштолд-Говорко В.А. Фотосъемка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
Способ получения 3-мерной модели поверхности объекта, заключающийся в оцифровке поверхности объекта и построении его модели, отличающийся тем, что построение модели поверхности производят путем пошагового и послойного фотографирования цифровой техникой через оптический микроскоп, после чего на каждом слое определяют зоны резкости посредством сравнения числовых значений пикселей изображений, по результатам строят карту высот и карту цветов поверхности и с помощью графического редактора собирают модель поверхности.
