一種金屬表面劃痕三維顯微成像的方法及其專用設備的製作方法
2023-09-19 14:17:45 1
專利名稱：一種金屬表面劃痕三維顯微成像的方法及其專用設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於金屬物體表面劃痕三維成像領域，特別是一種金屬表面劃痕三維顯微成像的方法及其專用設備。
本發明的另一個目的涉及一種採用該方法實現全自動精確記錄金屬表面劃痕深度變化的專用設備。
本發明的技術方案是一種金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，其特徵在於包括下列步驟--按照要求設計出用於本系統的光柵圖樣，並印製成彩色膠片；--將被顯微三維成像的金屬物體固定在高精度旋轉平臺上，高精度旋轉平臺以及具有顯微鏡頭的相機與計算機控制系統連接，並對計算機預設拍攝物體所需的預設值，包括金屬物體表而的光潔度、物體的直徑、所需拍攝的次數以及旋轉平臺每次旋轉的角度；--將印製的光柵彩色膠片設置於平行器光學系統和投射系統，投射系統把帶符合系統要求的、經過編碼的光柵彩色膠片用縮小鏡頭投射到金屬物體上，再由具有顯微鏡頭的CCD或數位相機攝取記錄下來；--拍攝物體的信息被儲存到計算機系統，然後解碼處理成像。
所述的解碼處理成像過程是計算機控制系統將數位相機或CCD相機拍攝的信息通過USB或區域網下載至處理計算機中，由處理計算機進行處理。
所述的處理計算機處理信息的過程包括下列步驟--將從不同角度拍攝下來的分段的圖像進行粘合處理；--解碼、建模、成像。
所述光柵的技術特徵是由於金屬物體的形狀、大小，光柵的格式是特殊設計的，使之可以在很小的層面上依然很清晰。這就需要在每個極細微的光柵條之間，嵌入一條不透明的色條，不透明的細條由CMYK各100％的組合形成，使光柵投射出去時，各色條之間不相互滲透。
所述編碼的步驟是光源投射鏡頭與CCD相機之間的距離1作為基線(已知量)，從光源投射到物體上的柵格與基線形成的夾角得出α，並用被攝物體本身的凹凸的像在CCD相機中的不同位置結算而得出另一個角β。光源系統帶彩色條的投射，使得三維空間中的幾何信息(即α角與光柵的折射頻率(colorfrequency)分別一一對應。
所述解碼的步驟是由於結構光柵格其中的某條光帶的色散角(α)與其波長(λ)具有關係式，因此在編碼時可以事先得知α＝α(λ)。那麼結構柵格光的波長(λ)，可以通過分析其由投射到待測金屬表面上彩色光柵的折射而反映到CCD相機上的顏色值取得。圖中的Q點坐標(x，y，x)的z軸信息，是本系統三維成像之關鍵，具體解碼的方式為z=fctg(a)-ufb]]>解碼式中的(α)是由α＝α(λ)取得的；u，v待測金屬表面某點Q在CCD相機對應像素的x，y軸方向上的距離；f為攝影物鏡的焦距；b為光源中心到CCD鏡頭光軸的垂直距離。
適用於上述方法的專用設備，其特徵在於包括拍照系統和機械運動部分，拍照系統包括一個光源系統、一個高解析度及高解析度的顯微數位照相機或CCD相機；機械運動部分包括縱向滑臺、橫向滑臺、高精度旋轉平臺、床身、垂直調節支架和控制櫃組成，縱向滑臺設置於床身上面，橫向滑臺設置在縱向滑臺的上面，高精度旋轉平臺設置在橫向滑臺的上面，可處置調整支架位於床身的上面，拍照系統和電容測微儀測頭安裝在可垂直調節支架上，機械運動部分受控制櫃的控制，拍照系統和控制櫃受計算機控制。
所述光源系統包括一個光源、光源前設置的光柵和所述光柵前部設置的光柵顯微鏡頭，所述光柵顯微鏡頭的高度與所述旋轉平臺匹配。
所述相機與旋轉平臺之間還設置有消除反光裝置。
所述相機帶有顯微鏡頭。
本發明的效果是拍攝速度快，每攝取一件金屬物體或子彈表面，只須90秒-120秒。由於相機所獲取的信息只依賴於光柵，因此本發明對攝取環境不苛刻，對輔助光源不苛刻，採用軟體進行解碼，可為攝取的三維圖像提供精確到5μm-10μm的數據；採用光柵照射和相機拍攝，兩者不直接接觸金屬，無接觸性，故不傷及被拍攝的物體和作為物證的彈頭彈殼。在全套設備設置完善的條件下，本發明還具有操作安全、簡便的優點。
用光學和數碼手段，能在顯微狀況下精確地攝取金屬的表面狀況，對於子彈來說，記錄子彈表面的由槍膛來幅線及其它因素所產生的劃痕，並把攝取來的圖像(三維和二維)以及數據輸入電腦存檔。然後在全國範圍內建立聯網式資料庫，把各種型號槍枝所射出的子彈劃痕分類錄入資料庫。一旦槍擊案件發生，再根據現場收集到的子彈劃痕在資料庫中進行檢索、比較、分析，找出相應的槍枝，判斷槍枝的來源，從而抓獲罪犯。
圖1是本發明裝置的原理圖；圖2是實現圖1所述原理的一個具體裝置的結構主視圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是本發明編碼、解碼過程示意圖。
所述的解碼處理成像過程是計算機控制系統將數位相機或CCD相機拍攝的信息通過USB或區域網下載至處理計算機中，由處理計算機進行處理。所述的處理計算機處理信息的過程包括下列步驟--將從不同角度拍攝下來的分段的圖像進行粘合處理；--解碼、建模、成像。
所述光柵的技術特徵是由於金屬物體的形狀、大小，光柵的格式是特殊設計的，使之可以在很小的層面上依然很清晰。這就需要在每個極細微的光柵條之間，嵌入一條不透明的色條，不透明的細條由CMYK各100％的組合形成，使光柵投射出去時，各色條之間不相互滲透。
圖2中，包括拍照系統和機械運動部分，拍照系統包括一光源系統、一高解析度及高解析度的數位相機；機械運動部分包括縱向滑臺6、橫向滑臺7、高精度旋轉平臺8、床身9、垂直調節支架10和控制櫃11組成，縱向滑臺6設置於床身9上面，橫向滑臺7設置在縱向滑臺6的上面，高精度旋轉平臺8設置在橫向滑臺的7上而，可垂直調整支架10位於床身9的上而的固定杆12上，拍照系統和電容測微儀測頭安裝在可垂直調節支架上，機械運動部分受控制櫃的控制，拍照系統和控制櫃受計算機控制，光源系統包括一光源、光源前設置的光柵和所述光柵前部設置的光柵顯微鏡頭，所述光柵顯微鏡頭的高度與所述旋轉平臺匹配，所述相機與旋轉平臺之間還設置有反光裝置，所述相機帶有顯微鏡頭。
圖3中，8為旋轉平臺，9為床身，11為控制櫃，12為可垂直調節支架的固定杆。
圖4中，13為參照平面，14為光源系統，15是攝取系統，16是待測金屬表面。帶有彩色條紋的二維圖像下載到計算機上後，系統軟體會根據這個已設計好的彩色條紋的特點計算出所需的幾何信息，再根據三角關係式，得出被攝金屬表面的深度信息。所述編碼的步驟是光源投射鏡頭與數位相機之間的距離1作為基線(已知量)，從光源投射到物體上的柵格與基線形成的夾角得出α，並用被攝物體本身的凹凸的像在CCD相機中的不同位置結算而得出另一個角β。光源系統帶彩色條的投射，使得三維空間中的幾何信息(即α角與光柵的折射頻率(color frequency)分別一一對應。
所述解碼的步驟是由於結構柵格光其中的某條光帶的色散角(α)與其波長(λ)具有關係式，因此在編碼時可以事先得知α＝α(λ)。那麼結構柵格光的波長(λ)，可以通過分析其由投射到待測金屬表面上彩色光柵的折射而反映到CCD相機上的顏色值取得。圖中的Q點坐標(x，y，x)的z軸信息，是本系統三維成像之關鍵，具體解碼的方式為z=fctg(a)-ufb]]>
解碼式中的(α)是由α＝α(λ)取得的；u，v待測金屬表面某點Q在CCD相機對應像素的x，y軸方向上的距離；f為攝影物鏡的焦距；b為光源中心到CCD鏡頭光軸的垂直距離。
拍攝過程中，每一物體多次拍攝的信息由本系統的內存記錄下來。拍攝完成後，信息通過USB或區域網下載至處理計算機中。系統的處理軟體隨之把從不同角度拍攝下來的分段的圖像進行粘合處理並用上述公式進行解碼、建模，最終形成一個顯微狀態下的三維的、可從各個角度觀察的、帶有精確數據的立體圖像。
由於有了劃痕的三維信息，就可以在三個方向上，按照要求不同，設立出許多不同的測量空間。拿槍彈管理系統的實例來說，可把解析度由粗到細化分出層次，以此對劃痕進行分類，按照這樣的分類，單一樣本總量達到三百萬以上，足以達到現在及將來的槍枝管理的覆蓋率。
權利要求
1.一種金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，其特徵在於包括下列步驟--按照要求設計出用於本系統的光柵圖樣，並印製成彩色膠片；--將被顯微三維成像的金屬物體固定在高精度旋轉平臺上，高精度旋轉平臺以及具有顯微鏡頭的相機與計算機控制系統連接，並對計算機預設拍攝物體所需的預設值，包括金屬物體表面的光潔度、物體的直徑、所需拍攝的次數以及旋轉平臺每次旋轉的角度；--將印製的光柵彩色膠片設置於平行器光學系統和投射系統，投射系統把帶符合系統要求的、經過編碼的光柵彩色膠片用縮小鏡頭投射到金屬物體上，再由具有顯微鏡頭的CCD或數位相機攝取記錄；--拍攝物體的信息儲存到計算機控制系統，然後解碼處理成像。
2.根據權利要求1所述的金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，其特徵是所述的解碼處理成像過程是計算機控制系統將數位相機或CCD相機拍攝的信息通過USB或區域網下載至處理計算機中，由處理計算機進行處理。
3.根據權利要求2所述的金屬表面劃痕三維成像的方法，其特徵是所述的處理計算機處理信息的過程包括下列步驟--將從不同角度拍攝下來的分段的圖像進行粘合處理；--解碼、建模、成像。
4.根據權利要求1或2或3所述金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，其特徵在於所述光柵的技術特徵是由於金屬物體的形狀、大小，光柵的格式是特殊設計的，使之可以在很小的層面上依然很清晰。這就需要在每個極細微的光柵條之間，嵌入一條不透明的色條，不透明的細條由CMYK各100％組合形成，使光柵投射出去時，各色條之間不相互滲透。
5.根據權利要求1或2或3所述的金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，其特徵在於所上述編碼的步驟是光源投射鏡頭與CCD相機之間的距離1作為基線(已知量)，從光源投射到物體上的柵格與基線形成的夾角得出α，並用被攝物體本身的凹凸的像在CCD相機中的不同位置結算而得出另一個角β。光源系統帶彩色條的投射，使得三維空間中的幾何信息(即α角與光柵的折射頻率(colorfrequency)分別一一對應。
6.根據權利要求1或2或3所述的金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，其特徵在於所上述解碼的步驟是由於結構柵格光其中的某條光帶的色散角(α)與其波長(λ)具有關係式，因此在編碼時可以事先得知α＝α(λ)。那麼結構柵格光的波長(λ)，可以通過分析其由投射到待測金屬表而上彩色光柵的折射而反映到CCD相機上的顏色值取得。圖中的Q點坐標(x，y，x)的z軸信息，是本系統三維成像之關鍵，具體解碼的方式為z=fctg(a)-ufb]]>解碼式中的(α)是由α＝α(λ)取得的；u，v待測金屬表面某點Q在CCD相機對應像素的x，y軸方向上的距離；f為攝影物鏡的焦距；b為光源中心到CCD鏡頭光軸的垂直距離。
7.一種適用於上述方法的專用設備，其特徵在於包括拍照系統和機械運動部分，拍照系統包括一個光源系統、一個高解析度及高解析度的顯微數位照相機或CCD相機；機械運動部分包括縱向滑臺、橫向滑臺、高精度旋轉平臺、床身、垂直調節支架和控制櫃組成，縱向滑臺設置於床身上面，橫向滑臺設置在縱向滑臺的上面，高精度旋轉平臺設置在橫向滑臺的上面，可處置調整支架位於床身的上面，拍照系統和電容測微儀測頭安裝在可垂直調節支架上，機械運動部分受控制櫃的控制，拍照系統和控制櫃受計算機控制。
8.根據權利要求7所述的專用設備，其特徵是所述光源系統包括一個光源、光源前設置的光柵和所述光柵前部設置的光柵顯微鏡頭，所述光柵顯微鏡頭的高度與所述旋轉平臺匹配。
9.根據權利要求5所述的專用設備，其特徵在於所述相機與旋轉平臺之間還設置有消除反光裝置。
10.根據權利要求5所述的專用設備，其特徵在於所述相機帶有顯微鏡頭。
全文摘要
本發明的名稱是一種金屬表面劃痕三維顯微成像的方法及其專用設備，屬於金屬物體表面劃痕三維成像領域。主要解決以往利用雷射設備進行金屬表面劃痕三維成像所存在的速度慢、成本高和對金屬物體有損傷的問題。本發明的技術方案是金屬表面劃痕顯微三維成像的方法，包括下列步驟按照要求設計出用於本系統的光柵圖樣，並印製成彩色膠片；將待測的金屬物體固定在高精度旋轉平臺上，將印製的光柵彩色膠片設置於平行器光學系統和投射系統，投射系統把帶符合系統要求的、經過編碼的光柵彩色膠片用縮小鏡頭投射到金屬物體上，拍攝物體的信息儲存到計算機控制系統，然後解碼處理成像。本發明具有成像速度快、成本低廉和對金屬物體沒有損傷等特點，適用於各種金屬物體的三維成像。
文檔編號G01N21/88GK1420352SQ0113485
公開日2003年5月28日 申請日期2001年11月16日 優先權日2001年11月16日
發明者史雷勇 申請人:北京英福特科技有限公司