數(shù)字圖像處理在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉大琨，于翔宇

（1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224003；2.江蘇省迅達(dá)探傷科技有限公司，江蘇 鹽城 224007）

圖像指通過(guò)人工方式提取，并包含大量信息的可視化信號(hào)。雖然圖像中包括人物、背景等各種信息，但并不是所有的信息都是有用的，只有一部分信息對(duì)于實(shí)際問(wèn)題具有價(jià)值。使用技術(shù)手段將圖像數(shù)字化，篩選其中有用的信息，有效地運(yùn)用、處理，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)，這便是數(shù)字圖像處理技術(shù)。本文伊始，筆者首先介紹數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

1 數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 保真性能好

數(shù)字圖像處理不會(huì)由于一系列的操作而導(dǎo)致圖像失真、信息遺失。只要在進(jìn)行處理之前保存有源文件或源代碼，那么圖像在經(jīng)過(guò)多道數(shù)字圖像處理工序后也能準(zhǔn)確地再現(xiàn)原始圖像[1]，高度保持圖像的真實(shí)性。

1.2 加工精度高

根據(jù)當(dāng)前技術(shù)，大多數(shù)圖像都可以數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組。現(xiàn)代掃描儀至少可以將圖像上每個(gè)像素的灰度量化為16位，也就是說(shuō)，可以將圖像的數(shù)字化精度加工到滿(mǎn)足所有應(yīng)用的要求。無(wú)論是何種精度，理論上都可以在處理過(guò)程中隨時(shí)通過(guò)更改程序的數(shù)組參數(shù)對(duì)其進(jìn)行加工處理。

1.3 適用面廣

可以從各種來(lái)源獲得圖像。就圖像內(nèi)容的比例而言，它可以是電子顯微鏡下的納米級(jí)圖像，也可以是涵蓋整個(gè)銀河系的合成照片。任何圖像都可以通過(guò)特征提取的方式轉(zhuǎn)化為二維灰度圖像或者其他結(jié)構(gòu)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)[2]。同時(shí)，圖像處理不僅可以執(zhí)行線性操作，也能執(zhí)行諸如淡化、模糊/清晰化等非線性處理。

1.4 可壓縮性

數(shù)字圖像不是由獨(dú)立的像素組成，像素之間的具有一定的相關(guān)性。數(shù)字電影的每一幀圖像上，通常都具有許多相同或相似灰度的像素；對(duì)于電視圖像，相鄰兩個(gè)像素之間的相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.9甚至更高。換句話(huà)說(shuō)，即使將圖像中的部分信息大量刪去（即壓縮），降低圖像存儲(chǔ)空間的同時(shí)，依然能夠保留肉眼可見(jiàn)的核心內(nèi)容[3]。

2 數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 圖像增強(qiáng)和復(fù)原

圖像增強(qiáng)和復(fù)原是指通過(guò)技術(shù)手段，例如各種濾波器、矩陣重建、噪聲處理等數(shù)學(xué)方法提高圖片的整體質(zhì)量。諸如鏡頭散焦、過(guò)曝、設(shè)備與物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、攝像設(shè)備的自身缺陷等，都會(huì)影響成像系統(tǒng)圖像的質(zhì)量。圖像增強(qiáng)功能可以在突出圖像中想要展現(xiàn)的區(qū)域的同時(shí)，避免圖像質(zhì)量下降。圖像增強(qiáng)主要進(jìn)行的是對(duì)比度拉伸，根據(jù)使用者的需求對(duì)圖像進(jìn)行處理。圖像復(fù)原則是通過(guò)濾波器來(lái)減輕圖像中的噪聲影響部分，提高圖像的可讀性。

2.2 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別指對(duì)圖像進(jìn)行的分割、特征提取和比較，從而對(duì)圖像進(jìn)行分類(lèi)、識(shí)別。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，圖像識(shí)別領(lǐng)域也研究出了人工智能圖像識(shí)別和模糊識(shí)別，成為行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)。例如，在航空航天領(lǐng)域，舊式圖像識(shí)別需要花費(fèi)大量的人力資源來(lái)對(duì)衛(wèi)星拍成的照片進(jìn)行分析處理，而通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)可以有效降低人為因素帶來(lái)的誤差。在衛(wèi)星遙感應(yīng)用中，可以運(yùn)用圖像處理技術(shù)分析遙感圖像，從中分割出雨林采伐、山火災(zāi)害、道路車(chē)流的情況等，以便決定采取何等應(yīng)對(duì)措施。在氣象領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理技術(shù)可以識(shí)別氣象云圖，結(jié)合其它氣象觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，保證預(yù)報(bào)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

2.3 3D建模

由于三維建模比二維圖像更真實(shí)，更具有區(qū)分度，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面已從平面設(shè)計(jì)逐漸向三維設(shè)計(jì)過(guò)渡。例如測(cè)繪地圖，幾千年的平面地圖逐漸被3D模型所取代，在顯示最基本的方位、坐標(biāo)的同時(shí)，還能從空間角度將復(fù)雜地形直觀地方式展示出來(lái)。3D建模技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域也起著不可替代的作用，其中3D打印技術(shù)可以將3D數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為真實(shí)模型，使得工程設(shè)計(jì)更加直觀[4]。

3 數(shù)字圖像處理技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 微型工具測(cè)量的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)極大地促進(jìn)了微型工具測(cè)量性能的改善。此前，人們常用工具測(cè)量、影成像技術(shù)來(lái)測(cè)量微型工具的各種精確參數(shù)。為了減小誤差，必須進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量完成后還需進(jìn)行計(jì)算，求取平均值。由于測(cè)量過(guò)程需要專(zhuān)人記錄、專(zhuān)人計(jì)算、專(zhuān)人驗(yàn)算，多重人為工序使得整個(gè)測(cè)量含有較強(qiáng)的主觀因素，容易出現(xiàn)較大的誤差[5]。相比之下，數(shù)字圖像處理的測(cè)量方法由機(jī)器實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度更高，不易出現(xiàn)人為操作的錯(cuò)誤。

例如，傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)所采用的圖像傳感器是CCD（是電荷耦合元件）圖像傳感器，可以精確測(cè)量微型工具的結(jié)構(gòu)、大小和尺寸。由CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件和驅(qū)動(dòng)、工作臺(tái)、照明燈、圖像采集等設(shè)備組成。CCD相機(jī)鏡可以不同角度對(duì)需要測(cè)量的器具拍攝，通過(guò)燈光、定位模塊的配合，將器具的精確影像輸入到電腦中，再用軟件進(jìn)行計(jì)算，得到器具的各項(xiàng)精細(xì)參數(shù)。

目前作為世界領(lǐng)先技術(shù)的Radin激光跟蹤儀、XD Laser激光干涉儀以及API激光干涉儀等超精密測(cè)量系統(tǒng)，是在精密制造業(yè)中用于測(cè)量微型零件、工具的測(cè)量設(shè)備，在半導(dǎo)體、人工智能、電子設(shè)備制造行業(yè)、軍工導(dǎo)彈制造行業(yè)，甚至航空航天器的制造上都大顯身手，最高精度已達(dá)納米級(jí)別。Radin激光跟蹤系統(tǒng)由激光儀和電腦組成，可以測(cè)量微米級(jí)別的超高精度，這是人工無(wú)法達(dá)到的。

3.2 數(shù)控加工微型零件的應(yīng)用

在電子設(shè)備制造行業(yè)中，一臺(tái)機(jī)械設(shè)備由許多精密部分組成，例如制造芯片所用的光刻機(jī)。在芯片制造過(guò)程中，光刻機(jī)通過(guò)一系列光源能量和形狀控制的方法，將激光穿過(guò)電路圖的掩模，并通過(guò)物鏡校正各種誤差，將其縮小后映射在硅晶片上，并利用化學(xué)工藝使圖像顯現(xiàn)，以此將電路圖刻在硅晶片上。光刻工藝包括烘烤、顯影、激光蝕刻以及其他過(guò)程。在經(jīng)過(guò)光刻后，芯片可以還可以進(jìn)行第二次光刻。芯片越精密、復(fù)雜，光刻次數(shù)越多，電路圖的層數(shù)越多，所需的曝光控制過(guò)程就越精確。由于曝光控制過(guò)程太過(guò)精密，通常無(wú)法人工光刻。如果運(yùn)用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光刻，只要通過(guò)相機(jī)、定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、檢測(cè)處理等系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)備。在進(jìn)行定位后根據(jù)放大的電路圖進(jìn)行曝光，通過(guò)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)移動(dòng)激光束，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光刻作業(yè)的持續(xù)性。目前，鑒于工程質(zhì)量的要求越來(lái)越高，數(shù)控技術(shù)正越來(lái)越多地應(yīng)用于精密設(shè)備制造行業(yè)。

3.3 分析材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

對(duì)機(jī)械器具性能進(jìn)行評(píng)價(jià)主要基于其材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。使用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析材料、纖維結(jié)構(gòu)的圖像，有助于技術(shù)人員更好地了解機(jī)械的內(nèi)部結(jié)，進(jìn)而對(duì)選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作提出更多優(yōu)化的意見(jiàn)[6]。

例如，在對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的輪齒進(jìn)行調(diào)研時(shí)，使用數(shù)字圖像處理以及機(jī)械工程學(xué)相關(guān)理論對(duì)齒輪進(jìn)行濾波處理，盡可能降低分析過(guò)程中的噪聲信號(hào)干擾，確保高精度的結(jié)構(gòu)測(cè)量；然后對(duì)圖像進(jìn)行分割、邊界處理，對(duì)具有相同屬性的材料進(jìn)行分類(lèi)，獲得由不同組件組成的結(jié)構(gòu)相圖，這如同對(duì)齒輪進(jìn)行了一次 “磁共振成像”。這種方法可以快速而準(zhǔn)確地獲取機(jī)械零件的組織圖像，有效地協(xié)助研究人員進(jìn)行材料的定性定量分析，從而獲得各種數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理時(shí)，尋找不同相結(jié)構(gòu)邊緣處存在的亮度、顏色和紋理的差異，確定邊界特征的變化，實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的分割，以此獲得相同組元的材料。

通常，人們會(huì)依靠比較邊緣輪廓來(lái)識(shí)別物體形狀，這也是數(shù)字圖像處理的形式。用顯微鏡直接拍攝到的材料圖像不夠清晰也不夠準(zhǔn)確，圖片的噪點(diǎn)極大地影響著對(duì)材料的結(jié)構(gòu)的定量、定性分析。因此，為了獲得材料的準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)果，必須預(yù)先用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖片進(jìn)行降噪。

3.4 檢測(cè)損壞零件的應(yīng)用

在重工制造行業(yè)，由于滾動(dòng)軸承經(jīng)常承受巨大的突變壓力，導(dǎo)致軸承在使用一定時(shí)間后出現(xiàn)裂紋。此前，人們通過(guò)手工檢查作業(yè)尋找零件出現(xiàn)的裂紋，在長(zhǎng)時(shí)間尋找精細(xì)裂紋的過(guò)程中，勞累、眼疲勞等生理機(jī)能的下降都會(huì)影響操作員的業(yè)務(wù)能力，最終影響檢測(cè)效率和質(zhì)量[7]。現(xiàn)在，人們使用數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)識(shí)別滾動(dòng)軸承上出現(xiàn)的外顯裂紋，即通過(guò)機(jī)器采集軸承滾動(dòng)信號(hào)，并運(yùn)用檢測(cè)系統(tǒng)區(qū)分裂紋。這種方式顯然具有較高的可靠度、效度以及靈活性，檢測(cè)準(zhǔn)確度非常高，可以有效地克服零件檢測(cè)工作中的人工操作缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

圖像是當(dāng)前人們進(jìn)行信息交流的重要方式。因此，圖像處理技術(shù)無(wú)疑在日常生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。特別是近年來(lái)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖形處理軟件以及精密設(shè)備等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展勁頭都十分強(qiáng)力。在應(yīng)用過(guò)程中，不斷改進(jìn)與其相匹配的技術(shù)、軟件、驅(qū)動(dòng)，顯著地提高了圖像處理的速度和質(zhì)量。此外，對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的不斷推進(jìn)，為各個(gè)領(lǐng)域的圖像處理技術(shù)制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得軟、硬件領(lǐng)域都逐步發(fā)展除了滿(mǎn)足所需分辨率要求的新產(chǎn)品，為我國(guó)機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)一份科技力量。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，筆者堅(jiān)信，數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷努力縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，全面提高這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用范圍，一定可以讓我國(guó)的科學(xué)技術(shù)力量更加強(qiáng)大，為我國(guó)機(jī)械工程制造帶來(lái)更加廣闊的前景。