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DE3505331A1 - Verfahren und geraet zur vermessung des bei der eindringhaertepruefung in einer probe hinterlassenen eindrucks - Google Patents

Verfahren und geraet zur vermessung des bei der eindringhaertepruefung in einer probe hinterlassenen eindrucks

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Publication number
DE3505331A1
DE3505331A1 DE19853505331 DE3505331A DE3505331A1 DE 3505331 A1 DE3505331 A1 DE 3505331A1 DE 19853505331 DE19853505331 DE 19853505331 DE 3505331 A DE3505331 A DE 3505331A DE 3505331 A1 DE3505331 A1 DE 3505331A1
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DE
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points
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DE19853505331
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DE3505331C2 (de
Inventor
Giulio Turin/Torino Barbato
Paolo Grattoni
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Original Assignee
Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
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Publication date
Application filed by Consiglio Nazionale delle Richerche CNR filed Critical Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Publication of DE3505331A1 publication Critical patent/DE3505331A1/de
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Publication of DE3505331C2 publication Critical patent/DE3505331C2/de
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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Description

CONSIGLIO NAZIONALE
DI RICERCHE
P.le Aldo Moro 7
Rom, Italien
Verfahren und Gerät zur Vermessung des bei der Eindringhärteprüfung in einer Probe hinterlassenen Eindrucks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Vermessung des bei der Eindringhärteprüfung in einer Probe von einem Eindringkörper erzeugten Eindrucks. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren und ein Gerät zur Bestimmung der Position von charakteristischen Punkten dieses Eindrucks, z.B. der Ecken des bei der Eindringhärteprüfung nach Vickers erzeugten pseudoquadratischen Eindrucks oder der Endpunkte zweier orthogonaler Durchmesser bei der Eindringhärteprüfung nach Brinell. Die Erfindung bezieht sich speziell auf ein Verfahren der genannten Art, bei welchem die Probe derart beleuchtet wird, daß im Bereich des Eindrucks eine relativ zur der den Eindruck umgebenden Zone veränderte Leuchtdichte entsteht, und bei welchem das Bild des Eindrucks sodann durch ein optisches System vergrößert wird.
Bekanntlich entspricht die Eindringhärte eines Materials im wesentlichen dem Verhältnis zwischen der aufgebrachten Prüfkraft und der Oberfläche des von einem Eindringkörper in der Probe hinterlassenen Eindrucks. Dieser Eindringkörper besteht bei der Vickers-Härteprüfung aus einem Diamanten in Form einer Pyramide mit quadratischer Basis. Bei der
-Μ·
Brinell-Härteprüfung besteht der Eindringkörper aus einer Stahl- oder Wolframkarbitkugel. Es entspricht dem Stand der Technik, die charakteristischen Abmessungen (Diagonalen, Durchmesser usw.) des Eindrucks mit einem guten Mikroskop zu messen, das mit einem Mikrometer-Okular ausgestattet ist, dessen Vergrößerung 100 bis 650 "Durchmesser" beträgt und unter dessen Achse die Probe mit dem Eindruck verbracht wird.
Anschließend wird die Oberfläche des Eindrucks auf der Grundlage des Mittelwerts der so erhaltenen charakteristischen Maße errechnet.
Die Wiederholbarkeit einer auf dieser Weise durchgeführten Härteprüfung ist unbefriedigend. Ein Nachteil, der in der Praxis noch schwerer wiegt, besteht darin, daß Härteprüfungen dieser Art mit einer nicht unbeträchtlichen Ungenauigkeit behaftet sind: Dabei können nicht nur die Härtewerte voneinander abweichen, die an derselben Probe unter Verwendung unterschiedlicher Maschinen ermittelt werden, sondern sogar die Meßergebnisse, die unter Verwendung ein und desselben Gerätes von verschiedenen Bedienungspersonen durchgeführt werden. Die den oben beschriebenen Meßverfahren innewohnende prinzipielle Grenze steht mit einem subjektiven Fehler in Zusammenhang, der von Seiten der Bedienungsperson ins Spiel gebracht wird. Dies betrifft insbesondere die Längenmaße der einzelnen Dimensionen d.h. die charakteristischen Maße des Eindrucks.
Weitere Nachteile der herkömmlichen Methodender Eindringhärteprüfung bestehen darin, daß sie vergleichsweise mühsam sind und einen großen Zeitaufwand für das Messen selbst erfordern. Die langen Beobachtungszeiten mit Härtemeßgeräten, die ein (üblicherweise mit nur einem Okular ausgestatteten) Mikroskop besitzen, führen dazu, daß die Bedienungsperson ermüdet und ihre Konzentrationsfähigkeit infolgedessen
• /a·
nachlaßt, so daß die Meßungenauigkeit und -Unsicherheit zunehmen.
Es wurden Methoden und Prozeduren vorgeschlagen, mit denen der auf die Bedienungsperson zurückzuführende subjektive Fehler verrringert werden soll, indem beispielsweise der Mittelwert der von zwei verschiedenen Bedienungspersonen ausgeführten Messungen herangezogen wird. Diese Verfahren lösen das Problem der Beseitigung des subjektiven Faktors bei der Härtebestimmung nicht. Die Verringerung der Meßunsicherheit ist vergleichsweise bescheiden und wird durch wesentlich größere Meßzeiten und damit entsprechend höhere Kosten erkauft.
Es wurde festgestellt, daß die Größe der Abweichungen zwischen den von verschiedenen Bedienungspersonen durchgeführten Messungen in derselben Größenordnung liegt wie die Auflösung des optischen Systems. Daraufhin wurde vorgeschlagen, optische Instrumente zu verwenden, die ein besseres Auflösungsvermögen besitzen. In diesem Zusammenhang durchgeführte Untersuchungen an Bildern von Eindrücken, die mit elektronischen Rastermikroskopen gewonnen wurden, haben allerdings gezeigt, daß die Eindrücke keine wohldefinierten Ränder besitzen. Es bestätigt sich also, daß der oben erwähnte von der Bedienungsperson begangene Fehler darauf zurückzuführen ist, daß die charakteristischen Punkte des Eindrucks, die eine lokal Undefinierte Konfiguration besitzen, unterschiedlich und subjektiv lokalisiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die subjektiven Bewertungsfaktoren bei der Messung der Eindringhärte soweit wie möglich zu eliminieren und eine Möglichkeit anzugeben, die eine rasche und zuverlässige Durchführung der Messung auch durch nicht geschultes oder spezialisiertes Bedienungspersonal erlaubt.
Ausgehend von einem Verfahren zur Vermessung des bei der Eindringhärteprüfung in einer Probe hinterlassenen Eindrucks, insbesondere zur Bestimmung der Position der charakteristischen Punkte dieses Eindrucks (z.B. der Ecken des Eindrucks bei der Vickers-Eindringhärteprüfung),
bei dem die Probe derart beleuchtet wird, daß im Bereich des Eindrucks eine gegenüber der umliegenden Zone veränderte Leuchtdichte entsteht,
und bei dem das Bild des Eindrucks mittels eines optisehen Systems vergrößert wird, wird diese Aufgabe durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
zur Erzeugung elektrischer Bildsignale, die Informationen über die Leuchtdichte der abgetasteten Region enthalten, wird die den Eindruck aufweisende Region des vergrößerten Bildes der Probe mit einer optoelektrischen Wandlereinrichtung abgetastet,
aus den genannten Bildsignalen werden mittels eines Bildverarbeitungsverfahrens Positionsdaten hergeleitet, die für die Position einer Menge von Bildpunkten kennzeichnend sind, welche auf der Basis vorbesti mter Auswahlkriterien als der Kontur des Eindrucks angehörende Punkte bestimmt werden,
die Position der charakteristischen Punkte des genannten Eindrucks wird aus den Positionsdaten wenigstens eines Teils der Bildpunkte durch Extrapolation oder Interpolation gewonnen.
Die Erfindung schlägt ferner ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Gerät vor,
mit Mitteln zur Beleuchtung der Probe derart, daß im Bereich des Eindrucks eine gegenüber der umliegenden Zone veränderte Leuchtdichte entsteht,
sowie mit einem optischen System zur Vergrößerung des Bildes des Eindrucks,
das gekennzeichnet ist durch
optoelektrische Wandlermittel zur Abtastung der Region
des vergrößerten Bildes der Probe, in der sich der Eindruck befindet, und zur Erzeugung elektrischer Bildsignale, welche Informationen enthalten, die für die Leuchtdichte der abgetasteten Region kennzeichnend sind, eine mit den genannten optoelektrischen Wandlermitteln gekoppelte automatische Bildverarbeitungseinrichtung zur Herleitung von Positionsdaten aus den Bildsignalen, die für die Position einer Menge von Bildpunkten kennzeichnend sind, welche auf der Basis vorbestimmter Auswahlkriterien als der Kontur des Eindrucks angehörende Punkte bestimmt werden,
sowie eine Recheneinrichtung zur Extrapolation oder Interpolation der Position der charakteristischen Punkte des Eindrucks (I) aus den Positionsdaten wenigstens eines Teils der genannten Bildpunkte.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der des Verfahrens bzw. des Geräts gemäß der Erfindung sind Gegenstand der betreffenden Unteransprüche, auf die zur Verkürzung der Beschreibung hier lediglich verwiesen wird.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, die sich exemplarisch auf die Vermessung des Vickers-Eindrucks beziehen:
25
Fig.l zeigt eine stark vergrößerte Aufsicht eines Teils einer Probe in der sich ein Vickers-Eindruck befindet, Fig.2 zeigt ein Gerät gemäß der Erfindung, Fig.3 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des mit dem Gerät nach Fig.2 durchgeführten Verfahrens,
Fig.4 zeigt eine graphische Darstellung des Leuchtdichtegradienten des in Fig.l dargestellten Bildes eines Eindrucks,
Fig.5 zeigt eine Reihe von geometrischen Figuren zur Erläuterung einiger Operationen, die Bestandteil des in Fig.3 schematisch dargestellten Verfahrens sind.
In Fig. 1 und 2 ist eine mit P bezeichnete Probe dargestellt, in der in an sich bekannter Weise mittels eines pyramidenförmigen Eindringkörpers ein mit I bezeichneter Eindruck (Vickers-Eindruck) hergestellt wurde. Wie aus Fig. hervorgeht, besitzt die Kontur des Eindrucks I eine pseudoquadratische Form, deren Seiten einen gekrümmten Verlauf aufweisen. Zur Verdeutlichung dieser charakteristischen Eigenschaft des Eindrucks ist die Krümmung dieser Seiten in Fig. 1 stärker akzentuiert, als es der Wirklichkeit entspricht.
Die den Eindruck I aufweisende Seite der Probe P wird durch ein optisches System OS mit kollimiertern Licht beleuchtet, wie dies durch die Pfeile H in Fig. 2 angedeutet ist, so daß der Eindruck I sich als dunkler Bereich mit niedriger Leuchtdichte auf einem helleren Grund mit relativ höherer Leuchtdichte darstellt, wie dies in Fig. 1 angedeutet ist. 0er in Fig. 1 mit R bezeichnete Bereich der Probe P, der den Eindruck I umgibt, wird in den Bildausschnitt des optisehen Systems OS (Fig. 2) gebracht und vergrößert. Das optische System OS besteht beispielsweise aus einem Mikroskop mit 100- bis 600-facher Vergrößerung. Das optische System OS ist mit einer Videokamera VC zur Erzeugung von elektrischen Videosignalen gekoppelt, die Informationen über die Leuchtdichte des Bereichs R der Probe beinhaltet. Die von der Videokamera VC erzeugten Videosignale werden mittels eines Analog-Digital-Wandlers C digitalisiert. Der Ausgang des Wandlers C ist mit einem in seiner Gesamtheit mit CS bezeichneten Rechner verbunden.
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Dieser Rechner behandelt die Videosignale mittels an sich bekannter Bildverarbeitungsverfahren, so daß Daten gewonnen werden, die für die Position einer Menge von Punkten des analysierten Bildes kennzeichnend sind. Diese Punkte, die auf der Basis von vorgegebenen Selektionskriterien gewonnen werden, gehören den Seiten der Kontur des Eindrucks I an.
• //6*
Der Rechner CS extrapoliert außerdem die Position der Ecken des Eindrucks I auf der Grundlage der Positionsdaten von wenigstens einem Teil der genannten Punkte.
Eine optische Anzeigevorichtung D, die mit dem Rechner CS verbunden ist, liefert eine Sichtanzeige der errechneten Resultate.
Im Folgenden sei anhand von Fig. 3 ein Verfahren zur Verarbeitung des Bildes R beschrieben, das die Bestimmung der Position der Ecken des Eindrucks I erlaubt.
Die Leuchtdichteinformation des Bildes des Bereichs R wird mit Hilfe der Videokamera VC und des Wandlers C in eine Matrix L(i,j) transformiert. Jedes Element L(i,j) dieser Matrix kennzeichnet den Leuchtdichtewert eines entsprechenden Bildpunktes mit den Koordinaten (i,j). Das Bild des Bereichs R wird also dem Rechner CS in Form einer Leuchtdichtematrix L(i,j) aufgenommen und gespeichert, wie dies durch den Block 1 von Fig. 3 angedeutet ist.
Der Rechner CS bedient sich bei der Ermittlung der Kontur des Eindrucks I eines Verfahrens, bei dem die Leuchtdichte des untersuchten Bildes hervorgehoben und mit einem Schwellwert verglichen (enhancement/treshholding edge detection). Diese auf dem Gebiet der digitalen Bildverarbeitung bekannte Technik ist beispielsweise in der Literaturstelle I.E. Abdou und W.K. Pratt "Quantitative Design and Evaluation of Enhancemant/Tresholding Edge Detectors", Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 5, Mai 1979, S. 753-763, ausführlich beschrieben.
Bei diesem Verfahren wird die oben definierte Leuchtdichtematrix L mit einem diskreten Differentialoperator behandelt, um die Punkte hervorzuheben, die der Kontur des Eindrucks I entsprechen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungs-
. /rt
form der Erfindung werden die vertikalen und horizontalen Sobel-Differentialoperatoren verwendet. Maßgebend hierfür sind die Isotropizitätseigenschaften dieser Operatoren und ihre gute Empfindlichkeit in Bezug auf die Position der Kontur des Bildes. Die horizontalen und vertikalen Sobel-Operatoren So und Sv können folgendermaßen in Matrixform definiert werden :
10
So =
1 0 -1 Sv = 0 -2 -1
2 0 -2 1 0 0
1 0 -1 2 1
Mittels räumlicher zweidimensionaler Faltung der Leuchtdichtematrix L mit den Operatoren So und Sv erhält man die Matrizen Go(i,j) und Gv(i,j) der horiontalen und vertikalen Komponenten des Leuchtdichtegradienten des untersuchten Bildes:
Gv(I,j) = <L(i-l,j-1) + 2L(i-l,j) + L(I-I, j
GoU1J) = <L(i-l,j-l) + 2L(i,j-l) + L(I-I, j- + <L(i-l,j + l) + 2LUJ + 1) + L(i + l,j +
Die Erzeugung des vertikalen und des horizontalen Leuchtdichtegradienten ist in Fig. 3 durch die Blöcke 2 bzw. 3 angedeutet.
Auf der Basis von Go und Gv werden sodann der Absolutwert G und die Richtung -Θ des Leuchtdichtegradienten jedes Bildelements (Pixel) berechnet (Blöcke 4 und 5 in dem Flußdiagramm von Fig. 3):
: /2
G(i,j) = "\JGo(i,j) + e(i,J) = arctan < §
Der Absolutwert des Leuchtdichtegradienten jedes Bildelements wird sodann mit einem Schwellwert T verglichen(Block 6). Es werden diejenigen Pixel ausgewählt, für die der Gradient zahlenmäßig größer ist als der Wert T (Block 7). 10
Der Richtungswinkel -9(i,j) des Leuchtdichtegradienten jedes Bildelements wird vorzugsweise in k Werte quantisiert (Block 8).
In diesem Verarbeitungsschritt wird das den Eindruck I enthaltende Bild R mittels einer Gradientenmatrix GT und der quantisierten Richtungsmatrix θ des Gradienten kodiert (Block 9 des in Fig. 3 dargestellten Flußdiagramms). Die Matrix GT ist folgendermaßen definiert :
|G(i,j),
\0
| wenn G(i,j) > T GT (i'j) = \0 wenn G(i,j) < T
Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel ein Bild mit 27 χ 27 Bildelementen, welches die Matrix G graphisch darstellt. Jedem weißen Bildelement entspricht der Wert Null des Leuchtdichtegradienten, den anderen Bildelementen entspricht ein von Null verschiedener und oberhalb der Schwel le T liegender Wert des Gradienten.
In Fig. 4 ist die Kontur des Vickers-Eindrucks, analog zu Fig. 1 mit I bezeichnet.
35
Der Gradient G,. ist an solchen Punkten von Null verschie-
-ft-
den, die im Bereich der Kontur I des Eindrucks liegen. Er ist außerdem in einigen außerhalb und innerhalb der Kontur liegenden Punkten von Null verschieden, die in Fig. 4 mit pe bzw. pi bezeichnet. Die Punkte pe und pi sind durch Störungen oder Unregelmäßigkeiten der Leuchtdichte (Flecken) des analysierten Bildes verursacht. Diese Punkte stellen eine Störung dar, die bei der weiteren Verarbeitung zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Kontur des Eindrucks führen können.
Um den Einfluß dieser Störpunkte zu eliminieren oder zumindest zu verringern, macht man sich erfindungsgemäß die Kenntnisse zunutze, die a priori über die ungefähre Form der Kontur der zu Identifizierenden Figur vorhanden sind.
Im vorliegenden Fall besitzt die Kontur des Eindrucks I eine pseudoquadratische Form.
Es sei zunächst unterstellt, daß die Kontur des Eindrucks I eine vollkommen quadratische Form habe, beispielsweise die Form des in Fig. 5 mit SQ bezeichneten Quadrats. Die Kontur dieses Quadrats liegt zwischen dem einbeschriebenen Kreis Cl mit dem Durchmesser Rl und dem Umkreis C2 mit dem Durchmesser R2. Die Durchmesser Rl und R2 stehen bekanntlich über folgende Beziehungen mit dem Trägheitshalbmesser RI des Quadrats SQ in Verbindung:
Rl = 1J/2 · RI R2 = 3/f2" RI
Um den Einfluß der Punkte pe und pi zu eliminieren, verfährt man erfindungsgemäß folgendermaßen:
Zunächst wird der Schwerpunkt des Systems von Punkten berechnet, die von den Bildelementen gebildet werden, denen ein von Null verschiedener Wert GT entspricht, d.h. der in Fig. 4 nicht weißen Bildelemente. Dieser Schwerpunkt, der
in Fig. 4 mit O bezeichnet ist, fällt grundsätzlich mit dem geometrischen Zentrum der von der Kontur des Eindrucks I gebildeten Figur zusammen oder ist ihm gegenüber nur geringfügig versetzt. Man führt ein polares Bezugssystem r,#" ein, dessen Ursprung in dem Schwerpunkt liegt, und berechnet den Trägheitshalbmesser RI des von den Bildelementen mit einem von Null verschiedenen Wert G-. gebildeten Punktesystems (Block 10 in dem Fig. 3 dargestellten Flußdiagramm).
10
Sodann werden nach folgenden Formeln ein minimaler Halbmesser Rm und ein Maximaler Halbmesser RM berechnet :
Rm = Yf/2 RI - 0,2 RI ~ 0,67 RI RM = yS/Tß RI + 0,2 RI ^ 1,42 RI
Die Radien Rm und RM entsprechen im wesentlichen den Radien Rl und R2 von Fig. 5 mit einer Abweichung nach unten bzw. nach oben von 20% gegenüber dem Trägheitshalbmesser RI, durch die die Tatsache berücksichtigt ist, daß die Kontur I niemals genau quadratisch ist.
Diese Operation ist Flußdiagramm von Fig. 3 durch den Block 11 angedeutet.
In der Matrix GT(i,j) werden sodann alle Ausdrücke eliminiert, denen ein radialer Abstand vom Schwerpunkt (0) entspricht, der kleiner ist als Rm oder größer als RM. Auf diese Weise werden in der Matrix GT des Leuchtdichtegradienten die Punkte eliminiert, die in Fig. 4 mit pe und pi bezeichnet sind.
Zur Verbesserung der Ergebnisse können die durch die Blöcke 10 bis 12 von Fig. 3 gekennzeichneten Operationen gegebenenfalls einige Male iterativ durchlaufen werden. In dem
polaren Bezugssystem (τ,Ό) mit dem Urprung im Schwerpunkt O wird der Variationsbereich (O..2it) der Winkelkoordinaten & anschließend in eine Zahl N von Winkelsektoren mit gleicher Öffnung unterteilt. In jedem dieser Winkelsektoren wählt der Rechner dasjenige Bildelement aus, dem der größte Wert von GT entspricht (Block 13 von Fig. 13). Dieses Bildelement wird als potentieller Punkf'Kandidat" der Kontur des Eindrucks I in diesem Winkelsektor in Betracht gezogen. Die Menge der N Punkt-"Kandidaten" die als Punkte der Kontur zu betrachten sind, bildet somit eine durch die Nummer η ( von 1 bis N ) geordnete Folge, wobei die Ordnungszahl η den Sektor kennzeichnet, dem sie zugeordnet ist. Aufgrund von Rauscheffekten oder eventueller Störungen (Flecken, Riefelung usw.) können einige dieser Punkt-"Kandidaten" in Wirklichkeit fehlerhaft sein, d.h. der Kontur nicht angehören. Um diese Punkte zu elimieren, führt man eine "Filterung" durch (Block 14). Diese Filterung besteht darin, daß jeder Punkt der Folge mit einer Menge von Punkten verglichen wird, die innerhalb der Folge seine Umgebung bilden. Wenn die Differenz zwischen der radialen Koordinaten des geprüften "Kandidaten" und dem Mittelwert der radialen Koordinaten der Punkte dieser Umgebung unter einem vorbestimmten Wert liegt, wird der jeweilige Punkt-"Kandidat" definitiv als Punkt der Kontur betrachtet. Anderenfalls wird er durch einen Wert ersetzt, den man durch Interpolation der die Umgebung bildenden Punkte erhält.
Auf diese Weise wird die Kontur des Eindrucks I durch N Punkte bestimmt.
Die Ecken der Kontur des Eindrucks I werden sodann durch Extrapolation oder durch Interpolation auf der Basis wenigstens eines Teils der N Punkte der Kontur ermittelt, die in der oben beschriebenen Weise bestimmt wurden (Block 15 in Fig. 3).
Aufgrund der Koordinaten der Ecken der Kontur des Eindrucks lassen sich sodann die Abmessungen der Diagonalen des Eindrucks und damit die Vickers-Härte der untersuchten Probe berechnen.
5
Oas in Fig. 3 dargestellte Flußdiagramm kann leicht in ein Programm für den Rechner CS übersetzt werden.
Die Ergebnisse der Verarbeitung werden in dem Display D optisch angezeigt.
Das Verfahren und das Gerät gemäß der Erfindung ermöglichen eine wiederholbare Bewertung der Härte mit minimalen Abweichungen, da jeder mögliche subjektive Bewertungseinfluß von Seiten der Bedienungsperson elimiert ist. Falls das optische System OS mit einer automatischen Focusierungseinrichtung ausgestattet ist, ist der gesamte Betriebsablauf des Geräts seinerseits ebenfalls automatisch.
Dadurch daß die Kontur unter Verwendung von Differentialoperatoren "extrahiert" wird, ist es möglich, sie unabhängig von dem Absolutwert der Leuchtdichte des Bildes zu identifizieren, so daß ihre Lokalisierung nach den Maxima des Leuchtdichtegradienten zumindest in erster Annäherung gegenüber leichten Einstellunschärfen des Bildes relativ unempfindlich ist.
Der Gradient der Leuchtdichte des Bildes läßt sich auch durch andere Differentialoperatoren z.B. durch die Prewitt-Operatoren gewinnen.
Anstelle des vorangehend beschriebenen Verfahrens zur Herarbeitung der Kontur des Bildes können hierzu auch andere an sich bekannte Verfahren verwendet werden. Insbesondere können zur Trennung des Bildes in seine beiden fundamentalen Komponenten, d.h. den Eindruck einerseits und den Hin-
tergrund andererseits Verfahren benutzt werden, die unter der angelsächsischen Bezeichnung "Region Growing" bekannt sind.
Das Gerät und das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglichen eine Aufnahme des Vickers-Eindrucks und insbesondere eine Positionsbestimmung der Ecken des Eindrucks in besonders schneller und genauer und vor allem wiederholbarer Weise.
Das Verfahren und das Gerät lassen sich leicht so modifizieren und angepassen, daß sie sich auch für die Erfassung anderer Arten von Eindrücken eignen, beispielsweise des Knoop-Peters-Emerson Eindrucks (Rauteneindruck), des Berkowitch-Eindrucks (dreieckförmiger Eindruck) des Grodzinsky-Eindrucks (sichelförmiger Eindruck) oder, wie bereits erwähnt, zur Erfassung zweier orthogonaler Durchmesser des Prinel!-Eindrucks.
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Leerseite -

Claims (27)

CONSIGLIO NAZIONALE DI RICERCHE P.le Aldo Moro 7 Rom, Italien Patentansprüche
1. Verfahren zur Vermessung des bei der Eindringhärteprüfung in einer Probe (P) hinterlassenen Eindrucks (I), insbesondere zur Bestimmung der Position charakteristischer Punkte dieses Eindrucks (z.B. der Ecken des Eindrucks bei der Vickers-Eindringhärteprüfung), ^
bei dem die Probe derart beleuchtet wird, daß im Bereich T des Eindrucks eine gegenüber der umliegenden Zone veränder- ϊ te Leuchtdichte entsteht,
und bei dem das Bild (R) des Eindrucks mittels eines optischen Systems (OS) vergrößert wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
zur Erzeugung elektrischer Bildsignale, die Informationen (L) über die Leuchtdichte der abgetasteten Region enthalten, wird die den Eindruck aufweisende Region (R) des vergrößerten Bildes der Probe (P) mit einer optoelektrischen Wandlereinrichtung (CS; C) abgetastet,
aus den genannten Bildsignalen werden mittels eines Bildverarbeitungsverfahrens Positionsdaten hergeleitet, die für die Position einer Menge von Bildpunkten kennzeichnend sind, welche auf der Basis vorbestimmter Auswahlkriterien als der Kontur des Eindrucks (I) angehörende Punkte bestimmt werden,
die Position der charakteristischen Punkte des genannten
Eindrucks wird aus den Positionsdaten wenigstens eines Teils der Bildpunkte durch Extrapolation oder Interpolation gewonnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Bildpunkte, die als zu den Seiten der Kontur des Eindrucks gehörend bestimmt werden, durch Hervorheben (enhancement) der Leuchtdichte (L) des abgetasteten Bildes (R) ermittelt wird.
10
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannten Bildsignale mittels eines Differentialoperators (So, Sv) zu differentiellen Bildsignalen (Go, Gv) verarbeitet werden, die Informationen enthalten, welche für den Gradienten der Leuchtdichte (G) des genannten abgetasteten Bereichs (R) kennzeichnend sind,
daß die differentiellen Bildsignale mit wenigstens einem vorbestimmten Bezugswert (T) verglichen werden,
und daß als mögliche den Seiten der Kontur des Eindrucks angehörende Punkte diejenigen Punkte des abgetasteten Bildes (R) bestimmt werden, in denen der Gradient (G) größer ist als die genannte Bezugsgröße (T).
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende weitere Verfahrensschritte:
es wird die Position des Schwerpunkts (0) des Leuchtdichtegradienten (GT) der abgetasteten Region (R) berechnet,
dieser Schwerpunkt (0) wird zum Ursprungspunkt eines polaren Bezugssystems (r,#) bestimmt, der Variationsbereich der Winkelkoordinaten (i?) dieses Bezugssystems (0, r, ·& ) wird in eine vorbestimmte Anzahl (N) von gleichen Winkelsektoren unterteilt,
in jedem dieser Winkelsektoren wird derjenige Punkt ausgewählt, dem der größte Absolutwert des Leuchtdichtegradienten (GT) entspricht, und dieser Punkt zu einem der Kontur des Bildes des Eindrucks (R) angehörenden Punkt bestimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Trägheitshalbmesser (RI) des Leuchtdichtegradienten (GT) der Punkte des abgetasteten Bildes relativ zu dem genannten Schwerpunkt (O) berechnet wird, daß in Anhängigkeit von der Größe des Trägheitshalbmessers (RI) ein Maximalwert (M) der radialen Koordinaten (r) in dem genannten polaren Bezugssystem (o, r, τ? ) festgelegt wird,
und daß in jedem der genannten Winkelsektoren diejenigen Punkte ausgewählt werden, deren radiale Koordinate (r) gleich oder kleiner ist als der Maximalwert (RM), und unter diesen Punkt derjenige Punkt ausgewählt wird, dem der größte Absolutwert des Leuchtdichtegradienten (GT) entspricht und dieser Punkt als ein Punkt der Kontur des Bildes des Eindrucks (I) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert (RM) der radialen Koordinaten (r) kleiner oder größer ist als der Trägheitshalbmesser (RI).
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß in Abhängigkeit von dem Trägheitshalbmesser (RI) ein Minimalwert (Rm) der radialen Koordinaten (r) in dem genannten polaren Bezugssystem (0, r,^) festgelegt wird,
daß in jedem der Winkelsektoren die Punkte ausgewählt werden, deren radiale Koordinate (r) zwischen dem Maximalwert (RM) und dem Minimalwert (Rm) liegt,
daß unter diesen Punkten anschließend derjenige Punkt ausgewählt wird, dem der größte Absolutwert des Leuchtdichtegradienten (GT) entspricht,
und daß dieser Punkt als ein Punkt der Kontur des Bildes des Eindrucks bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimalwert (Rm) der radialen Koordinaten (r) kleiner
ist als Trägheitshalbmesser (RI).
9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wert der radialen Koordinaten (r) jedes der als zur Kontur gehörig angenommenen Punkte mit dem Mittelwert der radialen Koordinaten einer vorbestimmten Anzahl von Punkten verglichen wird, die in der Umgebung des jeweils untersuchten Punktes liegen,
und daß der untersuchte Punkt nur dann definitiv als ein Punkt der Kontur des Eindrucks übernommen wird, wenn die Differenz zwischen seiner radialen Koordinaten und dem genannten Mittelwert unter einem vorbestimmten Wert liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der untersuchte Punkt durch einen durch Interpolation der Koordinaten der in der Umgebung des untersuchten Punkts liegenden Punkte bestimmten fiktiven Punkt ersetzt wird, wenn die Differenz zwischen der radialen Koordinaten des untersuchten Punktes und des Mittelwerts den genannten vorbestimmten Wert übersteigt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialoperator der nichtlineare Sobel-Operator ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der Bildpunkte, die als zur Kontur des Eindrucks gehörend übernommen werden, durch das als "Bereichswachsturn" (region growing) bezeichnete Verfahren festgelegt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der der den Eindruck (I) aufweisende Bereich (R) des vergrößerten Bildes der Probe (P) mit einer Videokamera (VC) abgetastet wird.
14. Gerät zur Vermessung des bei der Eindringhärteprüfung in einer Probe (P) hinterlassenen Eindrucks (I), insbesondere zur Bestimmung der Position charakteristischer Punkte dieses Eindrucks (z.B. der Ecken des Eindrucks bei der Vickers-Eindringhärteprüfung),
mit Mitteln zur Beleuchtung der Probe (P) derart, daß im Bereich des Eindrucks (I) eine gegenüber der umliegenden Zone veränderte Leuchtdichte entsteht,
sowie mit einem optischen System zur Vergrößerung des Bildes (R) des Eindrucks,
gekennzeichnet durch
optoelektrisch^ Wandlermittel (VC; C) zur Abtastung der Region (R) des vergrößerten Bildes der Probe (P), in der sich der Eindruck (I) befindet, und zur Erzeugung elektrischer Bildsignale, welche Informationen (L) enthalten, die für die Leuchtdichte der abgetasteten Region kennzeichnend sind,
eine mit den genannten optoelektrischen Wandlermitteln (VC; C) gekoppelte automatische Bildverarbeitungseinrichtung zur Herleitung von Positionsdaten aus den Bildsignalen, die für die Position einer Menge von Bildpunkten kennzeichnend sind, welche auf der Basis vorbestimmter Auswahlkriterien als der Kontur des Eindrucks (I) angehörende Punkte bestimmt werden,
sowie eine Recheneinrichtung (CS) zur Extrapolation oder Interpolation der Position der charakteristischen Punkte des Eindrucks (I) aus den Positionsdaten wenigstens eines Teils der genannten Bildpunkte.
15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Bildverarbeitungseinrichtung und die genannte Recheneinrichtung von einem elektronischen Datenverarbeitungssystem (CS) gebildet sind.
16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist, daß
es ein Verfahren zur Vermessung der Kontur des abgetasteten Bildes durch Hervorheben und Schwellwertvergleich (enhancement/tresholding) ausführt.
17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist,
daß es die genannten Bildsignale mit einem Differentialoperator (So, Sv) behandelt, derart daß differentielle Bildsignale erzeugt werden, die Informationen enthalten, welche für den Gradienten der Leuchtdichte (G) des genannten abgetasteten Bereichs (R) kennzeichnend sind,
daß es die differentiellen Bildsignale mit wenigstens einem vorbestimmten Bezugswert (T) vergleicht,
und daß es als mögliche den Seiten der Kontur des Eindrucks angehörende Punkte diejenigen Punkte des abgetasteten Bildes (R) bestimmt, in denen der Gradient (G) größer ist als die genannte Bezugsgröße (T).
18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist,
daß es die Position des Schwerpunkts (0) des Leuchtdichtegradienten (GT) der abgetasteten Region (R) berechnet,
daß es diesen Schwerpunkt (0) zum Ursprungspunkt eines polaren Bezugssystems (r,i?) bestimmt, daß es den Variationsbereich der Winkelkoordinaten (τ?) dieses Bezugssystems (0, r, *&) in eine vorbestimmte Anzahl (N) von gleichen Winkelsektoren unterteilt,
und daß es in jedem dieser Winkelsektoren denjenigen Punkt auswählt, dem der größte Absolutwert des Leuchtdichtegradienten (GT) entspricht, und diesen Punkt zu einem der Kontur des Bildes des Eindrucks (R) angehörenden Punkt bestimmt.
19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist, daß es zunächst den Trägheitshalbmesser (RI) des Leucht-
dichtegradienten (GT) der Punkte des abgetasteten Bildes relativ zu dem genannten Schwerpunkt (0) berechnet,
daß es sodann in Anhängigkeit von der Größe des Trägheitshalbmessers (RI) einen Maximalwert (M) der radialen Koordinaten (r) in dem genannten polaren Bezugssystem (0, r, ) festlegt,
und daß es schließlich in jedem der genannten Winkelsektoren diejenigen Punkte auswählt, deren radiale Koordinate (r) gleich oder kleiner ist als der Maximalwert (RM), und unter diesen Punkt denjenigen Punkt, dem der größte Absolutwert des Leuchtdichtegradienten (GT) entspricht, und daß es diesen Punkt als einen Punkt der Kontur des Bildes des Eindrucks (I) bestimmt.
20. Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist, daß es einen Maximalwert (RM) der radialen Koordinaten (r) bestimmt, der gleich oder größer ist als der genannte Trägheitshalbmesser (RI).
21. Gerät nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Oatenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist,
daß es in Abhängigkeit von dem Trägheitshalbmesser (RI) einen Minimalwert (Rm) der radialen Koordinaten (r) in dem genannten polaren Bezugssystem (0, r,i?") festlegt,
daß es in jedem der Winkelsektoren die Punkte auswählt, deren radiale Koordinate (r) zwischen dem Maximalwert (RM) und dem Minimalwert (Rm) liegt,
daß es unter diesen Punkten anschließend denjenigen Punkt auswählt, dem der größte Absolutwert des Leuchtdichtegradienten (GT) entspricht,
und daß es diesen Punkt als einen Punkt der Kontur des Bildes des Eindrucks bestimmt.
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22. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das
Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist, daß es einen Minimalwert (Rm) der radialen Koordinaten (r) auswählt, der kleiner ist als der Trägheitshalbmesser (RI).
23. Gerät nach Anspruch 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist,
daß es den Wert der radialen Koordinaten (r) jedes der als zur Kontur gehörig angenommenen Punkte mit dem Mittelwert der radialen Koordinaten einer vorbestimmten Anzahl von Punkten vergleicht, die in der Umgebung des jeweils untersuchten Punktes liegen,
und daß es den untersuchten Punkt nur dann definitiv als einen Punkt der Kontur des Eindrucks übernimmt, wenn die Differenz zwischen seiner radialen Koordinaten und dem genannten Mittelwert unter einem vorbestimmten Wert liegt.
24. Gerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist, daß es den untersuchten Punkt durch einen durch Interpolation der Koordinaten der in der Umgebung des untersuchten Punkts liegenden Punkte bestimmten fiktiven Punkt ersetzt, wenn die Differenz zwischen der radialen Koordinaten des untersuchten Punktes und des Mittelwerts den genannten vorbestimmten Wert übersteigt.
25. Gerät nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialoperator der nichtlineare Sobel-Operator ist.
26. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungssystem (CS) derart programmiert ist, daß es die Menge der Bildpunkte, die als zur Kontur des Eindrucks gehörend übernommen werden, durch das als "Bereichswachstum" (region growing) bezeichnete Verfahren festlegt.
27. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektrischen Wandlermittel eine Videokamera (CS) beinhalten.
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