区域表面纹理分析
在过去的二十年中，人们已经开发了许多分析表面纹理的软件包，并发现了其对组件功能的影响。然而，这些软件包几乎完全是面向具有表面纹理分析知识的计量专业人员的。它们为用户提供了大量的工具，但如果没有有效专业指导，这些工具可能会令人生畏且难以掌握和操作。此外，我们并不总是清楚应用工具和更改参数是如何影响数据集的。常见情况是，了解分析软件的人都不太了解关于地表的设计和具体说明，因此，设计、制造和质量工程师(他们也可以从这些工具中受益)必须依赖他们的实验室来为他们解释表面纹理数据，而不是能够与数据本身进行交互。其结果是，工程师们只说明最基本的、很好理解的地表参数，如平均粗糙度，而不管这些参数是否有用。现在，一款新的用于表面纹理分析的软件已经可以使用了，它可以让工程师和实验室的专业人员们共享分析经验，以方便他们真正的理解和沟通并提高改善表面功能。通过逐步引入可视化的纹理分析方法，该软件允许设计师、管理人员和工艺工程师探索地表纹理，并进行图形和数字通信。在本文中，我们介绍了分析表面数据的逐步过程。我们将展示Digital Metrology的OmniSurf3D软件如何以一种工程师和质量专业人员都可以使用的语言直观地呈现每个步骤，从而理解和改进组件性能。
OmniSurf3D 软件。 三维地表以彩色显示。地表的大规模倾斜显示为一个透明的蓝色平面。
表面分析强化理解
最强大的地表分析工具是人类的眼睛和大脑。我们每天要观察数千次表面，并凭直觉判断它们是否粗糙、光滑，有无行走安全，有无触摸危险，外观是否美观等等。使用适当的数据可视化工具进行区域(或“3D”)地表纹理测量，可以在技术测量和人类解释之间提供链接。然而，可惜的是，在大多数公司中都存在一个问题:负责设计、开发和制造地表的人不一定是那些实际研究测量数据的人。在许多情况下，那些在实验室之外工作的人仅仅从实验室获得诸如“形式误差”或“均方根粗糙度”之类的数字，而这些有限的信息就是他们用来驱动设计和决策的全部信息。有了这个新的工具，实验室就有可能测量和存储地形数据，设计师和工程师可以在他们的办公桌上研究和分析这些数据。这是一种非常理想的方法。它可以让实验室专注于提供准确数据的专业知识，而工程部门则可以利用其产品知识。如何将地表分析工具从实验室搬到工程师的办公室呢？这是个挑战，因为软件工具必须要是直观的和具有描述性的。如今的工程师纷纷被要求成为熟知许多学科的专家;因此，地表分析必须要是一种可以提供资料的勘探工具，而不是一种额外的负担。
分析地表纹理的基本步骤
区域地表纹理的探索和分析的过程大致分为四个基本步骤：1. 清理或者预处理数据资料
2. 解释说明指定几何设定参数
3. 通过滤波提取感兴趣的地表特征或形状
4. 用数值参数描述感兴趣的特征下面几个部分将更详细地讨论这四个步骤。构建良好的分析软件可以探索这些领域中的任何一个或所有领域，而不需要用户遵循冗长、僵化的过程来获得所需要的结果。
1. 清理（预处理）数据资料组
地表数据可以由许多不同的仪器获得，包括通过光学、三维(面积)测量系统的机械笔剖面仪。在基于2D触控笔的系统中，当触控笔在一个表面上下移动时，传感器总是知道触控笔的位置。然而，在光学测量中，情况并非总是如此。有时光学测量系统无法在某些像素处检测到数据——可能是由于陡坡或地表污染。在其他情况下，光学仪器可能由于其他成像或检测问题而错误地表示单个像素的高度，从而导致异常值。以下是一些例子:
由于陡峭斜坡导致数据点缺失
由于传感器没有正确检测像素而导致的异常值。因此，分析过程的第一步是解释数据中的错误，例如缺失点和边远数据。OmniSurf3D提供了一些工具，可以方便地解释传入数据中的错误，而不会在不经意间改变数据本身，从而扭曲地表参数。
处理缺失点
缺失点可以用各种插值方法来填补。插值可以提供更好的可视化效果，如果正确执行，对计算参数的影响最小。在下面的例子中，我们使用非常快速的双线性插值方法，根据相邻的有效高度来预测缺失点的高度。
OmniSurf3D提供了“双重可视化”视图，以便在应用分析特性时快速进行比较。在这里，原始数据显示在对偶视图的左边，而右边的数据已经用插值值填充缺失点进行了预处理。
双线性填充缺失的数据。OmniSurf3D的双可视化显示左侧为预处理数据，右侧为处理数据，清晰显示了操作效果。图片由密歇根计量学院提供。
处理边远点
根据边远点的类型，可以用不同的方法进行处理它们。纠正“单像素”异常值最常用的方法是中值滤波。中值滤波器查看以感兴趣的像素为中心的像素正方形(通常为3×3或5×5)。中心像素被包含在正方形中的像素(通常为9或25)的中值替换。例如，一个高度为“10”的远地点有3×3个邻点:
3×3中值滤波。用邻域的中值代替3×3正方形的中心像素，去除单像素离群值。3×3中值滤波器对所有的9个高度进行排序，并将中间像素的高度(以前为“10”)替换为中值“3”。中值滤波器的“正方形”被传递到整个图像上，从而消除了“单像素噪声”。同样，我们可以通过如下所示的OmniSurf3D双重可视化视图看到这个滤波器的效果。注意，当删除边远数据点(左)时，地表的真实结构就会变得明显(右)。
中值滤波以去除边远点。OmniSurf3D的双重可视化(在左边)显示了边远数据如何抑制表面的实际形状。一旦这些异常值被移除，整个圆柱体(右)就变得明显起来。其他方法也可用来处理测量数据集中的异常值。在某些情况下，基于简单阈值的方法(删除相邻区域)可能很有用。在其他情况下，“鲁棒”滤波可以成为抑制异常值的强大工具。
2. 解释说明指定几何设定参数
为了正确地探索地表“纹理”的高度和深度，我们需要能够将纹理特征从底层几何中分离出来。例如，要想可视化和描述这个球面上的涂层结节是很困难的(左图)，直到底层的球形形状被移除(如图所示)。
相对于球表面的基本形状(左)，这个球面上的结节很难辨别。通过去除球面形状，可以对精细特征进行可视化和量化(右图)。请注意这两个图像之间的缩放差异。在ISO 25178系列标准中，几何形状去除的操作是“F”或“form removal”，这些标准规定了如何收集和报告表面数据。对于测量数据集的分析，为了更好地可视化过滤操作的影响，首先删除底层几何是最有意义的。在OmniSurf3D中，可以从表面数据中删除几个参考几何图形(表单)。这些包括平面、圆柱体、圆锥、球体、非球面、多项式曲面等。选择基于基础几何知识。例如，如果表面设计为平面，那么应该使用平面作为参考几何。如果表面设计成圆柱形，则应使用圆柱体。在某些情况下，表面形状不是原始几何形状;在许多这种情况下，多项式对于近似基本形状非常有用。能够可视化参考几何与被测地表的关系对于正确提取和理解地表特征非常重要。例如，将织物或纸张的样品视为基本平面似乎是自然的;然而，如果样本是聚束或弯曲的，那么应用参考平面可能会扭曲数据，而多项式曲面拟合则不会。OmniSurf3D可以将参考几何图形显示为一个透明的表面，通过切割零件表面，可以很容易地看到参考与实际数据的匹配程度。以下是一些例子:
3. 通过滤波提取感兴趣的地表特征或形状
地表由不同尺度或波长的特征组成。例如，一个路面由许多不同的波长组成:
道路的许多波长范围都是从砾石边的纹理(短波长)到大的山丘和山谷(长波长)。为了探索感兴趣的特定波长区域，我们必须应用滤波来限制或“围住”感兴趣的波长波段。在ISO 25178中，短波限幅滤波器的应用被称为“S”操作。长波限幅滤波器的应用称为“L”操作。这些滤波器(操作符)可以调整以从一个表面提取各种形状。例如，许多地表纹理参考书都提到了地表域:粗糙度、波纹度和形状。
在3-domain方法下，被测地表分为三个切面，每个面都可能与各种功能或过程相关。在上图中，我们对切面进行了如下分析：
·粗糙度:S-L(短-长)有限曲面o S算子:0.0025mm高斯滤波器o L算子:0.8 mm高斯滤波器
·波浪度:S-L(短-长)有限曲面o S算子:0.8 mm高斯滤波器o L算子：8.0 mm高斯滤波器
·形式:S-F(简称)有限曲面o S算子:8.0 mm高斯滤波器o F算子：最小平方线
要定义滤波器，我们必须确定两件事:截止波长和滤波器类型。
截止波长定义了数据被分成长(波状)和短(粗糙)波长的点。 截止波长可以描述为“平滑的量”，进入波的一面滤波器。 我们可以看到滤波器截止波长选择的影响如下图所示:
截止波长选择的影响。 注意0.8 mm的截止线(左)产生了一个波浪剖面，其中有许多波峰和波谷。 8.0 mm的截止(右)平滑了波纹度曲线，同时在粗糙度曲线中引入了更大的波长结构。在上面的例子中，我们有一个初级表面剖面(顶部的蓝色数据)显示了两次。在左边，主剖面用一个相对较小的截止值(0.8 mm)进行过滤。这就得到了一个波浪剖面(左上角的红色剖面)，有几个波峰和波谷。如果我们从初级剖面中去掉左边的波纹剖面，左下角的粗糙度剖面则是剩下的部分。同样，在右上角，我们有一个基于较大的(8.0毫米)滤波器截止值的波纹剖面。这个较大的截止值创建了一个更平滑的波纹剖面，因此，在右下角的图中粗糙度有所增加。选择滤波器的另一个方面是滤波器类型。这定义了平滑发生的方式。典型的滤波器类型为高斯滤波器和鲁棒滤波器。高斯滤波器是最常用的滤波器，适用范围最广。它是基于高斯(或“钟形曲线”)形状的移动平均线，通过数据创建一个波纹剖面或表面:
高斯滤波器。当边缘特征引起数据中不必要的失真时，应该考虑鲁棒滤波。这些高斯滤波器的错误数据会使地表产生孔隙或划痕。在提取感兴趣的特性时，一定要选择滤波器的截止波长(在ISO 25178系列中也称为滤波器的“嵌套指数”)。OmniSurf3D提供了多种可视化工具，帮助用户理解滤波器的影响，更好地理解所研究的地表。短滤波器(S算子)
短滤波器去除“几何抑制”表面上不需要的短波长。得到的地表称为“主”地表。滤波量由短滤波器的截止波长(嵌套指数)决定。这个例子显示了一个基于0.080毫米短滤波器的形状抑制地面和相关的主地表。
短滤波器的应用。注意原始地表的细微细节的丢失——在这个波长范围内，滤波器从数据中去除噪声以显示粗糙度(右)。
长滤波器(L算子)
长滤波器(L算子)建立表面波长，进入波状表面。为了获得过滤的(粗糙)表面，去掉了这个波状表面。这种滤波器类型和截止波长(嵌套指数)的选择非常重要，因为它对计算参数有很大的影响。鉴于这种滤波器选择的重要性，OmniSurf3D提供了几个可视化工具，帮助用户理解和探索滤波器的影响:
• 一个透明的波状曲面图。这种可视化可以让用户看到波纹表面如何“适应”主地表。
一种透明的波状表面，显示在固体主地表内部。
• 曲面图的双重可视化
OmniSurf3D的主要地表/波状地表(左)和波状地表(右)的双重可视化。
OmniSurf3D的主要地表/波状地表(左)和过滤粗糙地表(右)的双重可视化。这种可视化可以让用户快速查看滤波器如何处理您的数据。例如，如果将截止波长设置为较小的值，我们可以很容易地看到表面的袋状开始出现在波状域。这意味着报告的地表纹理参数将缺少以下这些袋状:
OmniSurf3D的主要地表(左)和波状地表(右)的双重可视化。波浪中较细的“口袋”的存在可能表明截断值太短。
4. 用数值参数描述感兴趣的特征
除了地表数据的可视化和探索，我们最终还需要数字来描述和控制我们的地表。如果没有数值，我们将很难建立公差和控制制造过程。我们将无法评估质量。然而，我们应该记住:用数字来描述地表的形状就像用分贝来描述交响乐一样:一个数字所包含的信息是非常多的。因此，我们应该先从对表面的视觉和功能的理解开始。这种理解会驱动数值的选择。一个表面可以计算出许多不同的参数——远比这里描述的要多。最好的参考文献是ISO 25178-2。在此介绍中，将介绍一些基本的分析类别和参数。注:二维剖面分析中最常见的高度或“粗糙度”参数是“Ra”(平均粗糙度)参数。在平面/三维表面纹理中，我们没有“R”(粗糙度)或“W”(波纹度)的名称，因为我们没有粗糙度或波纹度的概念。在区域/3D表面纹理中，我们简单地使用字母“S”来指定一个表面。“S”表面由一组受控的表面波长组成，这些波长由S(短滤波器)和/或L(长滤波器)和/或F(形式)算子决定。
描述地表高度
最常见的面积参数是Sa(平均粗糙度)值，它类似于基于剖面线的“Ra”值。 这个值是基于所有数据点到平均线的平均距离。
基于到平均线的平均距离的Sa值。另一个在三维曲面分析中越来越流行的高度描述是Sq参数。这是表面高度的标准偏差，因此在数学/统计模型中更有用。
基于高度标准差的Sq值。
描述地表界面面积
Sa和Sq描述的是高度，而其他参数描述的是地表不同之处，可能也是很重要的方面。例如，“Sdr”(已开发的界面比率)描述了由于粗糙度而产生的表面积与没有粗糙度时的表面积之比。报告的值是由于粗糙度而获得的面积百分比。
Sdr值报告了由于粗糙度导致的表面积增加。
描述当地特征
区域“特征”提取方法可以检测和分离峰、坑、鞍、脊线、航线等特征:
区域地形的局部特征山峰周围的区域被划分为“山”，坑周围的区域被划分为“谷”。可以从这些特征来进行统计，如平均河谷体积或平均峰值密度。这些参数可以用来描述一个表面能很好地容纳润滑剂或油墨，或表面能如何滑动或粘附。OmniSurf3D基于检测到的特征参数众多，为被测表面提供了这些特征的独特三维可视化:
OmniSurf3D的山脊线和局部坑谷的显示。
附加的分析工具
除了上面描述的一般表面参数外，实验室专业人员还可以访问大量的工具来进一步分析表面，并将其纹理与功能关联起来。形态分析预测了软表面如何与硬表面的相适应。这也是个很有用的工具，来突出在测量表面中，向上或向下的明显特征。形态学的“关闭”滤波器可应用于数据集，以模拟被压入表面的软表面(例如垫片)。这种分析方法可以让工程师探索表面的功能，如密封垫下的泄漏或应力引起的山谷或裂缝。相反，形态学的“开孔“滤波器可以用来显示表面的峰值如何与接触应力、油膜渗透和表面缺陷有关。OmniSurf3D提供了一个交互式的、非常快速的工具，用于应用形态过滤和可视化的间隙/空隙或峰值。
OmniSurf3D坑/孔隙分析。
总结
测量、分析和解释表面纹理数据的能力为设计高功能表面和控制制造这些表面所需的过程提供了巨大的可能性。OmniSurf3D通过提供直观、高效和信息丰富的工具来探索表面纹理，为跨所有工程功能的表面分析提供了一个通用的平台。设计人员可以直接对表面数据进行挖掘，在加工初期改善表面功能，而质量工程师和工艺工程师可以深入挖掘，发现变化的根本原因，更好地控制制造，实现可重复和可靠的部件功能。