本發(fā)明涉及表面測(cè)量技術(shù)，尤其涉及一種用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法。

背景技術(shù)：

隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)產(chǎn)品表面的要求越來(lái)越高，尤其是一些具有深谷信號(hào)的表面，即會(huì)產(chǎn)生奇異值得表面特征，傳統(tǒng)的高斯濾波方法有可能對(duì)表面的參數(shù)評(píng)定產(chǎn)生較大的偏差，新一代的GPS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)引入了穩(wěn)健高斯回歸濾波方法，能夠適應(yīng)這種要求。

GPS為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 213對(duì)“Geometrical Product Specification and Verification”的簡(jiǎn)稱(chēng)，即幾何產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范與認(rèn)證，是國(guó)際上最具影響力的標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量信息體系。它是貫穿一切幾何產(chǎn)品包括高新技術(shù)產(chǎn)品、航空航天產(chǎn)品、機(jī)電產(chǎn)品、生物工程產(chǎn)品等從研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、到制造、驗(yàn)收、使用等全過(guò)程的紐帶，其應(yīng)用涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)和所有學(xué)科。尤其是在當(dāng)今知識(shí)經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)全球化的時(shí)代，新一代GPS提供了一個(gè)可靠的工業(yè)交流與評(píng)判工具。為了盡快建立與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致的GPS框架體系，以提高我國(guó)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，從根本上研究和把握新一代GPS框架體系的本質(zhì)內(nèi)涵與發(fā)展趨勢(shì)具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

然而，在現(xiàn)有的表面粗糙度測(cè)量技術(shù)中，所采用的高斯濾波方法往往不能針對(duì)具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的濾波，而且具有邊界效應(yīng)，濾波器的穩(wěn)健性較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在下文中給出了關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。

鑒于此，本發(fā)明提供了一種用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法，以至少解決現(xiàn)有表面粗糙度測(cè)量技術(shù)中采用的高斯濾波方法不能針對(duì)具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確的濾波的問(wèn)題。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法，所述用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法包括：通過(guò)引入回歸理論和穩(wěn)健估計(jì)理論，獲得用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型；確定所述用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)；利用當(dāng)前獲得的用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型，對(duì)具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波。

進(jìn)一步地，確定所述用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)的步驟包括：根據(jù)多個(gè)預(yù)定穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)各自的穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)特性與濾波性能，在所述多個(gè)預(yù)定穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)之中選擇一個(gè)作為所述用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)。

進(jìn)一步地，所述用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)為ADRF穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)。

本發(fā)明的用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法，具有以下有益效果：

(1)消除邊界效應(yīng)。對(duì)于傳統(tǒng)濾波方法，由于卷積運(yùn)算的內(nèi)在特性，表面輪廓首尾兩段截止波長(zhǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)不能用來(lái)進(jìn)行表面特征的評(píng)定，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)的利用效率。對(duì)于三維表面測(cè)量來(lái)說(shuō)，意味著將丟棄更多的數(shù)據(jù)。并且對(duì)于形狀測(cè)量來(lái)說(shuō)，由于需要測(cè)量區(qū)域的所有數(shù)據(jù)參與形狀評(píng)定，傳統(tǒng)濾波方法就不能滿(mǎn)足要求。邊界效應(yīng)一直是困擾表面濾波方法的關(guān)鍵問(wèn)題。

(2)提高濾波器穩(wěn)健性。對(duì)于一些具有深谷的表面信號(hào)，如坑、谷、刻痕等，傳統(tǒng)濾波方法不具穩(wěn)健性，濾波中線(xiàn)被扭曲，也即不能有效地分離表面粗糙度、表面波紋度和形狀誤差三種成分，從而影響濾波精度。

(3)消除局部形狀對(duì)濾波中線(xiàn)的影響。對(duì)于具有大曲率形狀的表面輪廓濾波，傳統(tǒng)濾波方法得出的濾波中線(xiàn)往往嚴(yán)重偏離表面輪廓，使得濾波基準(zhǔn)不可靠，也就導(dǎo)致了表面特征評(píng)定參數(shù)的失真。

本發(fā)明基于新一代GPS框架體系，深入探討表面高斯濾波技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)施，對(duì)其進(jìn)行分析、詮釋和改進(jìn)，并將穩(wěn)健估計(jì)理論與表面功能評(píng)定研究相結(jié)合，開(kāi)拓表面計(jì)量領(lǐng)域又一個(gè)有意義的學(xué)科交叉研究點(diǎn)，既拓廣穩(wěn)健估計(jì)的理論及其應(yīng)用，又為工程表面的功能評(píng)定提供有效的理論與方法。進(jìn)而為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充完善和相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂及推廣實(shí)施鋪路，進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用，為摩擦、磨損、疲勞、潤(rùn)滑、鍍膜等功能特性的深入探討提供定量的評(píng)定依據(jù)，為功能表面生成工藝的設(shè)計(jì)、監(jiān)控、調(diào)制等提供定性的理論依據(jù)。

通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明可以通過(guò)參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細(xì)說(shuō)明一起包含在本說(shuō)明書(shū)中并且形成本說(shuō)明書(shū)的一部分，而且用來(lái)進(jìn)一步舉例說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和解釋本發(fā)明的原理和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中：

圖1是示意性地示出本發(fā)明的用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法的一個(gè)示例的流程圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡(jiǎn)單和清楚起見(jiàn)而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件放大了，以便有助于提高對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解。

具體實(shí)施方式

在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在說(shuō)明書(shū)中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開(kāi)發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過(guò)程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開(kāi)發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這種開(kāi)發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。

在此，還需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法，用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法包括：通過(guò)引入回歸理論和穩(wěn)健估計(jì)理論，獲得用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型；確定用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)；利用當(dāng)前獲得的用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型，對(duì)具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波。

圖1示出了本發(fā)明的用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法的一個(gè)示例性處理的流程圖。

如圖1所示，本發(fā)明的用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法開(kāi)始之后，執(zhí)行步驟S110。

在步驟S110中，通過(guò)引入回歸理論和穩(wěn)健估計(jì)理論，獲得用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型。然后，執(zhí)行步驟S120。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，可以基于閉環(huán)高斯濾波GFC的權(quán)函數(shù)與轉(zhuǎn)換函數(shù)的生成及基本特性得到濾波算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。對(duì)于服從正態(tài)分布的封閉表面信號(hào)，閉環(huán)高斯濾波具有優(yōu)良的性能；但當(dāng)將其應(yīng)用于開(kāi)放輪廓時(shí)，邊界效應(yīng)引起的信息損失、局部形狀導(dǎo)致的尾端翹變和奇異特征所致的基準(zhǔn)畸變都將影響其濾波實(shí)用性。

這樣，通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例，能夠得到適用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波，由非參數(shù)擬合被提取數(shù)據(jù)的形狀，選用動(dòng)態(tài)權(quán)函數(shù)，在濾波的同時(shí)消除了邊界效應(yīng)和局部形狀的影響(例如可以參考以下文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)：袁博.小波包分析在表面形貌測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006,15～43.)。邊界零延拓可以避免開(kāi)環(huán)高斯濾波在邊界處權(quán)函數(shù)幅值相對(duì)增大導(dǎo)致的濾波基準(zhǔn)值相對(duì)較大的缺陷，但總體性能較差。多項(xiàng)式擬合卷入兩階開(kāi)環(huán)高斯濾波卷積導(dǎo)致的運(yùn)算復(fù)雜困難，可采用三次B樣條擬合前置處理，改進(jìn)開(kāi)環(huán)高斯濾波性能。

在步驟S120中，確定用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)。然后，執(zhí)行步驟S130。

根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，可以根據(jù)多個(gè)預(yù)定穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)各自的穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)特性與濾波性能，在多個(gè)預(yù)定穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)之中選擇一個(gè)作為用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型所使用的穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)。

這樣，通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例，能夠基于權(quán)函數(shù)的比較分析結(jié)果而得到一種新的ADRF穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)，使其具備更加穩(wěn)健的尺度參數(shù)，有效地避免特征異常信號(hào)的掩蓋和淹沒(méi)問(wèn)題，同時(shí)又兼顧計(jì)算效率(例如可以參考以下文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)：X.D.Zhang,C.Zhang,B.Wang and S.C.Feng.Unified functional tolerancing approach for precision cylindrical components.International Journal of Production Research,Vol.43,No.1,1January 2005,25-47.)。實(shí)驗(yàn)實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明ADRF穩(wěn)健濾波既具有開(kāi)環(huán)高斯濾波在正常情況下的優(yōu)良性能，又增強(qiáng)了其在異常情況下的穩(wěn)健性，使開(kāi)環(huán)高斯濾波更具實(shí)用性(例如可以參考以下文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)：Anon.http://iso tc213.ds.dk.)。

基于工程表面形貌的特點(diǎn)，采用圖形比較和參數(shù)評(píng)估，可以得到異常信號(hào)對(duì)開(kāi)環(huán)高斯濾波的影響。結(jié)果表明，開(kāi)環(huán)高斯濾波結(jié)果在異常信號(hào)附近發(fā)生畸變，其畸變程度和波及范圍與高斯窗寬、采樣長(zhǎng)度和原始奇異特征尺寸有關(guān)。當(dāng)表面輪廓同時(shí)存在多個(gè)同型劃痕，且劃痕間相距較近時(shí)，濾波后的變形將互相疊加和影響。若同時(shí)兼有異型劃痕存在，則畸變情況更加復(fù)雜。

這樣，本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)引入穩(wěn)健估計(jì)理論，得到一種新的穩(wěn)健高斯濾波算法。其確定了表面穩(wěn)健評(píng)定基準(zhǔn)(例如可以參考以下文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)：楊福生.小波變換的工程分析與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999)，并進(jìn)一步建立起從二維到三維的穩(wěn)健評(píng)定模型，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)環(huán)高斯濾波的穩(wěn)健處理，克服奇異特征對(duì)開(kāi)環(huán)高斯濾波的影響。穩(wěn)健處理的有效性建立在穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)合理選擇的基礎(chǔ)上，為此分析比較了不同穩(wěn)健估計(jì)權(quán)函數(shù)的穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)特性與濾波性能，指出其在統(tǒng)計(jì)和實(shí)用上的利弊。

在步驟S130中，利用當(dāng)前獲得的用于開(kāi)放輪廓的開(kāi)環(huán)高斯濾波模型，對(duì)具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波。結(jié)束處理。

通過(guò)以上描述可知，本發(fā)明的用于具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法通過(guò)引入穩(wěn)健理論結(jié)合回歸方法，得到適合具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量的高斯濾波方法，即穩(wěn)健高斯回歸濾波方法。利用該穩(wěn)健高斯回歸濾波方法對(duì)具有表面深谷信號(hào)的表面粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，能夠得到以下效果：

(1)消除邊界效應(yīng)。對(duì)于傳統(tǒng)濾波方法，由于卷積運(yùn)算的內(nèi)在特性，表面輪廓首尾兩段截止波長(zhǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)不能用來(lái)進(jìn)行表面特征的評(píng)定，降低了測(cè)量數(shù)據(jù)的利用效率。對(duì)于三維表面測(cè)量來(lái)說(shuō)，意味著將丟棄更多的數(shù)據(jù)。并且對(duì)于形狀測(cè)量來(lái)說(shuō)，由于需要測(cè)量區(qū)域的所有數(shù)據(jù)參與形狀評(píng)定，傳統(tǒng)濾波方法就不能滿(mǎn)足要求。邊界效應(yīng)一直是困擾表面濾波方法的關(guān)鍵問(wèn)題。

(2)提高濾波器穩(wěn)健性。對(duì)于一些具有深谷的表面信號(hào)，如坑、谷、刻痕等，傳統(tǒng)濾波方法不具穩(wěn)健性，濾波中線(xiàn)被扭曲，也即不能有效地分離表面粗糙度、表面波紋度和形狀誤差三種成分，從而影響濾波精度。

(3)消除局部形狀對(duì)濾波中線(xiàn)的影響。對(duì)于具有大曲率形狀的表面輪廓濾波，傳統(tǒng)濾波方法得出的濾波中線(xiàn)往往嚴(yán)重偏離表面輪廓，使得濾波基準(zhǔn)不可靠，也就導(dǎo)致了表面特征評(píng)定參數(shù)的失真。

盡管根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說(shuō)明書(shū)中使用的語(yǔ)言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發(fā)明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書(shū)的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)許多修改和變更都是顯而易見(jiàn)的。對(duì)于本發(fā)明的范圍，對(duì)本發(fā)明所做的公開(kāi)是說(shuō)明性的，而非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)限定。