基于全局特征拼接和光照平衡增强技术的航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤表征

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Microcrack damage characterization of aerospace ceramic bearings based on global feature stitching and illumination-balanced enhancement

　　廖大海|涂一朗|杨慧|刘俊雄|马成文|王伟
景德镇陶瓷大学机械与电子工程学院，中国江西省景德镇市333403

**摘要**
在航空航天陶瓷轴承的损伤表征中，存在曲率变化和光照不均匀的问题。本文提出了一种结合全局特征拼接和光照平衡增强技术的图像处理方法，该方法能够实现对航空航天陶瓷轴承损伤特征的参数化、精准重建。通过一致性验证机制消除匹配错误，构建最优仿射矩阵和累积成本函数，利用动态规划寻找最优拼接路径以提高拼接质量，并通过定制的结构元素实现光照平衡。该方法考虑了球形轴承的非线性反射特性，构建了非线性光照变化补偿模型，并利用相邻重构像素进行补偿，实现了准确的光照校正。增强处理后，平均峰值信噪比为40.4245，平均归一化系数为0.9960。该方法有效消除了曲率变化和光照不平衡对航空航天陶瓷轴承损伤特征参数化重建的影响。

**引言**
航空航天陶瓷轴承具有高硬度、低密度和优异的化学稳定性等优异性能[1],[2]，广泛应用于半导体制造设备、医疗设备的精密传动部件以及高速列车的轴承系统[3],[4]。然而，在Si3N4粉末合成和成型过程中，原材料纯度的波动和工艺参数的不稳定性容易导致航空航天陶瓷轴承内部结构不均匀和孔隙率异常[5],[6]。随着使用时间的延长，应力集中容易局部化，降低轴承球的可靠性和耐久性。因此，改进航空航天陶瓷轴承的检测手段，提高缺陷检测的灵敏度和精度对于提升相关高科技产业的设备可靠性至关重要。超声波脉冲回波检测、原子力显微镜检测、X射线色谱成像检测等先进检测方法在一定程度上能够发现航空航天陶瓷轴承的缺陷[7],[8],[9]，但在识别提取的微裂纹光学隐藏特征方面仍存在局限性，难以全面准确地评估微观缺陷对轴承球性能的潜在影响。机器视觉智能检测技术是一种高精度的非接触式检测方法[10],[11],[12]，利用高帧率和高像素相机获取航空航天陶瓷轴承的表面图像，能够准确识别轴承球表面的各种缺陷类型，显著提高检测的准确性和速度，实现零误判和零漏检的目标。

航空航天陶瓷轴承的表面曲率变化会导致不同区域的光线反射和折射不一致，从而造成捕获图像的光照不均匀。陶瓷轴承的微裂纹形成光学隐藏特征，容易被误分类为背景或被忽略。潘等人[13]针对低光照图像的质量退化问题，提出了一种新的两阶段处理框架，通过结合多尺度光照特征综合提升了低光照图像的质量。徐等人[14],[15],[16]基于物理原理结合局部邻域信息估计光照衰减，构建了自监督的增强方法，具有很强的适应性和多样性低光照条件下的通用性。赵等人[17],[18]结合多尺度曝光融合技术构建了双通道初始光照映射的架构，定制并优化了自适应伽玛校正方法，有效解决了低光照和过曝场景下的图像问题。周等人[19],[20],[21]针对海水中的粒子散射和光吸收导致图像清晰度降低的问题，通过像素分布重映射结合多优先级Retinex变分建模实现了水下图像增强，补偿了水下图像的亮度损失。现有的先进方法中，CRetinex实现了低光照增强，但未考虑球形曲率引起的光照梯度分布不均匀问题。自监督低光照增强方法依赖大量未标记数据进行训练，对小样本轴承图像的适应性不足，且未实现多图像拼接和光照校正的联合优化。上述研究的方法在解决光照不均匀问题上具有一定的价值，但在航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤特征的精确识别方面仍存在不足。

为了实现对航空航天陶瓷轴承微裂纹光学隐藏特征的准确有效识别，本文独立设计了微裂纹光学隐藏特征图像采集系统，设计了偏振子孔径图像扫描路径，结合状态传递方程和随机采样进行正确匹配识别，设计了的一致性检查机制来剔除错误匹配的对，构建了最优单应力矩阵以准确转换微裂纹特征图像，定义了动态规划策略寻找最优拼接路径以优化拼接质量，实现了航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤特征图像的准确、无缝、自然的拼接。设计了独特的明暗区域提取和处理流程，根据目标图像特征定制合适结构元素的形状和大小，准确提取亮区并补偿背景亮度，设计了差分运算突出暗区，可定制多种不同标准差和对应的模板大小，基于高斯函数公式构建了多个高斯核矩阵，设计了RGB通道归一化图像卷积滤波进行对数运算和差分处理，构建了基于当前块与参考块间非线性光照变化假设的模型，利用重构像素附近的光照参考块设计非线性光照补偿模型。针对航空航天陶瓷轴承的球形物理特性，本文提出了一个集成拼接增强框架，首次优化了轴承表面纹理的非线性尺度空间特征提取，将数学定义的曲率约束融入RANSAC实现几何和曲率的一致性联合优化，同时将Si3N4材料的反射特性纳入动态规划的成本函数。此外，设计了定制的形态学结构元素以匹配微裂纹的形态特征，最终将Retinex算法与物理驱动的非线性光照模型相结合提升图像质量。该方法通过物理约束嵌入而非简单参数调整，实现了从通用场景增强到特定场景精准重建的突破，补偿光照变化以实现准确的光照校正，克服了传统图像增强技术在航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤表征中的局限性，体现了该方法在解决复杂问题（如光照不均匀和图像质量提升）方面的显著优势，为处理此类问题提供了新的思路。

**部分内容**
**图像采集系统设计**
为了全面直观地检测和定位航空航天陶瓷轴承的表面微裂纹特征，并获取其微裂纹图像，独立设计构建了航空航天陶瓷轴承微裂纹图像采集系统。该系统主要包括图像采集设备、图像采集路径和图像增强流程，具体细节见图1。

**基于全局特征拼接和光照平衡增强的航空航天陶瓷轴承损伤特征参数化重建过程**
由于航空航天陶瓷轴承的曲率差异，导致光照不均匀，从而产生各种异常光照区域。在航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤特征图像中，局部光照差异显著，使得损伤特征难以区分。本文提出基于全局缺陷镶嵌和定制光影平衡的方法，实现了损伤图像的完整增强。

**环境设置**
获取航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤特征图像。表1中FESEM设备参数和采样阶段参数的说明非常重要，对于获得清晰、准确和具有代表性的航空航天陶瓷轴承微裂纹图像至关重要，可以有效避免因定位错误导致的图像模糊或特征遗漏问题。

**分析图像拼接和增强对航空航天陶瓷轴承微裂纹光学隐藏特征的影响**
为了更直观地分析本文提出的方法对航空航天陶瓷轴承微裂纹光学隐藏特征的提升效果，通过特征描述符统计图表、镶嵌图像区域热图、等高线填充图和灰度直方图统计特征分析图表分析了镶嵌和增强效果。

**结论**
本文提出了一种基于全局缺陷镶嵌和定制光影平衡的航空航天陶瓷轴承微裂纹损伤特征图像增强方法，为解决表面曲率引起的光学特征遮挡和不均匀光照问题，构建了最优仿射矩阵和状态转换方程，采用动态规划策略确定最优拼接路径，该方法能够适应曲率引起的视差和变形。

**作者贡献声明**
廖大海：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。
涂一朗：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、项目管理、概念化。
杨慧：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、资源管理、项目管理、方法论、研究。
刘俊雄：可视化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报道的工作。

**致谢**
本研究得到了江西省自然科学基金重点项目（项目编号20252BAC240390）和江西省自然科学基金（项目编号20252BAC240342）的资助，作者对此表示衷心感谢。同时，也感谢编辑和匿名审稿人提出的宝贵意见，这些意见对改进我们的手稿起到了重要作用。