JP3071956B2

JP3071956B2 - ビッカース硬さ自動読み取り装置

Info

Publication number: JP3071956B2
Application number: JP4216373A
Authority: JP
Inventors: 充小田
Original assignee: 株式会社アカシ
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH07181120A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビッカース硬さ試験装
置に関し、特に試験片（試料）の表面に圧子を押し込ん
でくぼみを形成し、このくぼみの表面積と圧子の押し込
み荷重とから硬度を測定するビッカース硬さ試験装置に
おいて、上記表面積の測定を自動的に行ない、これに基
づきビッカース硬度を自動的に測定できるようにした、
ビッカース硬さ自動読み取り装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ビッカース硬度の測定では、
圧子の押し込みにより試料表面に形成されるくぼみの表
面積測定は、計測顕微鏡を用いて肉眼によりくぼみ対角
線長さを測定することにより、行なわれている。ところ
で、肉眼による計測には測定上個人差があり、かつ測定
時間が長く、さらに測定者の疲労度合いによる誤差が生
じる等の欠点がある。しかし人が測定を行なう場合、く
ぼみ以外の傷や汚れのなかから、くぼみを選択的に認識
できるという利点がある。

【０００３】上記の欠点を解決すべく、硬度計の接眼部
にＴＶカメラを取り付けてくぼみを写し出し、その画像
に適当な画像処理を行なって硬度を自動測定する装置が
提案されている（特願平4-59424号）。しかしこの装置
は、画像上のくぼみ位置が画面のほぼ中央である必要が
あり、またある程度以上の大きさの汚れがある場合、く
ぼみ頂点を誤認しやすいという問題点がある。さらに上
述の特願平4-59424号のものは、くぼみの表面積測定の
みを自動化する場合には、測定者によりくぼみ位置を画
面中央に移動し、誤認測定か定常測定かの判断を行なう
ことにより、上述の第１の問題点を解決できないことも
ないが、多数点のくぼみ付けから硬度測定までを自動的
に行なう全自動測定装置として使用する場合、測定結果
の信頼性の面で劣り、実用性に欠ける。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
この欠点の解決をはかろうとするものである。すなわち
本発明は、硬度計の接眼部に取り付けられたＴＶカメラ
で試料表面に付けられたくぼみを写し出し、そのくぼみ
の画像を多値階調にデジタル化し、このくぼみの多値デ
ジタル画像に対し最適なしきい値を検出し、このしきい
値を用いて２値画像を求め、その２値画像に対して２次
元のノイズ除去処理を行なって傷，汚れの影響を選択的
に低下せしめ、くぼみ４辺の画面内の概略位置を検出
し、この概略位置よりくぼみ境界点を検出し、この境界
点を４本の多次曲線に回帰し、これら４本の多次曲線の
交点をくぼみ頂点と推定し、それら４つの頂点の座標上
の位置から互いに交差する２本の対角線長さを演算して
くぼみ面積を算出し、このくぼみ面積と圧子に作用する
押し付け荷重とからビッカース硬さを、肉眼測定におけ
るくぼみ認識能力に近い認識能力のもとで、つまり傷や
汚れなどによる読み取り誤りに対する問題点を解決しな
がら、全自動測定装置への使用にも耐え得る信頼性を持
った、ビッカース硬さ自動読み取り装置を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明のビッカース硬さ自動読み取り装置は、所定
の荷重で試料の表面に４角錐状の圧子を押し込んでビッ
カースくぼみを形成できる試験機と、同試験機がそなえ
た光学顕微鏡の接眼部に取り付けられたＴＶカメラと、
同ＴＶカメラにて写し出された上記くぼみを含む上記試
料の表面の映像信号を多値階調にてアナログ／デジタル
変換するＡ／Ｄ変換部と、同Ａ／Ｄ変換部にて変換され
た多値デジタル画像を記憶する画像記憶部と、上記多値
デジタル画像に対し最適なしきい値を検出するしきい値
検出部と、同しきい値検出部からのしきい値に基づき上
記多値デジタル画像を２値化する２値変換部と、同２値
変換部で得られた２値画像よりくぼみ境界外の点を除去
する２次元ノイズ除去部と、同２次元ノイズ除去部で得
られた２値画像より画面内のくぼみ中心と４辺の概略位
置とを検出するくぼみ位置検出部と、同くぼみ位置検出
部で検出された上記くぼみの４辺と２値画像とによりく
ぼみ境界を検出する境界検出部と、同境界検出部で検出
された境界を４本の曲線に回帰し各曲線の交点からくぼ
み頂点の座標上の位置を推定する頂点推定部と、同頂点
推定部で推定された頂点の位置と上記圧子の押し込み荷
重とからビッカース硬度を演算する硬度演算部とをそな
えたことを特徴としている。

【０００６】

【作用】上述の本発明のビッカース硬さ自動読み取り装
置では、Ａ／Ｄ変換部でＴＶカメラからの映像信号が多
値デジタル画像に変換される。また、２値変換部では、
多値デジタル画像が、２値化しきい値検出部により検出
されたしきい値と注目する多値デジタル画像の画素の輝
度とを比較し、「１」(白)と「０」(黒)との２値画像に変
換される。２次元ノイズ除去部では、注目した画素くぼ
みの境界４辺でないと判断された画素が、ノイズとして
除去される。くぼみ位置検出部では、ノイズ除去された
２値画像からくぼみの４辺を通る４本の直線で表現され
る仮想正方形の中心を求めてくぼみの概略位置の決定が
行なわれ、さらに、境界検出部ではくぼみ位置検出部で
検出されたくぼみの４辺と２値画像とによりくぼみ境界
の検出が行なわれる。

【０００７】さらに、頂点推定部では、くぼみ境界検出
部で検出された境界画素の位置を、各辺ごとに高次曲線
に最小自乗法により回帰して、この回帰線の交点から、
くぼみの４つの頂点の座標上の位置が求められる。そし
て、硬度検出部では、頂点推定部で求められた４つの頂
点の座標上の位置から交差する２本の対角線の長さが算
出され、その値に基づいて、ビッカース硬さＨｖの演算
が［数１］式に基づいて行なわれる。

【数１】Ｈｖ＝１.８５４Ｐ/ｄ²(ｋｇｆ/ｍｍ²）但しＰは圧子の押し込み荷重ｄは２本の対角線の平均長さ

【０００８】

【実施例】以下、図面により本発明の一実施例としての
ビッカース硬さ自動読み取り装置について説明すると、
図１は硬度演算機をブロック線図として示した模式平面
図、図２は試料の表面に形成されたビッカースくぼみの
画像、図３は白／黒グループ間分散最大なるしきい値を
用いて２値化した２値画像、図４はくぼみ位置検出のた
め十字位置を出発点として注目する画素を検出した状態
を示す画像、図５は図４の状態に対し８×８の正方領域
でＭ＝５として２次元ノイズ除去を行ないノイズが選択
的に除去された画像、図６はくぼみ位置検出を行なって
仮想正方形を検出した画像、図７は境界検出を行なった
画像、図８は２次元曲線により頂点推定を行なった画像
で十字位置を頂点推定としている。図９はくぼみ位置が
画面中央より大きくはずれている状態を図８と対応して
示す画像、図10は対角線長さの測定例の説明図、図11は
ビッカース硬度200のテストピースに対し連続500回の自
動読み取りを繰り返し行なったテスト結果を示すグラフ
である。

【０００９】図１に示すように、この実施例のビッカ
ース硬さ自動読み取り装置は、ビッカース式硬度試験機
１と画像処理部を内蔵した硬度演算機２とで構成されて
いる。硬度試験機１は、ＸＹ自動ステージ式試料台１２
と、圧子１１とをそなえ、この圧子１１により試料台１
２上に載置された試験片（試料）１０の表面にくぼみ３
（図２参照）を形成するように構成されており、さらに
接眼部にＴＶカメラ１３が取り付けられている。硬度演
算機２には、Ａ／Ｄ変換部２０（その機能等については
後に詳述する、以下同じ）、画像記憶部２１、しきい値
検出部２３、２値変換部２２，２次元ノイズ除去部２
４、くぼみ位置検出部２５、境界検出部２６、頂点推定
部２７、演算部２８、硬度演算部２９およびプリンター
３０がそなえられている。

【００１０】上述のＡ／Ｄ変換部20は、ＴＶカメラ13か
ら映像信号接続線14を介して送信されたくぼみ３の映像
信号を、例えば512×512の画素に分散し、かつ各画素を
それらの明るさに応じて多値デジタル画像信号に変換す
る機能をそなえている。なおこのＡ／Ｄ変換部20は２値
化のためのしきい値検出部との関連上、あるいは演算部
28に従来技術（特願平4-54924号）を適応するため、256
階調程度の分解能が必要である。Ａ／Ｄ変換された多値
デジタル画像信号が多値画像記憶部21で、512×512の画
素として記憶される。なお、この多値画像記憶部21は１
画素当たりＡ／Ｄ変換部20と同じ分解能を有している。

【００１１】次にしきい値検出部23は、最適な２値化し
きい値を検出するため、次の２つの技術手段が用いられ
ている。その１つは、多値デジタル画像の輝度分布ヒス
トグラムをあるしきい値で２つのグループに分けたと
き、この２つに分けられたグループ間の分散が最大とな
る値をもって２値化しきい値とするもので、この技術手
段はほとんどの場合良好な結果をもたらすが、時間がか
かる欠点がある。別の技術手段は、２値化（白黒化）し
たときの白と黒の画素数があらかじめ設定した比率にな
るしきい値をもって２値化しきい値とするもので、この
技術手段は多値デジタル画像のコントラストがある程度
以上ある場合良好な結果をもたらすし、検出に要する時
間も短い。したがって、試験片表面の状態や計測顕微鏡
の倍率、照明照度などとの関係により上述の比率を人が
判断して設定する必要があるが、前述の全自動測定装置
に用いる場合に有効である。この実施例の場合、これら
２つの技術手段のうちより良い方が選択される。

【００１２】２値変換部22では、２値化しきい値検出部
23により検出されたしきい値と、注目する多値デジタル
画像の画素の輝度信号とを比較し、画素信号をしきい値
の方が低い場合は「１」(白)、そうでもなければ「０」(黒)
の信号に変換する操作が行なわれる。図３は、白／黒グ
ループ間分散最大なるしきい値を用いて２値化した２値
画像４を示している。２値変換部22で２値化された２値
画像信号は、次に２次元ノイズ除去部24に送られる。２
次元ノイズ除去部24では次のような操作が行なわれる。
一般に、くぼみの形状は概略正方形であり、その画像
は、図４に示すように、境界４辺は、画面上45°回転し
ている。つまり境界４辺は画面上では水平線あるいは垂
直線に対して、ほぼ45°または135°方向の直線上の線
分として表示される。ゆえに２次元ノイズ除去部24にお
いて、２値画像上注目する画素を中心としてＮ×Ｎの正
方領域の対角線上の２Ｎ−１個の画素の値が「０」(黒)で
ある画素数を数えて、あらかじめ設定された数Ｍより少
なければ、この注目した画素はくぼみの境界４辺ではな
いと判断することによりノイズの除去を行なう。なお多
値デジタル画像の２値化あるいは２次元ノイズ除去は、
画面全体に行なっても良く、また必要に応じて部分的あ
るいは注目する画素１点単位で行なっても良い。

【００１３】図５は、図４の状態（くぼみ位置検出のた
め、十字位置を出発点として注目する画素を検出した状
態）に対し、８×８の正方領域、Ｍ＝５として、２次元
ノイズ除去を行なった画像を示しており、ノイズが選択
的に除去されていることを表している。そして、２次元
ノイズ除去部24により２次元ノイズを除去された画像
は、次のくぼみ位置検出部25に送られる。くぼみ位置検
出部25では次の操作が行なわれる。すなわち、上述の２
次元ノイズ除去部24による効果は完全ではない。例えば
45°方向にある傷などは除去できないし、くぼみの内部
や広さを持った傷、汚れの内部は除去できない。

【００１４】そこで２値画像上、画面上任意の位置（例
えば中央）を出発点として右方向に最初の「０」(黒)から
「１」(白)へ変化する「０」(黒)の画素に注目し、この画素
に対し２次元ノイズ除去処理が行なわれていなければ２
次元ノイズ除去処理を行ない、ノイズとして除去されな
ければ、この画素を通る画面上45°、135°の仮想の２
本の直線Ａ,Ｂを登録する（図６参照）。左方向にも同
処理を行ない仮想の２本の直線Ｃ,Ｄを登録する。この
処理を出発点を通る画面縦線上全ての画素位置に対して
行なう。そして右方向45°に対応して登録された直線の
うち重複登録された回数が最大のものを選択する。同様
に右方向135°左方向45°左方向135°に対応する直線群
からも選択する。なおこの処理は、注目する画素を全て
選び出してから直線登録を行なうようにしても良い。

【００１５】同様な処理を出発点を通る画面横線上全て
の画素位置に対して上下方向に行ない、４本の直線を選
択する。したがって、くぼみ４辺のそれぞれに対応して
左右上下各方向から選択された各２本の直線Ａ〜Ｈがあ
ることになるので、くぼみ４辺を表し得る組み合わせは
16通りとなる。そこで一番正方形に近い組み合わせを選
択する（対角線長さの比が１.０に近いもの）。そして
この仮想直線の組み合わせにより表現された仮想正方形
の画面上の中心を求め、出発点と一致すれば、この仮想
正方形がくぼみの概略の大きさを与えていると一応推定
でき、この仮想正方形の４辺がくぼみの４辺４Ａ〜４Ｄ
の概略位置を与え、中心がくぼみの概略位置を与えてい
ると推定する。もし一致しなければ、この中心を新たな
出発点として一致するまで上述の操作を繰り返すことに
より、くぼみ位置の検出を行なう。境界検出部26では、
検出された４辺４Ａ〜４Ｄと２値画像とから次の操作で
くぼみ境界の検出が行なわれる。

【００１６】すなわち、くぼみ左上辺の概略位置を与え
る仮想正方形の左上線分の一端の２値画像上の画素「１」
(白)なら、この画素より右方向に最初に「０」(黒)になる
画素を見つけ、「０」(黒)ならこの画素より左方向に最初
に「１」(白)になる画素を見つける。この画素に対し２次
元ノイズ処理を行ない、ノイズの影響を低下せしめる。
この処理を線分の他端まで繰り返すことにより、くぼみ
左上の境界４Ｃが検出できる。同様に、仮想正方形の右
上線分上から左右方向にくぼみ右上の境界４Ｂを検出
し、上頂点５を推定するためのデータとする（図７参
照）。同仮想正方形左上線分から上下方向にくぼみ左下
境界を検出し、仮想正方形左下線分から上下方向にくぼ
み左下の境界４Ｄを検出し、左頂点６を推定するための
データとする。くぼみの他の２辺についても同様な処理
を行なうことで、くぼみ頂点７,８を推定するための境
界４Ａを検出できる。

【００１７】次に、頂点推定部27では、くぼみ４辺の境
界画素の位置を各辺ごとの高次曲線（例えば２次曲線）
に最小自乗法により回帰してこの回帰線の交点を求めて
くぼみの頂点の座標を算出する演算が行なわれる。なお
高次曲線の場合、交点は複数有り得るが、仮想正方形の
頂点と一番近いものを採用して頂点と推定する。つま
り、通常は、くぼみは正方形から歪んでいる場合が多
い。特にくぼみの各辺は、試料の材質、硬さなどによっ
て直線とはならない。一方、正しいビッカース硬さを求
めるためには、くぼみの４つの頂点（角部）の位置を正
確に求める必要がある。そのために、ノイズ除去と２値
化とを行なったくぼみ画像において、くぼみの輪郭を構
成する４辺の近似数式〔この近似数式は、くぼみの輪郭
の４辺を直線としてではなくこれに近似した曲線（例え
ば２次曲線などの高次曲線）に回帰させたもの〕Ｊ〜Ｒ
（図８参照）を求め、これらの４つの数式の交点５〜８
の座標を計算する演算が行なわれる。

【００１８】図９はくぼみの画像が画面中央よりずれた
場合を示している。硬度演算部29では、まず頂点推定部
27において求められた４つの頂点５〜８の座標上の位置
から、互いに交差する２本の対角線の長さが算出され
る。一方、これと併行して、演算部28では、くぼみ位置
検出部25で得られたくぼみの４辺（境界）４Ａ〜４Ｄか
ら、特願平4-59424号に記載の方法、すなわち図10にお
いて測定軸31を垂直にとり少しずつずらしながら境界検
出を行ない、得られた境界点のなかで最も上または下に
位置する２点から、上下の２頂点位置を求める。

【００１９】同様に、水平方向に測定軸をとり少しずつ
ずらしながら境界検出を行なって、左右の２頂点位置を
求める。そして、上記の手段で得られた４つの点の位置
から２本の交差する対角線の長さを求める演算が行なわ
れる。さらに、硬度演算部29では、上記２つの演算で算
出されたそれぞれ対角線の長さの比が演算されて、その
値（対角線の長さの比）が１により近い方の値が選択さ
れる。そして、選択された２本の対角線の長さより、
［数２］式により、ビッカース硬さＨｖを算出する演算
が行なわれる。

【数２】Ｈｖ＝１.８５４Ｐ/ｄ²(ｋｇｆ/ｍｍ²）但しＰは圧子の押し込み荷重ｄは２本の対角線の平均長ささらにこの演算結果がプリンター30からプリントアウト
される。このようにして、この実施例の装置によれば、
試料の正確なビッカース硬さを自動的に読み取ることが
できる。

【００２０】図11は、この実施例の装置により、ビッカ
ース硬度200の試料に対して連続500回の自動読み取りを
繰り返し行なったテスト結果を示している。図11のグラ
フを判読したところ、ビッカース硬度Ｈｖの平均値とし
て、Ｈｖ（平均）＝２００.１６標準偏差＝１.４４という結果が得られた。このことから、本装置によれ
ば、信頼性および再現性が高く、かつ安定した測定を行
なうことができる、ということがわかる。

【００２１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のビッカー
ス硬さ自動読み取り装置によれば、次のように効果ない
し利点が得られる。 (1) くぼみの多値デジタル画像に対し最適なしきい値を
検出し、この値を用いて２値画像を求め、この２値画像
に対して２次元ノイズ除去処理およびくぼみ認識を行な
うようにしたため、試料表面の傷などによる、くぼみの
読み取り誤差の問題を解決することができる。 (2) くぼみの４辺を４本の多次曲線に回帰させ、これら
各回帰曲線の４つの交点からくぼみの４つの頂点の座標
上の位置を決定し、各頂点位置からくぼみの互いに交差
する２本の対角線長さを算出するようにしたため、くぼ
み頂点が傷や汚れなどにより明確でない場合にも、硬度
測定が可能となる。 (3) 上記(1),(2)の理由により、信頼性の高いビッカー
ス硬さ自動読み取り装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】硬度演算機をブロック線図として示した本発明
の一実施例としてのビッカース硬さ自動読み取り装置の
模式平面図である。

【図２】試料の表面に形成されたビッカースくぼみを示
す図面に代わる写真である。

【図３】白／黒グループ間分散最大なるしきい値を用い
て２値化した２値図面に代わる写真である。

【図４】くぼみ位置検出のため、十字位置を出発点とし
て注目する画素を検出した状態を示す図面に代わる写真
である。

【図５】図４の状態に対し、８×８の正方領域、Ｍ＝５
として、２次元ノイズ除去を行なった図面に代わる写真
である。

【図６】くぼみ位置検出を行ない、仮想正方形を検出し
た状態を示す図面に代わる写真である。

【図７】境界検出を行なった状態を示す図面に代わる写
真である。

【図８】２次曲線により頂点推定を行なう状態を示す図
面に代わる写真である。

【図９】くぼみ位置が画像中央より大きくはずれている
状態を図８に対応して示す図面に代わる写真である。

【図10】対角線長さの測定例の説明図である。

【図11】ビッカース硬度200のテストピースに対し連続5
00回の自動読み取りを繰り返し行なったテスト結果を示
すグラフである。

【符号の説明】

１硬度試験機２硬度演算機３くぼみ４２値画像５,６,７,８頂点 10 試料 11 圧子 12 試料台 13 ＴＶカメラ 14 映像信号接続線 20 Ａ／Ｄ変換部 21 画像記憶部 22 ２値変換部 23 しきい値検出部 24 ２次元ノイズ除去部 25 くぼみ位置検出部 26 境界検出部 27 頂点推定部 28 演算部 29 硬度演算部 30 プリンター 31 測定軸Ｊ〜Ｒ高次曲線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 3/00 - 3/62

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の荷重で試料の表面に４角錐状の圧
子を押し込んでビッカースくぼみを形成できる試験機
と、同試験機がそなえた光学顕微鏡の接眼部に取り付け
られたＴＶカメラと、同ＴＶカメラにて写し出された上
記くぼみを含む上記試料の表面の映像信号を多値階調に
てアナログ／デジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、同Ａ／
Ｄ変換部にて変換された多値デジタル画像を記憶する画
像記憶部と、上記多値デジタル画像に対し最適なしきい
値を検出するしきい値検出部と、同しきい値検出部から
のしきい値に基づき上記多値デジタル画像を２値化する
２値変換部と、同２値変換部で得られた２値画像よりく
ぼみ境界外の点を除去する２次元ノイズ除去部と、同２
次元ノイズ除去部で得られた２値画像より画面内のくぼ
み中心と４辺の概略位置とを検出するくぼみ位置検出部
と、同くぼみ位置検出部で検出された上記くぼみの４辺
と２値画像とによりくぼみ境界を検出する境界検出部
と、同境界検出部で検出された境界を４本の曲線に回帰
し各曲線の交点からくぼみ頂点の座標上の位置を推定す
る頂点推定部と、同頂点推定部で推定された頂点の位置
と上記圧子の押し込み荷重とからビッカース硬度を演算
する硬度演算部とをそなえたことを特徴とする、ビッカ
ース硬さ自動読み取り装置。