CN102003945A - 一种虚拟光学引伸计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟光学引伸计及其测量方法，该虚拟光学引伸计包括图像采集模块和计算机，计算机设置有图像处理模块、数据处理模块和结果输出模块，图像采集模块与计算机连接，图像采集模块将采集到的原始图像传送到计算机，图像处理模块从原始图像中提取标记点图像，数据处理模块根据所提取的标记点图像进行计算并将结果通过结果输出模块进行输出。本发明的虚拟引伸计安装方便，不占据任何空间；量程不受限制，不会由于测量范围的变化而使引伸计发生破坏；是非接触测量，对被测物无任何附加影响；同时，本发明的虚拟光学引伸计的测量方法具有线性度好、测量精度高和无累计误差等优点。

Description

一种虚拟光学引伸计及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量构件及其他物体两点之间平均线应变的一种仪器及其测量方法，具体涉及一种无需与试件接触即进行可测量并且使用方便、成本低廉的虚拟光学引伸计及其测量方法。

背景技术

引伸计(extensometer)是测量构件及其他物体两点之间平均线应变的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。在测量过程中，传感器直接和被测构件接触。

目前，最常用的引伸计为电阻式引伸计。用此种引伸计测量应变时，将引伸计装卡于试件上，刀刃口与试件接触并将试件变形传递到变形传递杆上，再进一步传递到弹性元件，通过变形传递杆感知应变，粘贴在弹性元件上的应变片感知应变并将其转换为电阻变化量，用适当的测量放大电路将电阻变化转换为电压变化后输出，最终通过测得的电压信号值获得应变的大小。此种引伸计在测量时需接触试件，需要导线引出信号，因此在测量柔性材料变形或者在特殊环境(如高温高压)中测量时存在困难。此外，因为应变片量程有限，且刀口间要有一定的距离，此种引伸计也不能测量微小试件的变形，在测量大变形时也存在问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无需与试件接触即进行可测量并且测量精度高、线性度好和节省安装空间的虚拟光学引伸计及其测量方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种虚拟光学引伸计，包括图像采集模块和计算机，所述计算机设置有图像处理模块、数据处理模块和结果输出模块，所述图像采集模块与计算机连接，所述图像采集模块将采集到的原始图像传送到计算机，所述图像处理模块从原始图像中提取标记点图像，所述数据处理模块根据所提取的标记点图像进行计算并将结果通过结果输出模块进行输出。

作为优选，所述图像采集模块与计算机通过USB接口连接。

所述图像采集模块为CCD相机。

CCD相机为以电荷耦合器件作为光敏感器和光电转换器的遥感用相机。CCD英文全称为Charge-coupled Device，中文全称为电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高；CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号；CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号；经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

本发明的虚拟光学引伸计的测量方法包括以下步骤：

1)在待测试件上标记两个标记点；

2)图像采集模块实时记录包含这两个标记点的图片；

3)图像处理模块通过滤波、二值化分割、区域选择和图像的闭运算从原始图像中提取标记点图像；

4)数据处理模块首先根据以下公式计算标记点的灰度重心坐标

$x=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}i\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)},$ $y=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}j\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)}$

其中，M为图片水平方向上的总像素数，N为图片竖直方向上的总像素数，I为像素的灰度值，i为像素的横坐标，j为像素的纵坐标；

然后，将其转化为实际位移值并绘制位移时间曲线；

5)结果输出模块将上述结果以数字或模拟量输出。

作为优选，所述标记点的形状为十字形或圆环形或矩形。

所述步骤2)包括以下流程：①打开相机并初始化；②设置分辨率；③设置采集模式；④设置增益；⑤设置曝光时间；⑥输出。

有益效果：与现有技术相比，本发明的虚拟引伸计具有以下优点：一是安装方便，不占据任何空间，只需在被测物的表面做两个标记点即可；二是量程不受限制，不会由于测量范围的变化而使引伸计发生破坏，从而导致后续测量失效；三是非接触测量，对被测物无任何附加影响；本发明的虚拟引伸计的测量方法简单易行，具有线性度好、测量精度高和无累计误差等优点。

附图说明

图1是本发明的虚拟光学引伸计的结构框图；

图2是图像采集模块流程图；

图3是测量的实时位移时间曲线；

图4是测量的实时应变时间曲线；

图5是测量值与实际位移的对比曲线；

图6为桃子试件上标记点的方位示意图；

图7为应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种虚拟光学引伸计，包括图像采集模块和计算机，计算机设置有图像处理模块、数据处理模块和结果输出模块，图像采集模块与计算机连接，图像采集模块将采集到的原始图像传送到计算机，图像处理模块从原始图像中提取标记点图像，数据处理模块根据所提取的标记点图像进行计算并将结果通过结果输出模块进行输出。

通常，图像采集模块与计算机通过USB接口连接；图像采集模块为CCD相机。

本发明的虚拟光学引伸计的测量方法包括以下步骤：

1)在待测试件上标记两个标记点；2)图像采集模块实时记录包含这两个标记点的图片；3)图像处理模块通过滤波、二值化分割、区域选择和图像的闭运算从原始图像中提取标记点图像；4)数据处理模块首先根据以下公式计算标记点的灰度重心坐标

$x=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}i\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)},$ $y=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}j\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)}$

其中，M为图片水平方向上的总像素数，N为图片竖直方向上的总像素数，I为像素的灰度值，i为像素的横坐标，j为像素的纵坐标；然后，将其转化为实际位移值并绘制位移时间曲线；5)结果输出模块将上述结果以数字或模拟量输出。

在实际操作中，标识点的形状可以是任意的，只要方便数学方法的计算即可。比如十字符号的标识点，可以通过拟合直线的到交点；圆环形的标识点，可以拟合得到圆形曲线，从而得到圆心坐标；标记点的形状还可以为矩形。

本发明的虚拟光学引伸计以数字图像处理为基础，并采用一种特殊的标记点识别方法，即灰度重心法。

灰度重心法是将数字图像像素的灰度看作是数字图像的“密度”，认为图像中一个斑点的中心位于其“重心”处。对于一个平面二维物体，设其占有xoy面上的闭区域D，在点(x，y)处的面密度为ρ(x，y)，其重心坐标为：

$x_c=\frac{\∫\underset{D}{\∫}x\·\mathrm{\ρ}(x,y)\mathrm{dxy}}{\∫\underset{D}{\∫}\mathrm{\ρ}(x,y)\mathrm{dxy}},$ $y_c=\frac{\∫\underset{D}{\∫}y\·\mathrm{\ρ}(x,y)\mathrm{dxy}}{\∫\underset{D}{\∫}\mathrm{\ρ}(x,y)\mathrm{dxy}}---\left(1\right)$

相应地，对于一幅大小为M×N的灰度图像区域，设其每个像素的灰度值为I(i，j)，(0＜i＜m，0＜j＜n)，可以定义标记点的灰度重心坐标为：

$x=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}i\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)},$ $y=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}j\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)}---\left(2\right)$

其中，M为图片水平方向上的总像素数，N为图片竖直方向上的总像素数，I为像素的灰度值，i为像素的横坐标，j为像素的纵坐标；

在测量时用式(2)可检测出不同时刻图像上标记点的位置，根据同一标记点位置相对于初始时刻的变化可获得该标记点的位移。两个标记点的相对位移与初始时刻两标记点的距离L之比则为要测量的应变。

美国国家仪器(NI)公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW，使用图形化编程语言编程，界面友好，简单易学，配套的图像处理软件包能提供丰富的图像处理与分析算法函数，极大地方便了用户，使构建图像处理与分析系统容易、灵活、程序移植性好，大大缩短了系统开发周期。在推出应用软件的基础，NI公司又推出了图像采集卡，对于NI公司的图像采集卡可以和LabVIEW进行无缝连接，但是缺点是价格昂贵且不易进行底层开发。如今随着科技的进步，带USB接口的摄相机越来越普及，价格越来越低廉，性能也越来越高，采用数字摄相机+USB模式正越来越收到视觉项目工程师的青睐。因为采用数字摄相机+USB模式不但节约了设计成本，而且还极大地提高了系统的灵活性。本发明正是基于这样的目的，提出了一种在LabVIEW环境下配合大恒USB接口的CCD相机DH-HV-1303UM.来实现虚拟引伸计的方法。

大恒公司为VC++，VB等常用的软件开发程序配置了相应的驱动程序，但是却没有在LabVIEW平台下提供相应的驱动程序，所以我们需要在labview中使用调用动态链接库的方法实现对相机的操作。首先在vc++6.0下开发一个动态链接库，此动态链库完成对相机的设置及图像的采集的功能；然后通过LabVIEW中Call Library Function模块调用此动态链接库；从而完成通过labview对图像的采集。在labview中调用动态链接库时注意设置好动态链接库的名称和路径、函数的名称、数据的类型、返回值等内容。在labview中调用DLL中的函数，最大的困难在于函数参数的数据类型映射为相应的labview中的数据类型。

如图2所示，步骤2)中，图像采集模块实时记录包含这两个标记点的图片包括以下流程：①打开相机并初始化；②设置分辨率；③设置采集模式；④设置增益；⑤设置曝光时间；⑥输出。

以下对步骤3)中图像处理模块流程进行具体说明。

滤波：由于外界环境的影响和相机内部噪声的影响，采集的图像不可避免的存在噪声，严重时所感兴趣的信息被噪声给淹没，因此根据所采集图像的特征设置合理的滤波器，加强所感兴趣的特征，减弱噪声的影响，是必不可少的。在LabVIEW的VISION模块里，提供了很多种不同类型的滤波算法，既有线性滤波法也有非线性滤波法；既有空间域滤波法也有频率域滤波法。可根据实际所采集的图像设置合理的滤波参数。本发明采用有平滑作用的卷积滤波法。

二值化分割：图像经过平滑去噪后接下来便是二值化，即灰度阈值分割。图像二值化即对给定阈值区间(T1，T2)，将整幅图像中像素点灰度值介于T1，T2之间的灰度值赋为0，其它的像素点灰度值赋为1，从而得到仅有0和1两个灰度值的黑白图像。灰度图像二值化的数学形式如下：

为了最大程度地增强标记点与背景图像的对比度，这样便将要检测的主体部分和其背景图像有效的分离出来。

区域选择：对检测区域图像二值化分割后，不可避免的存在一些其它与检测对象像素值相似的干扰点或区域，会妨碍提取检测对象的特征，需要做一些必要的形态处理尽可能的将其滤除掉。在提取标记点的同时，与标记点相邻并且与标记点像素值相近的干扰区域也被提取出来，这对后续处理带来了诸多不便，必须予以消除，本发明采取闭区域面积筛选的方法，即在图像处理中只保留与标记点面积大小相似的区域；与标记点面积相差较大的区域将予以剔除。根据所做标记点设置合理的保留面积区间，此类干扰便可以消除。

图像的闭运算：在对图像进行二值化分割时，由于受到光照变化和相机内部噪声的影响，标记点内部会出现不规则的噪声点。这些噪声点必须去除掉，因为这些噪声点将会对计算灰度重心有较大的影响。这些噪声点可以通过图像的闭运算予以消除。闭合运算可以填平轮廓中细小的孔，弥合轮廓上的小缺口，而且目标特征的总的位置和形状不变。

步骤4)中，求得的是像素值，需要根据标定试验所得的结果将此像素值转化成实际位移值。

步骤5)中，计算机需要配有数据采集卡，通过数据采集卡将所计算结果以数字或模拟量输出。

试验开始前，先需要知道在一定的视场中像素和实际位移之间的关系。准备两个包含的圆形标记点的标定靶，此圆形标记点的实际重心距离为已知，然后通过系统求得其灰度重心距离，注意此时所求的距离是以像素为单位。通过将其与实际重心距离相比较。可得到像素和实际位移之间的关系。在实验中，标记点半径取0.5cm，其圆心的距离为2cm，将这两个标记点固定放在平移台上的平板处，调整镜头，直至所采集图像清晰；打开计算机计算两个标记点的灰度重心距离(像素)，假设镜头和相机的各种畸变均已消除，左右移动平移台测量20组数据然后取其平均值，得到其平均值为500.025；此时可算得一个像素代表的实际位移为20000/500.25＝39.998um。因此可认为在该视场中一个像素相对于0.04mm。

仍然用此平移台对本发明进行标定，保持相机视场和放大倍数不变，平移台上放置两个包含标记点的平板，标记点与背景灰度值相差较大即可。其中一个固定，一个随平移台移动。平移台移动时两个标记的距离会发生变化，用此来来模拟试件的拉伸实验。其中平移台的分辨率10μm，CCD相机的分辨率1280×1024，，帧率：SXGA(1280×1024)：15帧/秒，变焦镜头的可调焦范围为24～85mm。

调节相机的放大倍率，使得一个像素相当于1mm。将平移台移动间隔分别取10μm、20μm、40μm、50μm、60μm(换算为图像分辨率为0.01、0.02、0.04、0.05和0.06像素)。对于每种移动间隔，分别移动精密平移台20次。将测量的结果与实际值相比较。将测量的结果与实际值相比较。其结果如下表所示：

将平移台以10um/s的速度移动，测量时间为20秒。图3为测量的实时位移时间曲线，图4为测量的实时应变时间曲线。

将平移台移动间隔取500um，移动20次，本发明所计算的结果与平移台的实际位移的对比曲线如图5所示。

由表中实验数据可以看出，在图像分辨率为0.01像素、0.02像素下系统误差较大。在图像分辨率为0.05像素、0.06像素下系统误差无明显变化，最大相对误差小于3.5％，平均误差小于1.5μm。因此系统的分辨率可取0.05像素。以CCD相机的分辨率为1024×1024来计算。此引伸计的应变测量分辨率约为48με(0.05/1024＝48με)。如果CCD相机的分辨率为2048×2048，则此引伸计的应变测量分辨率约为24με。并且由图5可以看出本实用新型可以在大量程范围内保持较好的线性度和测量精度。

例如，在对桃子进行测量时，将由新鲜桃加工成的试件做上四个标记点，如图6所示，标记点1和3的连线为水平方向，标记点2和4的连线为竖直方向。试件x方向上的应变能够从标记点1和标记点3算得，试件y方向上的应变则能够从标记点2和标记点4算得。将该试件夹持在MTS试验机上做拉伸试验，用基于虚拟仪器的引伸计实时记录试件x方向和y方向上的应变。配合试验机的相关数据，得到图7所示的应力应变曲线，图6中实线为x方向的应力应变曲线，虚线为y方向的应力应变曲线。从曲线图上可以看出，桃子的弹性模量大约为2.75MPa，桃子的泊松比大约为0.3877。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种虚拟光学引伸计，其特征在于：包括图像采集模块和计算机，所述计算机设置有图像处理模块、数据处理模块和结果输出模块，所述图像采集模块与计算机连接，所述图像采集模块将采集到的原始图像传送到计算机，所述图像处理模块从原始图像中提取标记点图像，所述数据处理模块根据所提取的标记点图像进行计算并将结果通过结果输出模块进行输出。

2.根据权利要求1所述的虚拟光学引伸计，其特征在于：所述图像采集模块与计算机通过USB接口连接。

3.根据权利要求2所述的虚拟光学引伸计，其特征在于：所述图像采集模块为CCD相机。

4.一种权利要求1至3任一项所述的虚拟光学引伸计的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在待测试件上标记两个标记点；

2)图像采集模块实时记录包含这两个标记点的图片；

3)图像处理模块通过滤波、二值化分割、区域选择和图像的闭运算从原始图像中提取标记点图像，

4)数据处理模块首先根据以下公式计算标记点的灰度重心坐标：

$x=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}i\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)},$ $y=\frac{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}j\·I(i,j)}{\underset{1}{\overset{M\×N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)}$

其中，M为图片水平方向上的总像素数，N为图片竖直方向上的总像素数，I为像素的灰度值，i为像素的横坐标，j为像素的纵坐标；

然后，将其转化为实际位移值并绘制位移时间曲线；

5)结果输出模块将上述结果以数字或模拟量输出。

5.根据权利要求4所述的虚拟光学引伸计的测量方法，其特征在于：所述标记点的形状为十字形或圆环形或矩形。

6.根据权利要求4所述的虚拟光学引伸计的测量方法，其特征在于：所述步骤2)包括以下流程：

①打开相机并初始化；

②设置分辨率；

③设置采集模式；

④设置增益；

⑤设置曝光时间；

⑥输出。

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