CN102692188B - 机械视觉疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法 - Google Patents

机械视觉疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法，步骤如下：步骤1：机械视觉裂纹测量系统标定；步骤2：开始疲劳试验，在正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展；步骤3：采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像或采集试件双面图像；步骤4：对所采集图像进行增强处理；步骤5：通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向；步骤6：计算实际裂纹扩展长度和计算裂纹长度。本发明简化过程、降低劳动量、可直观精确地观测记录裂纹扩展过程、精确测量国际标准规定的计算裂纹长度、测量精度高、系统抗干扰性好。

Description

机械视觉疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法
技术领域
本发明涉及一种疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法。
背景技术
金属疲劳裂纹扩展试验是一种通过实时测量试件在设定交变载荷作用下所产生疲劳裂纹的长度来研究金属材料疲劳断裂特性的一种测试方式，目前主要的疲劳裂纹扩展试验形式是国际标准规定的带有预制裂纹的C(T)紧凑拉伸试验和三点弯曲裂纹扩展试验，在这种情况下，在设定交变载荷作用下疲劳裂纹基本沿着预制裂纹的方向直线延伸，其它的非标准疲劳裂纹扩展试验也基本上是这种形式，只是试件的形状和尺寸有所变化。
疲劳裂纹的萌生和扩展是一个复杂而缓慢的非线性演化过程，传统的显微镜法检测往往全部由人工来完成或大部分环节需要人工参与，不仅工作效率低，而且易受到检测人员主观因素的影响，不能保证裂纹检测的效率与精度，已经不能满足试验的要求。
目前疲劳裂纹长度自动检测方法主要有柔度法、电位法、声发射法、基于图像处理技术的视频检测方法及光纤传感检测等方法。柔度法和电位法是两种传统的裂纹长度自动检测方法。柔度法是一种采用各种引伸仪或涡流位移传感器来测量试件的COD（裂纹缺口张开位移）从而来测量疲劳裂纹长度的方法，其测试精度低，传感器安装要求高，动态响应慢，一般情况下应用在低周疲劳试验机上，但高频疲劳试验机检测疲劳裂纹也会采用这种方法，如德国ZWICK公司的AMSLER100HFP5000和美国QUALITEST公司的产品Testronic，但其测量精度低，可靠性差。
电位法是利用测量电位分布的方法来判断金属材料中裂纹的状况，可应用在高、低频疲劳试验机上。但测量精度受金属表面、环境、温度影响较大，测试精度不高。而且此方法为非可视的测试方法，根据国家标准规定，试验过程中，必须定时采用可视方法进行校核。
声发射技术是20世纪60年发展起来的一种评价材料力学性能的无损检测方法。由于机械零件在受力状态下产生裂纹和裂纹扩展时往往伴随着声发射现象的出现，因此采用声发射技术对疲劳裂纹进行检测已是裂纹检测的一个新的方向，特别是声发射能检测到零件内部裂纹的萌生扩展情况，目前国内外均有研究声发射检测裂纹的机理、信号辩识极其应用研究。如清华大学机械工程系在进行“基于声发射技术的金属高频疲劳监测”的研究，四川大学制造学院在进行基于模态声发射理论的检测技术的研究。但由于理论和技术的不成熟，实际工程应用不多。
基于机械视觉技术的裂纹在线检测方法，可以直观、精确、实时地完成裂纹的检测和进一步的分析处理，是新的疲劳裂纹扩展速率检测国家标准推荐的微小裂纹检测方法，目前国外已有相关的研究与应用，而国内此方面的研究与报道相对较少。此方法的一大特点是可直观地检测与显示裂纹形状、裂纹发展的进程，省掉了标定与校核的过程，对整个试验过程有据可查，反复观察和分析；另一特点是可高精度检测微小裂纹，从工程应用和发展的角度来开，测试含有微裂纹试件的力学性能非常重要，通过测试过程可揭示疲劳裂纹发展、扩大直至试件断裂的力学规律。
基于图像处理技术的裂纹在线测量方法通过图像采集、处理、分析计算，在线测量出裂纹长度尺寸，其中采集到完整、清晰、分辨率高的图像是图像法测量系统最基本的一个环节，疲劳裂纹扩展试验裂纹图像的采集是一个动态采集过程，随着疲劳试验的进行疲劳裂纹萌生并缓慢扩展，可在摄像头固定的情况下选择合适的镜头和CCD,使扩展的裂纹一直处在视场内，这样一次性采集包含整条裂纹的图像，然后进行分析处理。如要高精度测量裂纹扩展尖端区域的尺寸，可采用专利《疲劳裂纹扩展试验裂纹图像采集方法及装置》所提供的方法，在疲劳裂纹扩展过程中摄像头跟踪疲劳裂纹尖端并在精确定位的情况下采集裂纹图像，根据相应的精确控制下摄像头移动的距离进行不同时刻所采集裂纹图像的拼接得到包含整条裂纹的试件图像，得到包含整条裂纹的试件图像后采用本方法对图像进行处理分析计算出裂纹的实际裂纹长度和扩展方向及疲劳裂纹扩展试验国家标准（GB/T 6398-2000.金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法国家标准）规定的计算裂纹长度。实际裂纹长度既沿裂纹扩张方向的裂纹长度，疲劳裂纹扩展试验标准规定的计算裂纹长度是指与实际裂纹相当的直前缘裂纹长度，即从裂纹顶点到垂直于预制裂纹方向的标准线的垂直距离减去预制裂纹的长度。一般的情况下，如果试件材料热处理均匀、加工完全满足要求，试件安装加载对中、垂直的情况下，疲劳裂纹基本沿着预制裂纹的方向直线延伸，计算裂纹长度等于实际裂纹长度，但实际情况裂纹扩展总会多少偏离预制裂纹方向，如果疲劳裂纹扩展方向偏离预制裂纹方向小于规定角度时，国家标准规定试验是有效的，但此时计算裂纹长度不等于实际裂纹长度，现在通用的疲劳裂纹测量方法基本都是用实际裂纹长度来代替计算裂纹长度进行材料断裂特性的分析。
发明内容
为了克服已有疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法的过程繁琐、劳动量大、精度低、抗干扰性较差、裂纹扩展过程不能直观精确地观测记录、国际标准规定的计算裂纹长度无法精确测量的不足，本发明提供一种简化过程、降低劳动量、精度高、抗干扰性良好、可直观精确地观测记录裂纹扩展过程、精确计算国际标准规定的计算裂纹长度的基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，所述测量方法的步骤如下：
步骤1：机械视觉裂纹测量系统标定，具体步骤如下
（1.1）将加工好的标定试件按要求进行安装，通过计算机发命令给运动控制器,运动控制器控制摄像头运动平台带动摄像头沿设定路线运动至每个标定点；
（1.2）采集标定试件图像，依次求取标定点的亚像素定位坐标；
（1.3）求取水平标定线段的亚像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；
（1.4）求取垂直标定线段的像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；
步骤2：开始疲劳试验，计算试件疲劳次数N，控制试验载荷为所设定数值，所述试验载荷包括正弦交变载荷的最大载荷，最小载荷及平均载荷，在此正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展；
步骤3：采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像和采集试件双面图像；
步骤4：对所采集图像进行处理增强，图像处理增强图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行；
步骤5：通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向；具体步骤如下：
（1）采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的二值化；
（2）采用单连接区域增长技术，利用裂纹像素的幅度和方向，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来；
（3）将连接后的裂纹骨架化；
（4）采用压缩编码的方法将骨骼化后裂纹二值图像单根宽度为1个像素的裂纹，将裂纹图像转换为保存裂纹点位置的二维数组；
（5）解码恢复细化后的图像；
步骤6：裂纹尺寸、方向测量，裂纹长度测量包括沿裂纹扩展方向的实际裂纹长度测量和国家标准规定的计算裂纹长度，实际裂纹长度及裂纹扩展方向测量方法为：对通过步骤4、5得到的裂纹主干进行最小二乘法拟合得到裂纹扩展直线，计算裂纹扩展直线长度既实际裂纹长度，求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角得到裂纹扩展方向；计算裂纹长度的测量方法为：在主机上下夹具严格对心的情况下，通过试件、夹具的加工和安装保证夹具左边界和夹具的中心线严格平行，同时使试件加力线（既通过试件两个定位中心孔圆心的直线）和夹具的中心线重合，采用图像上可见的夹具左边界为计算裂纹长度测量基准线，进行基准线的精确定位和裂纹顶点到基准线的垂直距离的计算，然后根据相应公式计算出实际计算裂纹的长度；具体步骤如下：
（1）采用基于1/4亚像素技术的方法求得裂纹顶点到标准线的垂线；
（2）采用基于1/4亚像素步长搜索的方法求得标准线和裂纹顶点到标准线的垂线的交点；
（3）计算裂纹顶点到标准线的像素垂直距离；
（4）根据步骤1得到的标定文件将其转换为真实长度；
（5）根据相应公式计算出实际的裂纹的长度；
（6）对步骤5得到的裂纹主干进行最小二乘法拟合裂纹扩展直线；
（7）求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角。
进一步，所述测量方法还包括：
步骤7：对裂纹扩展状态进行判断，如裂纹扩展不满足试验条件，既疲劳裂纹扩展方向偏离预制裂纹方向大于规定角度或试件两面裂纹长度尺寸之差大于规定数值，则停止试验，如裂纹扩展满足试验条件记录试验数据，生成疲劳裂纹扩展曲线a-N及疲劳裂纹扩展曲线da-dN；
步骤8：裂纹扩展试验完成后进行综合数据分析。
再进一步，所述步骤4中，图像灰度拉伸采用分段线性变换函数法增加图像的对比度，变换函数通过对图像的灰度分析并通过多次实验获得，中值滤波去噪即可消除噪声又可保留裂纹细节，边缘强化采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化。
更进一步，所述步骤（5.1）中，采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的二值化的过程为：
步骤5.1.1：确定目标区域ROI,根据裂纹扩展规律，裂纹在整个过程中所在的位置比较固定，沿试件水平中间区域近乎直线扩展，所以采用选取固定的ROI
步骤5.1.2：把选定区域图像分成MxN个子图像；其中被分割的子图像的个数选取的原则是使每个子图像内的亮度分布近似于均匀
步骤5.1.3：计算每个子图像的方差，确定不包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围及包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围
步骤5.1.4：将所有不包含裂纹和背景间边界的子图像像素值设为255
步骤5.1.5：对所有包含裂纹和背景间边界的子图像进行直方图分析，计算阈值，基于图像直方图分析的试探性迭代方法
步骤5.1.6：进行所有子图像分割区域的逻辑并，就是图像分割后的最后结果。
所述步骤（5.2）中，把两个像素看成是连接图中的一个节点，把单个像素在空间与其它相邻像素的特性进行比较，将特性足够相似的相邻像素连接起来，从而进行区域的增长。裂纹像素之间具有一定的相似性，都是从左边界向右边界扩展，大致保持水平，具有一定规律，即不会有太大的倾角。利用裂纹像素的幅度和方向来确定它们之间的相似性，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来。
所述步骤（5.4）的具体过程如下：
设图像尺寸为m×n，创建一个跟图像尺寸列数相等为n，行数为2的二维数组A，以图像左边界为起点，按列搜索。
（5.4.1）遇到像素为0时，继续搜索。如果整列都没有像素为1的点，将数组A对应列的两个数置零。
（5.4.2）遇到第一个像素为1的点时，判断其为裂纹顶点，将该点位置(x,y)存入A对应列和寄存器B中。转入下一列扫描。
（5.4.3）其后将整列像素为1的点与前一列存入寄存器B中位置的点进行比较，取距离最近的点为裂纹点，将该点位置存入A对应列和寄存器B中，转入下一列扫描；
按此规则直至扫描结束，然后将编码压缩后得到的裂纹主干数据还为裂纹主干图像。
所述步骤（6.1）中，采用基于亚像素技术的方法进行夹具的左边界的边缘精确定位的过程为：
（6.1.1）选定目标区域，包含上夹具左边缘的小矩形区域，靠近边缘顶点和拐点
（6.1.2）采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化
（6.1.3）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行夹具左边界四分之一亚像素精确定位，得到上夹具左边界定位坐标值
（6.1.4）计算边缘最大横坐标值Xmax及所选区域左边界边缘长度L
（6.1.5）根据边缘定位坐标值进行最小二乘直线拟合，得到拟合后边界直线的坐标值,求边界方向
（6.1.6）根据试件及夹具尺寸，将拟合后的夹具所选区域左边界沿边界方向延伸直至超过试件预制裂纹中心线。
所述步骤（6.2）中，基于亚像素技术求裂纹顶点到标准线DEF的垂直距离，步骤如下：
（6.2.1）由步骤（6.1）所得到的裂纹顶点以四分之一亚像素的步长，沿垂直于标准线DEFJ生成垂线AY，垂线终点Y需超过标准线DEFJ；
（6.2.2）搜索标准线DEFJ和垂线AY的交点N，标准线从上往下，垂线AY从左向右以四分之一亚像素的步长向前搜索，每搜索一步比较两条线上得到的两点的横坐标差值，如差值小于或等于四分之一亚像素长度则搜索停止，此点既为两线交点N；
（6.2.3）计算AN的像素距离，并根据标定信息，转化为真实的尺寸。
所述步骤（1）中，法采用与疲劳裂纹扩展试验所用试件具有同样安装与定位尺寸的高精度加工的标准试件进行系统标定，在标准试件垂直方向和水平方向加工出一些具有不同尺寸的直角平台，这些尺寸分布于水平方向和垂直方向的测量范围内，对这些直角平台的顶点进行亚像素精确定位，计算出相应顶点之间的距离，根据加工尺寸，进行水平和垂直方向的分段标定，得出系统垂直方向和水平方向分段标定数据；
所述步骤（1.2）中标定点亚像素精确定位方法如下：
（1.2.1）在标定点的水平线段内选取一包围水平边缘的矩形区域，不包括标定点；
（1.2.2）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行水平边缘四分之一亚像素精确定位，得到水平边缘顶位坐标值；
（1.2.3）计算边缘点X坐标的平均值作为标定点的X坐标；
（1.2.4）在标定点的垂直线段内选取一包围垂直边缘的矩形区域，不包括标定点；
（1.2.5）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行垂直边缘四分之一亚像素精确定位，得到垂直边缘定位坐标值；
（1.2.6）计算边缘点Y坐标的平均值作为标定点的Y坐标。
本发明的有益效果主要表现在：
1、基于数字图像采集与处理技术的疲劳裂纹自动检测方法的一大特点是可直观地检测与显示裂纹形状、裂纹发展的进程，省掉了标定过程与校核的过程，对整个试验过程有据可查，反复观察和分析；
2、疲劳裂纹识别测量精度高，尤其是可高精度检测微小裂纹，测量裂纹尖端尺寸；
3、采用本方法即可精确计算出实际裂纹长度和方向，又可精确计算出《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法国家标准》GB/T 6398-2000所规定的计算裂纹长度，据此生成裂纹扩展曲线和裂纹扩展速率曲线；
4、本方法为非接触式裂纹测量方法，主要适用于紧凑拉伸和三点弯曲裂纹扩展试验，其特点为裂纹为基本沿直线扩展的表面裂纹，疲劳裂纹裂纹扩展过程直观可视，测量数据精确，试验过程简单可靠，采用本方法的系统可安装在任何型号的可进行金属疲劳裂纹扩展试验的试验机上，包括电液式低频疲劳试验机、电液和电磁式高频疲劳试验机及其它的各种疲劳试验机上，应用范围非常广泛，如此项技术推广开来，预计可取得巨大的经济效益。
附图说明
图1是基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量系统。
图2是机械视觉技术裂纹长度计算算法总流程图。
图3是单区域增长图像连接示意图。
图4是疲劳裂纹扩展试验夹具机构及计算裂纹长度测量示意图。
图5是计算裂纹长度测量算法流程图。
图6是疲劳裂纹扩展试验系统标定标准试件示意图。
图7是机械视觉技术疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量总流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量系统，包括被测试件、图像成像及采集系统，摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统，除此之外，还有为保证疲劳裂纹扩展试验进行必备的系统：疲劳试验机和由载荷控制器和载荷传感器组成的疲劳试验机载荷控制系统。CCD摄像头、镜头、光源装置安装在摄像头安装支架上组成图像成像单元，将带有预制裂纹的CT紧凑试件安装在产生设定交变载荷的疲劳试验机上，试件在交变载荷的作用下裂纹不断扩展，光源装置所提供的光线照射在试件表面上，试件表面处理为慢反射，其均匀反射的光线通过镜头投影到CCD靶面上，CCD与数据采集卡通过通讯电缆相连，将CCD上所形成的裂纹试件图像传输到图像采集卡，图像采集卡将此模拟图像转换为计算机可处理的数字图像，通过图像采集卡和计算机之间的通讯电缆将此数字图像传输到计算机内；摄像头运动定位平台、摄像头运动控制器及安装在摄像头运动定位平台上的摄像头运动位移测量传感器组成摄像头位置调整系统，可根据控制计算机发来的控制命令驱动摄像头定位云台带动摄像头到达所要求的位置，采集到试验所要求的图像。计算机处理分析控制系统内最重要的内容是图像处理裂纹长度计算模块，通过对图像采集系统对图像进行采集、拼接后得到的完整裂纹图像进行处理、识别、计算后得到所要求的裂纹尺寸。
图2为机械视觉技术裂纹长度计算算法总流程图，本发明所提出的基于图像处理技术的疲劳裂纹动态测量方法首先对所采集的裂纹图像进行处理增强裂纹边界，然后进行裂纹图像分析识别和裂纹尺寸测量。图像处理增强通过图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行；对强化后的图像通过图像分割、图像连接、裂纹图像骨骼化、裂纹图像细化来实现裂纹图像的识别；对识别出来的裂纹通过搜索得到裂纹位置，获取裂纹顶点和裂纹扩展方向，测量实际裂纹像素长度和方向，测量计算裂纹像素长度，最后根据系统标定信息将其转换为真实裂纹长度。
图像处理增强通过图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行，图像灰度拉伸采用分段线性变换函数法增加图像的对比度，变换函数通过对图像的灰度分析并通过多次实验获得，中值滤波去噪即可消除噪声又可保留裂纹细节，边缘强化采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化，
本发明所采用的图像分割方法是一种自适应动态阈值分割法，由于裂纹处于复杂的背景当中，并且存在照明不均匀的情况，运用直方图阈值分割法、Otsu法阈值分割等很难直接将目标与背景分离，本发明采用一种自适应的多阈值分割法来实现图像二值化。
算法步骤如下：
步骤1：确定目标区域ROI,根据裂纹扩展规律，裂纹在整个过程中所在的位置比较固定，沿试件水平中间区域近乎直线扩展，所以采用选取固定的ROI
步骤2：把选定区域图像分成mxn个子图像；其中被分割的子图像的个数选取的原则是使每个子图像内的亮度分布近似于均匀
步骤3：计算每个子图像的方差，确定不包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围及包含边界的子图像的方差范围
步骤4：将所有不包含裂纹和背景间边界的子图像像素值设为255
步骤5：对所有包含边界的子图像进行直方图分析，计算阈值，基于图像直方图分析的试探性迭代方法
步骤6：进行所有子图像分割区域的逻辑并，就是图像分割后的最后结果。
本发明所采用的裂纹连接方法为一种单连接区域增长技术，把两个像素看成是连接图中的一个节点，把单个像素在空间与其它相邻像素的特性进行比较，将特性足够相似的相邻像素连接起来，从而进行区域的增长。裂纹像素之间具有一定的相似性，都是从左边界向右边界扩展，大致保持水平，具有一定规律，即不会有太大的倾角。利用裂纹像素的幅度和方向来确定它们之间的相似性，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来。
实现方法描述如下：
（1）左边界开始，每列扫描，如遇到像素值为1时，判断该像素点左边小区域内像素值，如果为1，则将该点归类到区域内进行增长。如图3所示，当扫描到A点时，判断B类点是否有为1，C类点不考虑。当为1时，即：
B12∪B13∪B21∪B22∪B23∪B32∪B33=1认为A点为裂纹区域内点，进行扩展。当为0时，
即：B12∪B13∪B21∪B22∪B23∪B32∪B33=0将A点像素值置零。
（2）每列扫描，如遇到像素值为0时，继续扫描。
断边的情况分为两种，下面对断边连接的实现：
当B13、B23、B33都为零，而B12∪B22∪B32=1时，将B23置1；
当B12、B22、B32、B13、B23、B33都为零，而B21=1时，将B22、B23置1。
本发明所采用的裂纹细化方法是先将连接后的裂纹骨架化，后采用压缩编码的方法将骨骼化后裂纹二值图像再进行处理，转化为单根宽度为1个像素的裂纹图像，将裂纹图像转换为保存裂纹点位置的二维数组。然后解码恢复细化后的图像
实现算法描述如下：
设图像尺寸为m×n，创建一个跟图像尺寸列数相等为n，行数为2的二维数组A，以图像左边界为起点，按列搜索。
（1）遇到像素为0时，继续搜索。如果整列都没有像素为1的点，将数组A对应列的两个数置零。
（2）遇到第一个像素为1的点时，判断其为裂纹顶点，将该点位置(x,y)存入A对应列和寄存器B中。转入下一列扫描。
（3）其后将整列像素为1的点与前一列存入寄存器B中位置的点进行比较，取距离最近的点为裂纹点，将该点位置存入A对应列和寄存器B中。转入下一列扫描。
按此规则直至扫描结束。然后将编码压缩后得到的裂纹主干数据还为裂纹主干图像
本发明所采用裂纹长度和方向测量方法如下：
裂纹长度测量包括沿裂纹扩展方向的实际裂纹长度测量和国家标准规定的计算裂纹长度，实际裂纹长度及裂纹扩展方向测量方法为：对得到的裂纹主干进行最小二乘法拟合得到裂纹扩展直线，计算裂纹扩展直线长度既实际裂纹长度，求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线(既水平直线)的夹角得到裂纹扩展方向。计算裂纹长度的测量方法为：在主机上下夹具严格对心的情况下，通过试件、夹具的加工和安装保证夹具左边界和夹具的中心线严格平行，同时使试件加力线（既通过试件两个定位中心孔圆心的直线）和夹具的中心线重合，采用图像上可见的夹具左边界为计算裂纹长度测量的基准线，根据上述方法求得裂纹顶点及其主干位置后，进行基准线的精确定位和裂纹顶点到标准线的垂直距离的精确计算，然后根据相应公式计算出实际计算裂纹的长度。本发明采用基于亚像素技术的方法进行标准线边缘精确定位及裂纹顶点到标准线的垂直距离的精确计算
下面以C(T)试样为例结合图4，图5说明其具体的实施方式：
步骤1：本方法要结合图4所示C(T)紧凑拉伸疲劳试验夹具安装定位装置加以实施，此装置由试件3，夹具4，定位套筒5，定位螺杆1，压紧垫圈，锁紧螺母2，夹具安装定位法兰6组成，夹具组件有上下两个，相对于试件中心线对称，试件安装在上下夹具中间，通过两个长度相等的定位套筒5及定位螺杆1，压紧垫圈，锁紧螺母2安装定位，使试件加力线HI（既通过试件两个定位中心孔圆心的直线）和夹具的中心线重合，保证试验机产生的试验载荷通过夹具沿试件加力线作用于试件上。图中8为扩展的疲劳裂纹，7为预制裂纹。
步骤2：疲劳试验标准规定试件加力线HI为裂纹计算标准线，但从图像上直接求加力线有一定难度，因已通过步骤1使试件加力线和夹具的中心线重合，本方法通过求出夹具的左边界DEFJ从而推出加力线的位置，本发明采用基于亚像素技术的方法进行夹具的左边界DEFJ的边缘精确定位及计算裂纹长度的测量，算法流程图如图5所示，具体步骤如下：
（1）选定目标区域，如图4所示，包含上夹具边缘DE的小矩形区域，尽量靠近顶点D和拐点E但不包括D和E
（2）采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化
（3）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行夹具左边界四分之一亚像素精确定位，得到上夹具左边界定位坐标值
（4）计算边缘最大横坐标值Xmax及所选区域边缘长度L
（5）根据边缘定位坐标值进行最小二乘直线拟合，得到拟合后所选区域左边界直线的坐标值,求边界方向
（6）根据试件及夹具尺寸，将拟合后的夹具所选区域左边界沿边界方向延伸直至超过试件预制裂纹中心线。
步骤3：基于亚像素技术求裂纹顶点A到标准线DEFJ的垂直距离，步骤如下：
（7）由所得到的裂纹顶点A以四分之一亚像素的步长，沿垂直于标准线DEFJ生成垂线AY，垂线终点B需超过标准线DEFJ
（8）搜索标准线DEFJ和垂线AY的交点N，标准线从上往下，垂线AY从右向左以四分之一亚像素的步长向前搜索，每搜索一步比较两条线上得到的两点的横坐标差值，如差值小于或等于四分之一亚像素长度则搜索停止，此点既为两线交点N
（9）计算AN的像素距离，并根据标定信息，转化为真实的尺寸
步骤4：根据试件加工及安装尺寸，如图4所示AN距离减去1/2夹具宽度再减去预制裂纹顶点到加力中心线的距离就等于计算裂纹扩展的长度。
本发明采用的图像标定方法为：方法采用与疲劳裂纹扩展试验所用试件具有同样安装与定位尺寸的高精度加工的标准试件进行系统标定，在标准试件垂直方向和水平方向加工出一些具有不同尺寸的直角平台如图6所示，这些尺寸分布于水平方向和垂直方向的测量范围内，对这些直角平台的定点进行亚像素精确定位，计算出相应顶点之间的距离，根据加工尺寸，进行水平和垂直方向的分段标定，得出系统垂直方向和水平方向分段标定数据。标定系统包括：标定所用标准试件，镜头，CCD摄像头，数据采集卡，计算机，标定软件。摄像头运动平台及运动控制器。
标定点亚像素精确定位方法如下：
（1）在标定点的水平线段内选取一包围水平边缘的矩形区域，不包括标定点
（2）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行水平边缘四分之一亚像素精确定位，得到水平边缘定位坐标值
（3）计算边缘点X坐标的平均值作为标定点的X坐标
（4）在标定点的垂直线段内选取一包围垂直边缘的矩形区域，不包括标定点
（5）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行垂直边缘四分之一亚像素精确定位，得到垂直边缘定位坐标值
（6）计算边缘点Y坐标的平均值作为标定点的Y坐标
具体实施方式如下：
步骤1：将加工好的标准试件如图6所示，按图4所示进行安装，通过计算机发命令给运动控制器,运动控制器控制摄像头运动平台带动摄像头沿设定路线运动至每个标定点。
步骤2：采集试件图像，通过相应的标定软件依次求取标定点B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,的亚像素定位坐标，标定点亚像素精确定位方法如下：
（1）在标定点的水平线段内选取一包围水平边缘的矩形区域，不包括标定点
（2）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行水平边缘四分之一亚像素精确定位，得到水平边缘定位坐标值
（3）计算边缘点X坐标的平均值作为标定点的X坐标
（4）在标定点的垂直线段内选取一包围垂直边缘的矩形区域，不包括标定点
（5）采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行垂直边缘四分之一亚像素精确定位，得到垂直边缘定位坐标值
（6）计算边缘点Y坐标的平均值作为标定点的Y坐标
步骤3：求取水平标定线段CD,EF,GH,IJ,LK的像素长度，并将其相对应的尺寸输入如图为0.5m,1m,1.5m,2m,3m,并将此标定数据储存于数据文件内
步骤4：求取垂直标定线段BC,DE,JK,,HI的像素长度，并将其相对应的尺寸输入如图为0.5m,1m,1.5m,2m将成对数据存储于二维数组内，并将此标定数据储存于数据文件内。
图7为机械视觉技术疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量总流程图。具体试验步骤如下：
步骤1：机械视觉裂纹测量系统标定，具体步骤如下
（1）将加工好的标定试件按要求进行安装，通过计算机发命令给运动控制器,运动控制器控制摄像头运动平台带动摄像头沿设定路线运动至每个标定点；
（2）采集标定试件图像，通过相应的标定软件依次求取标定点的亚像素定位坐标
（3）求取水平标定线段的亚像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；
（4）求取垂直标定线段的像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；
步骤2：开始疲劳试验，计算试件疲劳次数N，控制试验载荷为所设定数值（包括正弦交变载荷的最大载荷，最小载荷及平均载荷），在此正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展；
步骤3：采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像和采集试件双面面图像；
步骤4：对所采集图像进行处理增强，图像处理增强通过图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行；
步骤5：通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向，具体步骤如下：
（1）采用一种自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的二值化；
（2）采用一种单连接区域增长技术，利用裂纹像素的幅度和方向，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来；
（3）将连接后的裂纹骨架化；
（4）采用压缩编码的方法将骨骼化后裂纹二值图像细化为单根宽度为1个像素的裂纹，将裂纹图像转换为保存裂纹点位置的二维数组；
（5）解码恢复细化后的图像；
步骤6：裂纹尺寸、方向测量。计算裂纹顶点到垂直于预制裂纹方向的标准线的垂直距离减去预制裂纹的长度既得到裂纹像素长度，然后根据相应公式计算出实际的裂纹的长度；具体步骤如下：
（1）采用基于1/4亚像素技术的方法进行标准线边缘精确定位；
（2）采用基于1/4亚像素技术的方法求得裂纹顶点到标准线的垂线；
（3）采用基于1/4亚像素步长搜索的方法求得标准线和裂纹顶点到标准线的垂线的交点；
（4）计算裂纹顶点到标准线的像素垂直距离；
（5）根据步骤1得到的标定文件将其转换为真实长度；
（6）根据相应公式计算出实际的裂纹的长度；
（7）对步骤5得到的裂纹主干进行最小二乘法拟合裂纹扩展直线,；
（8）求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线(既水平直线)的夹角；
步骤7：对裂纹扩展状态进行判断，如裂纹扩展不满足试验条件（试件两面裂纹长度差，裂纹扩展偏离预制裂纹方向），则停止试验，如裂纹扩展满足试验条件记录试验数据，生成疲劳裂纹扩展曲线a-N及疲劳裂纹扩展曲线da-dN；
步骤8：裂纹扩展试验完成后进行综合数据分析。

Claims (5)

1.一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于：
所述测量方法的步骤如下：
步骤1：机械视觉裂纹测量系统标定，具体步骤如下
(1.1)将加工好的标定标准试件按要求进行安装，通过计算机发命令给摄像头运动控制器,运动控制器控制摄像头运动定位平台带动摄像头沿设定路线运动至每个标定点；
(1.2)采集标定试件图像，依次求取标定点的亚像素定位坐标；
(1.3)求取水平标定线段的亚像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；
(1.4)求取垂直标定线段的像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；
步骤2：开始疲劳试验，计算试件疲劳次数N，控制试验载荷为所设定数值，所述试验载荷包括正弦交变载荷的最大载荷，最小载荷及平均载荷，在此正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展；
步骤3：采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像或采集试件双面图像；
步骤4：对所采集图像进行处理增强，图像处理增强通过图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行；所述步骤4中，图像灰度拉伸采用分段线性变换函数法增加图像的对比度，变换函数通过对图像的灰度分析并通过多次实验获得，中值滤波去噪即可消除噪声又可保留裂纹细节，边缘强化采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化；
步骤5：通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向；具体步骤如下：
(5.1)采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的二值化；
所述步骤(5.1)中，采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的二值化过程为：
步骤5.1.1：确定目标区域ROI,根据裂纹扩展规律，裂纹在整个过程中所在的位置比较固定，沿试件水平中间区域近乎直线扩展，所以采用选取固定的ROI
步骤5.1.2：把选定区域图像分成MXN个子图像；其中被分割的子图像的个数选取的原则是使每个子图像内的亮度分布近似于均匀；
步骤5.1.3：计算每个子图像的方差，确定不包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围及包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围
步骤5.1.4：将所有不包含裂纹和背景间边界的子图像像素值设为255
步骤5.1.5：对所有包含裂纹和背景间边界的子图像进行直方图分析，计算阈值，基于图像直方图分析的试探性迭代方法
步骤5.1.6：进行所有子图像分割区域的逻辑并，就是图像分割后的最后结果；
(5.2)采用单连接区域增长技术，利用裂纹像素的幅度和方向，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来；
所述步骤(5.2)中，把两个像素看成是连接图中的一个节点，把单个像素在空间与其它相邻像素的特性进行比较，将特性足够相似的相邻像素连接起来，从而进行区域的增长；裂纹像素之间具有一定的相似性，都是从左边界向右边界扩展，大致保持水平，具有一定规律，即不会有太大的倾角；利用裂纹像素的幅度和方向来确定它们之间的相似性，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来；
(5.3)将连接后的裂纹骨架化；
(5.4)采用压缩编码的方法将骨架化后裂纹二值图像细化为单根宽度为1个像素的裂纹图像，将裂纹图像转换为保存裂纹点位置的二维数组；
所述步骤(5.4)的具体过程如下：
设图像尺寸为m×n，创建一个跟图像尺寸列数相等为n，行数为2的二维数组A，以图像右边界为起点，按列搜索；
(5.4.1)遇到像素为0时，继续搜索。如果整列都没有像素为1的点，将数组A对应列的两个数置零；
(5.4.2)遇到第一个像素为1的点时，判断其为裂纹顶点，将该点位置(x,y)存入A对应列和寄存器B中，转入下一列扫描；
(5.4.3)其后将整列像素为1的点与前一列存入寄存器B中位置的点进行比较，取距离最近的点为裂纹点，将该点位置存入A对应列和寄存器B中，转入下一列扫描；按此规则直至扫描结束，然后将编码压缩后得到的裂纹主干数据还原为裂纹主干图像。
(5.5)解码恢复细化后的图像；
步骤6：裂纹尺寸、方向测量，裂纹长度测量包括沿裂纹扩展方向的实际裂纹长度测量和国家标准GB/T6398-2000规定的计算裂纹长度，实际裂纹长度及裂纹扩展方向测量方法为：对通过步骤4、5得到的裂纹主干进行最小二乘法拟合得到裂纹扩展直线，计算裂纹扩展直线长度既实际裂纹长度，求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角得到裂纹扩展方向；计算裂纹长度的测量方法为：在主机上下夹具严格对心的情况下，通过试件、夹具的加工和安装保证夹具左边界和夹具的中心线严格平行，同时使试件加力线和夹具的中心线重合，采用图像上可见的夹具左边界为计算裂纹长度测量基准线，进行基准线的精确定位和裂纹顶点到基准线的垂直距离的计算，然后根据相应公式计算出实际计算裂纹的长度；具体步骤如下：
(6.1)采用基于1/4亚像素技术的方法进行标准线边缘精确定位；
(6.2)采用基于1/4亚像素技术的方法求得裂纹顶点到标准线的垂线；
(6.3)采用基于1/4亚像素步长搜索的方法求得标准线和裂纹顶点到标准线的垂线的交点；
(6.4)计算裂纹顶点到标准线的像素垂直距离；
(6.5)根据步骤1得到的标定文件将其转换为真实长度；
(6.6)计算实际计算裂纹的长度，裂纹顶点到标准线的垂直距离减去1/2夹具宽度和预制裂纹顶点到加力中心线的距离就等于计算裂纹的长度；
(6.7)对步骤5得到的裂纹主干进行最小二乘法拟合裂纹扩展直线；
(6.8)求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角。
步骤7：对裂纹扩展状态进行判断，如裂纹扩展不满足试验条件，即疲劳裂纹扩展方向偏离预制裂纹方向大于规定角度或试件两面裂纹长度尺寸之差大于规定数值，则停止试验，如裂纹扩展满足试验条件记录试验数据，生成疲劳裂纹扩展曲线a-N及疲劳裂纹扩展曲线da-dN；
步骤8：裂纹扩展试验完成后进行综合数据分析。
2.如权利要求1所述的一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于：所述步骤(6.1)中，采用基于亚像素技术的方法进行夹具的左边界的边缘精确定位的过程为：
(6.1.1)选定目标区域，包含上夹具左边缘的小矩形区域，靠近边缘顶点和拐点
(6.1.2)采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化
(6.1.3)采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行夹具左边界四分之一亚像素精确定位，得到上夹具左边界定位坐标值
(6.1.4)计算边缘最大横坐标值Xmax及所选区域左边界边缘长度L
(6.1.5)根据边缘定位坐标值进行最小二乘直线拟合，得到拟合后边界直线的坐标值,求边界方向
(6.1.6)根据试件及夹具尺寸，将拟合后的夹具所选区域左边界沿边界方向延伸直至超过试件预制裂纹中心线。
3.如权利要求2所述的一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于：所述步骤(6.2)中，基于亚像素技术求裂纹顶点到标准线DEF的垂直距离，步骤如下：
(6.2.1)由步骤(6.1)所得到的裂纹顶点以四分之一亚像素的步长，沿垂直于标准线DEFJ生成垂线AY，垂线终点Y需超过标准线DEFJ；
(6.2.2)搜索标准线DEFJ和垂线AY的交点N，标准线从上往下，垂线AY从左向右以四分之一亚像素的步长向前搜索，每搜索一步比较两条线上得到的两点的横坐标差值，如差值小于或等于四分之一亚像素长度则搜索停止，此点既为两线交点N；
(6.2.3)计算AN的像素距离，并根据标定信息，转化为真实的尺寸。
4.如权利要求3所述的一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用与疲劳裂纹扩展试验所用试件具有同样安装与定位尺寸的高精度加工的标准试件进行系统标定，在标准试件垂直方向和水平方向加工出一些具有不同尺寸的直角平台，这些尺寸分布于水平方向和垂直方向的测量范围内，对这些直角平台的顶点进行亚像素精确定位，计算出相应顶点之间的距离，根据加工尺寸，进行水平和垂直方向的分段标定，得出系统垂直方向和水平方向分段标定数据；
所述步骤(1.2)中标定点亚像素精确定位方法如下：
(1.2.1)在标定点的水平线段内选取一包围水平边缘的矩形区域，不包括标定点；
(1.2.2)采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行水平边缘四分之一亚像素精确定位，得到水平边缘定位坐标值；
(1.2.3)计算边缘点X坐标的平均值作为标定点的X坐标；
(1.2.4)在标定点的垂直线段内选取一包围垂直边缘的矩形区域，不包括标定点；
(1.2.5)采用IMAQ Vision中亚像素边沿定位函数IMAQ Edge Tool进行垂直边缘四分之一亚像素精确定位，得到垂直边缘定位坐标值；
(1.2.6)计算边缘点Y坐标的平均值作为标定点的Y坐标。
5.如权利要求1所述的一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于，实现所述测量方法的相关装置包括：被测试件、图像成像及采集系统，摄像头位置调整系统及计算机处理分析控制系统，除此之外，还有为保证疲劳裂纹扩展试验进行必备的疲劳试验机和载荷控制系统；CCD摄像头、镜头、光源装置安装在摄像头安装支架上组成图像成像单元，将带有预制裂纹的CT紧凑试件安装在产生设定交变载荷的疲劳试验机上，试件在交变载荷的作用下裂纹不断扩展，光源装置所提供的光线照射在试件表面上，试件表面处理为漫反射，均匀反射的光线通过镜头投影到CCD靶面上，CCD与数据采集卡通过通讯电缆相连，将CCD上所形成的裂纹试件图像传输到图像采集卡，图像采集卡将此模拟图像转换为计算机可处理的数字图像，通过图像采集卡和计算机之间的通讯电缆将此数字图像传输到计算机内；摄像头运动定位平台、摄像头运动控制器及摄像头运动位移测量传感器组成摄像头位置调整系统，可根据控制计算机发来的控制命令驱动摄像头运动定位平台带动摄像头到达所要求的位置，采集到试验所要求的图像；计算机处理分析控制系统内最重要的程序模块是图像处理裂纹长度计算模块，此程序模块采用如权利要求1所述的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，对图像采集系统所采集裂纹图像进行处理、识别、计算后得到所要求的裂纹尺寸。
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