CN103149087B

CN103149087B - 一种基于随动视窗与数字图像的非接触式实时应变测量方法

Info

Publication number: CN103149087B
Application number: CN201310048899.XA
Authority: CN
Inventors: 罗文波; 刘秀
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: CN103149087A

Abstract

本发明公开了一种基于随动视窗与数字图像的非接触式实时应变测量方法。步骤1：对试样(2)沿预设方向作一对标记(3)，并安装好试样；步骤2：控制摄像头采集未变形的试样图像(1)并给此图像添加与标记数量相等的视窗(4)，从视窗截取试样图像并分析处理，识别出各视窗内的标记并提取其初始中心坐标；步骤3：对试样进行加载，同时定时采集试样图像，对采集的每一张图像，在视窗内进行与步骤2类似的图像截取和处理，提取到各标记新的中心坐标，并与初始中心坐标比较，计算出应变并可视化，同时根据中心坐标的增量更新视窗位置，使视窗自动随标记移动，如此更迭进行，直至试验结束。本发明经济、简单、实用，且具有较强的抗干扰能力。

Description

一种基于随动视窗与数字图像的非接触式实时应变测量方法

技术领域

本发明涉及一种应变测量方法，特别是一种基于随动视窗与数字图像的非接触式的实时的应变测量方法。

技术背景

材料的力学性能测试通常离不开变形的测量。传统的变形测量方法主要有电子引伸计法和电子应变片法等接触式测量方法，这类方法有其广泛的优点，如价格便宜、稳定性好、技术成熟等，但也有其固有的缺点和局限性，如引伸计本身的重量将影响试样的受力状态，嵌入式的应变片对试样表面会造成一定程度的损伤，特别是当试样为柔性材料(如橡胶、薄膜材料)时，测量的结果很不理想；而现有的基于数字图像技术的数字散斑测量系统和视频引伸计，虽为非接触式，可测出材料的全场形变，测量结果准确，但是设备昂贵、应变算法复杂，对环境光源要求高。

发明内容

本发明提供一种基于随动视窗与数字图像的非接触式光学实时应变测量方法，其在图像处理时，通过添加随动视窗的方法，极大地降低目标追踪的难度，降低对试件表面光洁度及对环境光源的要求，具有算法简洁、抗干扰力强、经济实用、实时的优点。

本发明采用如下技术方案：

一种基于随动视窗与数字图像的非接触式光学实时应变测量方法，

步骤1将试样安装在加载机器上，沿预设方向作一对标记；

步骤2控制摄像机采集未变形的试样图像，给此图像添加相应视窗，使每个视窗包含有且仅有一个标记；然后，截取视窗内的图像，对截取的图像进行灰度转换、图像增强、自适应阈值计算、二值化处理，搜寻二值图像中面积最大的目标，并提取此目标的中心坐标，如此得到未变形的试样图像中标记的中心坐标。

步骤3对试样进行加载，同时，控制摄像机自动定时采集试样图像，实时分析处理图像得到应变数据并可视化。对于采集到的第一张图像，仍以步骤2中添加的视窗进行类似的截取和处理，得到此图像中标记的中心坐标，并与参考图像中的中心坐标进行比较，得到各标记的中心坐标位置的增量，以此计算出试样沿预设方向的应变，同时，将中心坐标位置的增量，叠加在对应的视窗位置坐标上，从而得到新的视窗。在随后的测量过程中，以新的视窗截取采集到的图像并分析处理，计算出应变数据及可视化，并即时更新视窗位置，如此更迭进行，直至试验结束。

本发明为一种基于数字图像的非接触式光学实时应变测量方法，与现有技术相比，本发明创新点和有益效果是：

1.本发明在数字图像处理方面，并不对采集到的整张图像进行处理，而是给采集到的图像添加随动视窗，图像处理时，只对视窗内的图像进行处理。通过添加视窗的方法，一方面，极大地减少图像处理的面积，提高了计算效率；另一方面，极大地降低了目标追踪的难度，使得目标追踪算法极其简洁，同时增强了图像处理的抗干扰能力，降低了试验对试件表面光洁度的要求及对周围光照的敏感性，即使试件表面有污点，只要污点不包含在视窗内，则完全不影响目标追踪的准确性。

2.本发明通过搜寻二值图像中面积最大的目标来追踪标记，然后提取其中心坐标。如此，即使视窗内包含有污点，只要单个污点的面积不大于标记的面积，则不影响目标追踪的准确性。

3.本发明所添加的视窗，自动跟随标记移动，因此称为随动视窗。由于所添加的视窗为随动视窗，因此，可以使视窗的大小设置得更小，即使试样发生大变形，标记也不会移出随动视窗的范围，这样可进一步减少图像处理的面积，提高图像处理的效率和抗干扰能力。如果试样发生的变形较小，则还可以通过给试件作足够多的标记，并相应地添加足够多的随动视窗，从而将此发明应用于材料的全场应变测量。

总体来说，本发明采用添加随动视窗的方法，极大地减少图像处理的面积，使得图像处理算法变得极其简单，从而实现在线应变测量和可视化，同时也提高了计算效率和图像处理的抗干扰能力。简而言之，本发明算法简洁、抗干扰力强、经济实用，即使所采用的摄像机为普通网络摄像头也可以取得良好的效果，适合普及推广。

附图说明

图1是本发明轴线加载方向的一对标记的随动视窗示意图。

图2是本发明轴向一对标记和横向一对标记的随动视窗示意图。

具体实施方式

一种基于随动视窗与数字图像的非接触式实时应变测量方法，可用于实时测量固体试样在拉伸或压缩试验中的应变。以下结合实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

一种基于随动视窗与数字图像的非接触式实时应变测量方法，用于测量试样轴向线应变。

步骤1将试样(2)安装在加载机器上，并沿轴线加载方向作一对标记(3)；

步骤2控制摄像机对准试样并调节摄像机焦距，使图像清晰可见。

步骤3采集加载前的图像(1)，给图像添加一对视窗(4)，每个视窗包含一个标记(3)，如图1所示。视窗分别为

其中，分别为视窗A₀左上角的X坐标和Y坐标，分别为视窗A₀在图像水平方向和垂直方向所包含的像素数量，类似地，可以推知视窗B₀中元素的意义。以视窗A₀、B₀分别截取图像并处理，得到对应标记在视窗图像坐标系中的中心点

将其转换成在总体图像坐标系中的对应点

Q_{0} = [{X_{Q}}_{0}, {Y_{Q}}_{0}],

其中，

{X_{P}}_{0} = {X_{A}}_{0} + {x_{p}}_{0},

{Y_{P}}_{0} = {Y_{A}}_{0} + {y_{p}}_{0},

{X_{Q}}_{0} = {X_{B}}_{0} + {x_{q}}_{0},

{Y_{Q}}_{0} = {Y_{B}}_{0} + {y_{q}}_{0} .

步骤4对试样进行加载，同时，使摄像机自动定时采集试样变形图像，对于采集到的第一张图像，仍以A₀、B₀截取图像并分析处理，得到对应标记的新的中心点

P_{1} = [{X_{P}}_{1}, {Y_{P}}_{1}],

Q_{1} = [{X_{Q}}_{1}, {Y_{Q}}_{1}],

于是可知，P₁相对于P₀的增量

Δ P_{1} = [Δ {X_{P}}_{1}, Δ {Y_{P}}_{1}],

其中，

Δ {X_{P}}_{1} = {X_{P}}_{1} - {X_{P}}_{0},

{Y_{P}}_{1} = {Y_{P}}_{1} - {Y_{P}}_{0},

同理可得Q₁相对于Q₀的增量

Δ Q_{1} = [Δ {X_{Q}}_{1}, Δ {Y_{Q}}_{1}],

于是得第一个轴向线应变数据

ϵ_{1} = \frac{Δ {Y_{Q}}_{1} - Δ {Y_{P}}_{1}}{{Y_{Q}}_{0} - {Y_{P}}_{0}},

同时可得到新的视窗，记为A₁和B₁，即

A_{1} = [{X_{A}}_{0} + Δ {X_{P}}_{1}, {Y_{A}}_{0} + Δ {Y_{P}}_{1}, {L_{A}}_{0}, {H_{A}}_{0}],

B_{1} = [{X_{B}}_{0} + Δ {X_{Q}}_{1}, {Y_{B}}_{0} + Δ {Y_{Q}}_{1}, {L_{B}}_{0}, {H_{B}}_{0}] .

在随后的测量过程中，从新视窗截取图像并分析处理，追踪到相应标记的中心，并与加载前未变形图像的标记中心点坐标进行比较，计算出应变数据并可视化，即时更新视窗位置，如此更迭进行，直至试验完成。测试过程中，对于采集到的第i张图像，用于截取此图像的视窗为A_i-1和B_i-1，而计算出的应变为第i个轴向线应变数据ε_i，如下：

ϵ_{i} = \frac{Δ {Y_{Q}}_{1} - Δ {Y_{P}}_{1}}{{Y_{Q}}_{0} - {Y_{P}}_{0}} = \frac{({Y_{Q}}_{1} - {Y_{Q}}_{0}) - ({Y_{P}}_{1} - {Y_{P}}_{0})}{{Y_{Q}}_{0} - {Y_{P}}_{0}} .

实施例2

一种基于随动视窗与数字图像的非接触式光学实时应变测量方法，用于测量试样的轴向应变和横向应变并计算出材料的泊松比μ。

步骤1对试样(2)沿轴向和横向分别作一对标记(3)，并安装在加载机器上。

步骤3采集加载前的图像，给图像添加两对视窗(4)，使每个视窗分别包含一个标记(3)，轴向的一对视窗为

A_{0} = [{X_{A}}_{0}, {Y_{A}}_{0}, {L_{A}}_{0}, {H_{A}}_{0}]

和

B_{0} = [{X_{B}}_{0}, {Y_{B}}_{0}, {L_{B}}_{0}, {H_{B}}_{0}],

横向的一对视窗为

C_{0} = [{X_{C}}_{0}, {Y_{C}}_{0}, {L_{C}}_{0}, {H_{C}}_{0}]

和

D_{0} = [{X_{D}}_{0}, {Y_{D}}_{0}, {L_{D}}_{0}, {H_{D}}_{0}],

如图2所示。从各视窗截取图像并分析处理，得到各标记的中心坐标，并转换成在总体图像坐标系中对应的坐标点

P_{0} = [{X_{P}}_{0}, {Y_{P}}_{0}],

Q_{0} = [{X_{Q}}_{0}, {Y_{Q}}_{0}],

M_{0} = [{X_{M}}_{0}, {Y_{M}}_{0}],

N_{0} = [{X_{N}}_{0}, {Y_{N}}_{0}] .

步骤4对试样进行加载，同时，控制摄像机自动定时采集试样图像，实时分析处理图像得到应变数据并可视化。对于采集到的第一张图像，仍以本实施例步骤2中添加的视窗进行截取和分析处理，得到总体图像中标记的中心坐标，并与加载前未变形图像中的中心坐标进行比较，得到各标记的中心坐标位置的增量，以轴向标记AB的Y方向坐标增量计算出试样的轴向应变，以横向标记CD的X方向坐标增量计算出试样的横向应变，同时，将各中心坐标位置的增量叠加在对应的视窗位置坐标上，从而得到新的视窗，使视窗自动跟随标记移动。在随后的测量过程中，对新视窗截取到的图像并分析处理，进行应变计算与可视化，并自动更新视窗位置，如此更迭进行，直至试验完成。测试过程中，对于采集到的第i张图像，轴向线应变和横向线应变如下：

{ϵ_{Y}}_{i} = \frac{Δ {Y_{Q}}_{i} - Δ {Y_{P}}_{i}}{{Y_{Q}}_{0} - {Y_{P}}_{0}} = \frac{({Y_{Q}}_{i} - {Y_{Q}}_{0}) - ({Y_{P}}_{i} - {Y_{P}}_{0})}{{Y_{Q}}_{0} - {Y_{P}}_{0}},

{ϵ_{x}}_{i} = \frac{Δ {X_{N}}_{i} - Δ {X_{M}}_{i}}{{X_{N}}_{0} - {X_{M}}_{0}} = \frac{({X_{N}}_{i} - {X_{N}}_{0}) - ({X_{M}}_{i} - {X_{M}}_{0})}{{X_{N}}_{0} - {X_{M}}_{0}} .

步骤5计算泊松比μ

μ = - \frac{{ϵ_{x}}_{i}}{{ϵ_{y}}_{i}} .

Claims

1.一种基于随动视窗与数字图像的非接触式光学实时应变测量方法，其特征在于：

步骤1将试样安装在加载机器上，沿预设方向作一对标记；

步骤2控制摄像机采集未变形的试样图像，识别出图像中的标记并提取其中心点，其方法是：给图像添加与标记数量相等的视窗，使每个视窗包含一个标记，然后从各视窗分别截取图像，对截取的图像进行灰度转换、图像增强、自适应阈值计算、二值化处理，搜寻二值图像中面积最大的目标，并提取此目标的中心坐标，从而得到未变形图像中标记的中心坐标；

步骤3对试样进行加载，同时，控制摄像机自动定时采集试样图像，实时分析处理图像，计算得到应变并实现可视化，其方法是：对于采集到的第一张图像，仍以步骤2中添加的视窗进行图像截取和处理，提取到图像中各标记的中心坐标，并与未变形的试样图像中的中心坐标进行比较，得到各标记的中心坐标位置的增量，以此计算出试样沿预设方向的应变，同时，将中心坐标位置的增量叠加在对应的视窗位置坐标上，从而获得新的视窗，在随后的应变测量过程中，以新视窗截取图像并分析处理，计算得到应变并实现可视化，继而更新随动视窗位置，如此更迭进行，直至试验完成。