CN104142268A - 一种测量土工材料微小变形的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量土工材料微小变形的方法，涉及图像边缘识别及像素测量技术，将此方法应用于土工材料微小变形的测量尚属首次。这套测量设备由WDW-E50D万能试验机、图像采集设备和微型计算机组成，本发明测量方法分两部分，图像采集与图像处理，其中图像处理又分为系统参数标定及变形测定，各部分中又包括图像灰度化、图像二值化、试件边缘识别、像素测定、信息存储及图表绘制。批量、快速处理不同分辨率的图像信息，对土工材料试件在单轴压缩试验条件下的横、纵向变形进行同步直接测量，并结合WDW-E50D万能试验机采集数据，由程序自动采集散点并绘制材料的全应力-应变曲线。整个试验过程不干扰试件和变形，为非接触式测量，可广泛应用于土工材料单轴压缩实验过程中的变形测定。

Description

一种测量土工材料微小变形的方法

技术领域

本发明中的测量方法涉及到图像边缘识别及像素测量技术，主要用于土工材料单轴压缩实验中横、纵向变形的非接触同步直接测量以及单轴抗压强度测量结果的数据处理。

背景技术

本发明中的数字图像测量技术在土工材料压缩变形实验中的应用几乎没有系统性的报导，1993年在美国召开关于数字图像处理技术的专题会议上，Emir等人发表了一篇题为“用数字图像技术测量三轴试验的体积变形”的文章，仅是为了配合美国NASA空间站研究在失重条件下三轴试件的应力变形特性而提出的一种新的三轴试件体积变形测量方法，但受当时测试技术的限制，测量精度并不高，但是为该项测量技术应用于其他材料的变形测量提供了一个全新的方向。

目前，在土工材料单轴压缩实验中，试件变形多采用应变计、位移计、应变片等仪器直接测量，其中轴向变形通过量测传力杆的相对位移确定；由于土工试件横向变形很小，利用应变片、应变计及常规测量仪器等难以测量，故横向变形需根据实测的轴向变形和体积变形间接求得，测定体积变形时要求试件是饱和的，且计算中还需假定试件不同高度的横向变形量相同，其测量精度不高，可靠性也差。

传统的材料压缩实验变形测量中，测量仪器是固定在实验试件上，为接触式测量，这样既扰动了实验试件，也干扰了试件变形，同时受测试仪器本身和材料体散粒体特性限制，传统压缩实验在实验方法和测试手段上存在的缺陷尤为突出，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在不要求试件是否饱和，不扰动试件和变形，且保证实验精度的前提下，实现对试件横、纵向变形的非接触同步直接测量，提供一种研究土工材料单轴抗压强度和变形性能的新型测量方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：土工材料压缩变形的测量设备，由WDW-E50D万能试验机、图像采集设备及其微机控制系统组成。本发明测量方法分两部分，图像采集与图像处理，其中图像处理又分为系统参数标定及变形测定，各部分中又包括图像灰度化、图像二值化、试件边缘识别、像素测定、信息存储及图表绘制。

土工材料变形的数字图像测量方法为为非接触式测量，可实现试件横、纵向变形的非接触同步直接测量，同时对试件是否饱和亦没有要求，其步骤包括：

1)图像采集

(1)制备实验试件，试件组成无要求；试件形状要求为圆柱形，尺寸大小为50mm(直径)×100mm(高度)。

(2)将(1)中制备试件置于YH-40B型标准恒温恒湿(温度为20℃，湿度为95％)养护箱内养护，养护时间分8小时、1天、3天、7天4个龄期。

(3)把试件从养护箱中取出后用墨汁涂抹于整个表面，对其进行黑化处理。

(4)启动微型计算机与WDW-E50D电子万能实验机，启动微机控制程序，进行联机。

(5)把(3)中处理好的试件置于压力机下承压板中心位置，并将上承压板下移至刚好接触试件。

(6)在压力机上、下承压板与试件接触表面各粘贴一张白纸，将承压板表面完全覆盖。

(7)在距试件中心轴线前方L处放置三角架，放置相机。距离L以相机视野将整个试件居于图像正中为原则，每次进行精确测量，用以消除系统误差。

(8)调节相机焦距，使整个试件居于视野中心；调节光线，使试件与背景色对比鲜明。

(9)拍摄实验前试件初始图像，用以标定系统参数。

(10)开始实验，对试件进行加压，同时利用遥控控制相机对压缩试件进行连续拍照，至试件出现剪切破坏，停止实验。

2)系统参数标定

(1)运行变形测量程序，生成实验文件夹，用以放置原始及数据文件。

(2)将拍摄实验图像移至“测试图像”文件夹，手动调入试件初始图像，在对调入图像进行数字化处理时，默认坐标原点位于图像左上角。

(3)对导入图像分别进行图像灰度化与二值化处理，此时除试件范围变为黑色，其余部分皆为白色。

(4)由图像坐标原点开始，先自左至右检测当前像素值及相邻下一像素值，再自上而下检测当前像素值及相邻下一像素值，实质上即确定试件左、右边缘及上、下边缘黑白像素转换的坐标位置。

(5)前后像素值不同时，程序即开始自动计数，直至下次前后像素值不同时停止计数，此时即得到试件范围内的像素数目，即横向与纵向黑色像素数目。

(6)已知试件宽度与高度，且通过(5)中得到的横向与纵向黑色像素数目，即可对当前像素当量进行标定。

即：横向像素当量K_a＝试件横向实际弦长/(右边缘坐标-左边缘坐标)

纵向像素当量K_b＝试件纵向实际高度/(下边缘坐标-上边缘坐标)

3)变形测定

继续运行程序，按照2)中(3)-(5)的顺序处理剩余图像，获得试件压缩过程任一时刻占据的横、纵向黑色像素数目m、n，通过2)已知横、纵向像素当量分别为K_a、K_b，则试件变形参数可以通过以下计算求得。

即：试件横向实际弦长：D′＝m×K_a

    试件纵向实际高度：H′＝n×K_b

所述的土工材料微小变形的数字图像测量方法，其中：在获得试件各个时刻横、纵向变形以后，可自动与电子万能实验机获得的数据利用线性插值方法进行融合，并可反推得到某时刻变形所对应的试验力，由于是横、纵向变形的同步直接测量，据此，可由程序自动绘制出试件压缩过程中的全应力-应变曲线。

本发明的有益效果为：采用本发明的微小变形测量方法处理土工试件在单轴压缩过程中的图像进行变形测定，这是一种非接触测量方法，既不扰动试件，也不会干扰试件变形；本方法可以实时记录压缩实验的全过程，便于试验结束以后试件变形的重新分析与研究，提高了实验的可重复性；本方法使用计算机和遥控器控制数据的采集和处理，提高了数据采样频率，降低了试验人员的劳动强度；它能够自动识别与记录物体边缘位置，可以任意选择多个测量部位或测量断面，实现试件轴向和径向变形的同步直接测量；本方法采用编译计算机程序实现图像处理与数字化信息动态存储的连续化，并利用插值法融合压力机数据，利用建立的函数反求相应变形量下的试验力，将变形与试验力予以结合，绘制土工材料单轴压缩变形的全应力应变曲线，为实验人员深入研究土工材料压缩性能提供方便。

附图说明

图1为本发明图像采集设备结构图；

图2为图像二值化效果图；

图3为变形测量方法实施例流程图。

图1中，1为压力机上承压板，2为压力机下承压板，3为膏体材料试件，在承压板1、2与圆柱形试件3中间各粘贴一张白纸，使白纸覆盖全部承压板表面，4为圆柱形试件中心轴，5为实验专用三角架，6为相机，L为相机与试件中心轴的距离。

图2中，1为拍摄图像的背景，2为试件。拍摄图像经过图像灰度与二值化以后，试件与背景成黑白两色，对比鲜明。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

土工材料微小变形的像测量方法可以简单概括如下，先采用图像采集设备对试件压缩过程进行图像采集，然后再利用本发明的测量程序对图像进行处理，即模数转换。

为实现图像信息采集过程，本发明中图像采集模块实施例如图1所示，包括如下步骤：

(1)制备实验试件。试件组成无要求；试件形状要求为圆柱形，尺寸大小为50mm(直径)×100mm(高度)。

(2)将(1)中制备试件置于YH-40B型标准恒温恒湿(温度为20℃，湿度为95％)养护箱内养护，养护时间分8小时、1天、3天、7天4个龄期。

(3)把试件从养护箱中取出后用墨汁涂抹于整个表面，对其进行黑化处理。

(4)启动微型计算机与WDW-E50D电子万能实验机，启动微机控制程序，进行联机。

(5)把(3)中处理好的试件置于压力机下承压板2中心位置，并将上承压板1下移至刚好接触试件3。

(6)在压力机上、下承压板1、2与试件3接触表面各粘贴一张白纸，将承压板表面完全覆盖。

(7)在距试件中心轴线4前方L处放置三角架5，在上面安置相机6。距离L以相机视角将整个试件居于视野中心而定，每次进行精确测量，以消除系统误差。

(8)调节相机焦距，使整个试件居于视野中心；调节光线，使试件与背景色对比鲜明。

(9)拍摄实验前试件初始图像，以标定系统参数。

(10)开始实验，对试件进行加压，同时利用遥控控制相机6对压缩试件3进行连续拍照，至试件出现剪切破坏，停止实验。

本发明的数字图像测量方法实施例如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、运行编译程序，新建各工作文件夹，用以存储源文件及生成的数据库文件。

步骤2、添加试件详细信息，导入试件未压缩前的初始图像文件。

步骤3、依次进行图像灰度化，图像二值化，试件边缘识别，得到试件横、纵向占据像素数目之后，对当前像素当量进行标定，存储当量值，并计算当前变形量。

步骤4、对采集图像继续进行测定，按下“运行”按钮，程序可自动采集剩余图像，并按照步骤3图像处理的次序自动处理载入图像，得到各个图像对应下的系列变形值，直至结束当前实验。

步骤5、依据图像信息所得的横、纵向变形值，利用线性插值法与万能压力机所得的纵向变形值进行融合，并利用建立的函数关系，反推得到图像中试件压缩状态下的试验力。

步骤6、综合以上处理数据，绘制压缩试件全应力应变曲线，生成工作报表，结束实验。

任何连续物体的形变，实际上皆表现为物体边缘位置的变化，因此，利用数字图像原理测量试件微小变形的实质即为确定试件变形前后边缘位置的变化幅度。本发明测量方法实施过程中，将拍摄的彩色图像进行了灰度化与二值化处理，效果图如图2所示，其中1为拍摄图像背景，2为处理后试件，据此可知，试件边缘的确定原则可归结为二值化图像中黑白像素的分界，利用图像处理的方法找出此转折点，即找出试件对应边缘位置，前后边缘位置的变动相差即得变形量。

根据物体成像原理，当从某侧看向试件时，其实际弦长与实际高度已经发生变化，同时，由于其他一些透光及反光因素的干扰，致使物体成像会出现视觉误差，这些均属系统误差，实际操作中，我们是以实际测得的柱体宽度与高度像素进行系统参数的标定，从而可以消除此些系统误差。同时，我们以常规测量仪器及数字图像的原理对压缩试件的变形量进行测定，并对其中的最大值作了精度分析，采用本发明数字图像测量技术，膏体材料的应变测量精度误差在1.31％～2.53％之间，小于5％，从而满足精确测量的目的。

Claims (1)

1.一种测量土工材料微小变形的方法，其特征在于：本测量方法为非接触式测量，用以实现土工试件横、纵向微小变形的非接触同步直接测量，同时对试件是否饱和亦没有要求，其步骤包括： 

1)图像采集 

(1)制备实验试件，试件组成无要求；试件形状要求为圆柱形，尺寸大小为50mm(直径)×100mm(高度)。 

(2)将(1)中制备试件置于YH-40B型标准恒温恒湿(温度为20℃，湿度为95％)养护箱内养护，养护时间分8小时、1天、3天、7天4个龄期。 

(3)把试件从养护箱中取出后用墨汁涂抹于整个表面，对其进行黑化处理。 

(4)启动微型计算机与WDW-E50D电子万能实验机，启动微机控制程序，进行联机。 

(5)把(3)中处理好的试件置于压力机下承压板中心位置，并将上承压板下移至刚好接触试件。 

(6)在压力机上、下承压板与试件接触表面各粘贴一张白纸，将承压板表面完全覆盖。 

(7)在距试件中心轴线前方L处放置三角架，放置相机。距离L以相机视野将整个试件居于图像正中为原则，每次进行精确测量，用以消除系统误差。 

(8)调节相机焦距，使整个试件居于视野中心；调节光线，使试件与背景色对比鲜明。 

(9)实验前拍摄试件初始图像，用以标定系统参数。 

(10)开始实验，对试件进行加压，同时利用相机遥控器控制相机对压缩试件进行连续拍照，至试件出现剪切破坏，停止实验。 

2)系统参数标定 

(1)运行变形测量程序，生成实验文件夹，用以放置原始及数据文件。 

(2)将拍摄实验图像移至“测试图像”文件夹，手动调入试件初始图像，在对其处理时，默认坐标原点位于图像左上角。 

(3)对导入图像分别进行图像灰度化与二值化处理，此时除试件范围变为黑色，其余部分皆为白色。 

(4)由图像坐标原点开始，先自左至右检测当前像素值及相邻下一像素值，再自上而下检测当前像素值及相邻下一像素值。 

(5)前后像素值不同时，程序即开始自动计数，直至下次像素值不同时停止计数，此时即得到试件范围内占据的像素数目，即横向与纵向黑色像素数目。 

(6)已知试件宽度与高度，且通过(5)中得到的横向与纵向黑色像素数目，即可对当前像素当量进行标定。 

即：横向像素当量K_a＝试件横向实际弦长/(右边缘坐标-左边缘坐标) 

纵向像素当量K_b＝试件纵向实际高度/(下边缘坐标-上边缘坐标) 

3)变形测定 

继续运行程序，按照2)中(3)～(5)的顺序处理剩余图像，获得试件压缩过程任一时刻占据的横、纵向黑色像素数目m、n，通过2)已知横、纵向像素当量分别为K_a、K_b，则试件变形参数可以通过以下计算求得。 

即：试件横向实际弦长：D′＝m×K_a

    试件纵向实际高度：H′＝n×K_b。