CN109307620A - 一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置及方法，装置包括试样盒、上压板、下压板、称重传感器、位移传感器、摄像机、光源、数据记录器、计算机、第一支柱、底板、框架、工作台、支架、柱体、第二支柱、第三支柱和连接柱；工作台的内部设有驱动机构，上压板通过连接柱与称重传感器连接，下压板固定连接在底板上，试样盒置于上压板和下压板之间，在试样盒内放置试样，通过驱动机构驱动第二支柱做垂直的升降运动，进而带动下压板对试样盒中的试样进行单轴压缩试验。本发明可快速、精确测量无侧限压缩试验中的轴向应变和径向应变，并实时处理，为评价岩土工程无侧限抗压强度应变特性提供了更好的测试手段。

Description

一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置及方法。

背景技术

一般的无侧限压缩试验中的应变测量，常采用应变控制式无侧限压缩仪，是一种接触式测量方法，在压缩变形的过程中，试样端部与压板之间的摩擦会产生相对运动，必然产生测量误差。此外，传统的无侧限压缩试验应变接触式测量方法存在诸如：测量误差大、操作繁琐、不能测量压缩变形全过程、工作量较大等缺陷，使其在众多领域和场合的使用受到限制。

同时，无侧限压缩试验中最显著的不确定性是试件在加载过程中横截面积的变化，即需要对面积进行修正。然而对修正面积的影响研究较少。同时，测试无侧限强度径向应变的试验设备也十分缺乏。因此，针对无侧限强度试验应变研究与测试的现状，亟需开发准确、实时测试其应变的试验设备，为岩土工程设计及优化提供指导与借鉴。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置及方法，可快速、精确测量无侧限压缩试验中的轴向应变和径向应变，并实时处理，为评价岩土工程无侧限抗压强度应变特性提供了更好的测试手段。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，包括加载装置、试样盒、采集装置、支撑装置，所述加载装置包括上压板、下压板，所述采集装置包括称重传感器、位移传感器、摄像机、光源、数据记录器和计算机，所述支撑装置包括第一支柱、底板、框架、工作台、支架、柱体、第二支柱、第三支柱和连接柱；

所述工作台的内部设有驱动机构，所述柱体的一端固定连接在工作台、另一端上固定连接有框架，所述第一支柱的一端固定连接在框架上、另一端连接所述称重传感器，所述第二支柱的一端穿过工作台与其中的驱动机构连接、另一端固定连接所述底板，所述支架的一端固定连接在底板上、另一端连接所述摄像机，所述第三支柱的一端固定连接在工作台上、另一端连接所述光源；

所述上压板通过连接柱与称重传感器连接，所述下压板固定连接在底板上，所述试样盒置于上压板和下压板之间，在所述试样盒内放置试样，通过所述驱动机构驱动第二支柱做垂直的升降运动，进而带动所述下压板对所述试样盒中的试样进行单轴压缩试验；

所述称重传感器和位移传感器记录的数据通过数据记录器传输给计算机，所述摄像机获取试样盒的图像传输给计算机，通过所述计算机上的数据处理软件处理分析图像，并基于记录的数据确定试样的任何区域内所有点的位移和应变。

进一步地，所述数据记录器的输入端设有若干个连接器、输出端设有计算机连接端口。

进一步地，所述称重传感器和位移传感器分别通过数据线连接两个连接器，以分别将其模拟信号输入所述数据记录器中。

进一步地，所述计算机通过数据线连接计算机连接端口，以接收所述数据记录器输出的数据。

进一步地，所述数据记录器还包括称重传感驱动器、放大电路板和开发板，所述计算机连接端口在开发板上，所述开发板上设有微控制器。

进一步地，所述微控制器包括模数转换器，将所述称重传感器和位移传感器的模拟信号进行数字化，传输到所述计算机中作为数字数据存储。

进一步地，所述位移传感器为LVDT微型线性传感器，所述摄像机为CCD摄像机。

进一步地，所述光源由LED灯阵列和白色漫射板组成。

进一步地，所述数据处理软件为MATLAB软件。

为实现上述目的，本发明采用了另一种技术方案：一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量方法，利用上述任一项所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，包括如下步骤：

制备试样，再放入标准养护室养护一段时间；

将试样放入所述试样盒中，将所述试样盒放在上压板和下压板之间，进行所述称重传感器的零负载读出，将所述位移传感器设置为零读数；

通过调节所述支架，确定所述试样盒与摄像机的工作距离，使所述摄像机的成像镜头对准试样盒的中心；

启动所述数据处理软件，设置图像采集参数、保存路径，并调整所述光源的角度和亮度，准备开始压缩试验和图像采集；

再次检查仪器和系统，确保各方面正常工作，开启所述驱动机构，通过所述下压板的升降对试样盒中的试样进行单轴压缩试验，其中，所述称重传感器和位移传感器的读数通过数据记录器传输至计算机上，同时所述摄像机进行图像采集，采集的试样图像自动存储；

通过所述计算机上的数据处理软件处理分析采集到的图像，对图像进行阈值分割得到二值图像，并进行透视校正和尺寸测量，最后进行圆检测与中心确定，计算出试样的任何区域内所有点的位移和应变。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)利用基于计算机视觉的非接触测量方法对无侧限压缩过程中的变形进行测量，克服了传统接触测量试验装置带来的诸多问题，具有光路简单，对环境要求较低、非接触等优点；(2)该测量装置采用CCD摄像机逐帧采集粘土试样任意时刻的时间位移图像，通过计算机对图像进行透视校正和尺寸测量之后，对图像进行阈值分割得到二值图像，最后进行圆检测与中心确定，并用电子表格实时记录载荷、变形和瞬时试样尺寸数据，可计算出任何选定区域内所有点的位移和应变，进而实现全场测量，这大大简化了操作者的操作过程，同时提高了粘土试样形变的测量速度与精度。

附图说明

图1是本发明的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置前视图；

图2是本发明的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置侧视图；

图3是本发明的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置的组成示意图；

图4是本发明的数据记录器的结构示意图。

其中：1-上压板，2-试样盒，3-第一支柱，4-底板，5-称重传感器，6-框架，7-位移传感器，8-摄像机，9-光源，10-数据记录器，11-计算机，12-工作台，13-支架，14-连接器，15-计算机连接端口，16-称重传感驱动器，17-放大电路板，18-Arduino开发板，19-柱体，20-下压板，21-加载装置，22-驱动机构，23-采集装置，24-支撑装置，25-第二支柱，26-数据线，27-数据处理软件，28-微控制器，29-模数转换器，30-第三支柱，31-连接柱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

如图1-3所示，本发明的实施例公开了一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，包括加载装置21、试样盒2、采集装置23、支撑装置24，所述加载装置21包括上压板1、下压板20，所述采集装置23包括称重传感器5、位移传感器7、摄像机8、光源9、数据记录器10和计算机11，所述支撑装置24包括第一支柱3、底板4、框架6、工作台12、支架13、柱体19、第二支柱25、第三支柱30和连接柱31。

所述工作台12放置在一固定的操作平面上，在所述工作台12的内部设有驱动机构22。所述柱体19的一端固定连接在工作台12、另一端上固定连接有框架6。优选的，所述柱体19的数量为两根，所述框架6的两端分别固定连接在两个柱体19上。优选的，所述柱体19的材料为不锈钢。所述第一支柱3的一端固定连接在框架6上、另一端连接所述称重传感器5。所述第二支柱25的一端穿过工作台12与其中的驱动机构22连接、另一端固定连接所述底板4。所述支架13的一端固定连接在底板4上、另一端连接所述摄像机8。所述第三支柱30的一端固定连接在工作台12上、另一端连接所述光源9。

所述上压板1通过连接柱21与称重传感器5连接，所述下压板20固定连接在底板4上，所述试样盒20置于上压板1和下压板20之间，在所述试样盒20内放置试样，例如，试样呈圆柱体放置在所述试样盒2中。优选的，所述试样盒2为圆柱体。通过所述驱动机构22驱动第二支柱25做垂直的升降运动，进而带动所述下压板20对所述试样盒2中的试样进行单轴压缩试验。

所述称重传感器5固定连接在第一支柱3，所述位移传感器7的两端分别固定连接在底座4和柱体19上，所述称重传感器5和位移传感器7分别用于测量轴向荷载与应变，也即轴向的重量和位移。优选的，所述位移传感器7为LVDT微型线性传感器。

所述摄像机8固定连接在支架13上，位于所述试样盒2的一侧，对准所述试样盒2，并与所述计算机11连接。优选的，所述摄像机8为CCD摄像机。优选的，所述摄像机8通过数据线26与计算机11相连。所述摄像机8可以获取试样盒2的图像，并将采集的图像传输给所述计算机11，通过安装其上的数据处理软件27对图像进行处理和分析。所述摄像机8的特定属性可以通过数据处理软件27的命令自动设置，并以指定的时间间隔获取图像。优选的，所述数据处理软件27为MATLAB软件。

所述光源9固定连接在第三支柱30上，位于所述试样盒2的另一侧，对准所述试样盒2，以粘土试样为背景，可以通过直流降压稳压器调节光强度。优选的，所述光源9由LED灯阵列和白色漫射板组成。例如，LED灯为12V。

所述数据记录器10可以放置在工作台12上，所述数据记录器10的输入端设有若干个连接器14、输出端设有计算机连接端口15。优选的，所述数据记录器10的形状为长方体，其输入端和输出端分别位于两侧。优选的，所述连接器14为D-Sub九针连接器。优选的，所述连接器14的数量为两个，所述称重传感器5和位移传感器7分别通过数据线26连接两个连接器14，以分别将其模拟信号输入所述数据记录器10中。所述计算机11通过数据线26连接计算机连接端口15，以接收所述数据记录器10输出的数据。

如图4所示，所述数据记录器10包括连接器14、计算机连接端口15、称重传感驱动器16、放大电路板17和开发板18，所述计算机连接端口15在开发板18上，所述称重传感驱动器16可以通过放大电路板17与开发板18相连，也可以直接与开发板18相连。所述开发板18上设有微控制器28，所述微控制器28包括模数转换器(ADC)29。优选的，所述开发板18为Arduino开发板。

所述数据记录器10可以是利用基于微控制器28的开发板18开发的双通道数据记录器。所述Arduino开发板18的通信是通过串行数据传输完成的，代码可以是用C++语言编写的。所述微控制器28可与MATLAB软件兼容，通过单一的MATLAB代码，将图像采集、传感器数据采集、图像处理、图像分析和所有数据被记录到单个电子表格中。

所述微控制器28可以通过高精度24位模数转换器29，实现所述称重传感器5和位移传感器7的实时模拟信号的数字化，通过串行通信传输到所述计算机11，并作为数字数据存储用于所述计算机11。所述称重传感驱动器16将称重传感器5的模拟信号通过模数转换器29转换成ADC数字数据，再通过所述放大电路板17放大数字数据(例如，24位)，所述位移传感器7的数据可以使用MATLAB代码命令直接获取。优选的，所述微控制器28为ATmega228P微控制器或HX711微控制器。

基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量的具体流程如下：

1.制备试样(例如，圆柱体粘土)，再放入标准养护室养护一段时间，例如，24h。

2.将试样放入所述试样盒2中，注意保持试样顶部与底部平行，然后将所述试样盒2放在上压板1和下压板20之间，进行所述称重传感器5的零负载读出，将所述位移传感器7设置为零读数。

3.通过调节所述支架13，确定所述试样盒2与摄像机8的工作距离，使所述摄像机8的成像镜头对准试样盒2的中心。

4.启动所述数据处理软件27，设置图像采集参数、保存路径，并调整所述光源9的角度和亮度，准备开始压缩试验和图像采集。

5.再次检查仪器和系统，确保各方面正常工作，开启所述驱动机构22，通过所述下压板20的升降对试样盒2中的试样进行单轴压缩试验，其中，所述称重传感器5和位移传感器7的读数通过数据记录器10传输至计算机11上，同时所述摄像机8进行图像采集，采集的试样图像自动存储，例如，存储在之前建立的文件夹中。

6.通过所述计算机11上的数据处理软件27处理分析采集到的图像，对图像进行阈值分割得到二值图像，并进行透视校正和尺寸测量，最后进行圆检测与中心确定，可计算出试样的任何区域内所有点的位移和应变。

为了使本发明中的试验装置及方法可操作性更强，给出了本发明中的测量装置及方法中涉及的主要参数建议值，需要指出的是，在进行实际操作时，上述参数可进行更改，且均应包含在本发明的保护范围内。

所述称重传感器5的容量为0～500N，所述位移传感器7的容量为0～25mm，本测量装置的负载容量为50KN。

所述试样盒2为直径为38mm、高度为80mm的圆柱体。

所述摄像机8具有高分辨率、快速自动聚焦和支持使用MATLAB软件的能力，所述摄像机8具有22毫米焦距。

所述数据记录器10的尺寸为12×8×4cm，重量小于100g。

为更好地应用本发明的装置测量粘土试样的应变，以下对此装置的MATLAB软件代码解译方法举例说明。

所述摄像机8进行图像采集时，MATLAB软件提供了一个应用工具箱来执行摄像机标定中的所有基本任务。通过使用代码中的preview vid()命令，相机开始预览背景，使用getsnapshot(vid)命令，getsnapshot(vid)函数立即返回单个图像帧。所述摄像机8自动捕获一个帧并将其保存在目录中，即从背景中获取实时的时间推移图像。输出图像将以命令win-dow中的RGB矩阵的形式显示。

图像对比度增强。彩色图像的对比度增强只能将其转换为具有强度的颜色空间，如Lab颜色空间。然而在灰度阈值中，颜色不被保留，并且圆柱体的亮边使得阈值不准确。LAB阈值提供了实用的解决方案，使得在将图像从RGB转换到LAB颜色空间之后，对亮度(L)的操作仅影响像素的强度，同时保留原始颜色。使用MATLAB图像处理工具箱进行手工处理，确定阈值亮度(L)值。

图像的阈值分割与二值化。通过所述摄像机8获取RGB图像后，将其转换成LAB颜色空间。LAB颜色空间转换是表示颜色从一种基础转换到另一种基础。在计算机视觉分析工作全部完成之后，颜色空间可以恢复到RGB图像，用于可视化和打印。MATLAB代码提供了颜色转换函数，为makecform()函数。Lab组件的最大和最小阈值分别作为ChannelMax和ChannelMin函数。然后，根据选择图像的阈值建模代码如下：

BW＝((I(:,:,1)>＝channel1Min)丨(I(:,:,1)<＝channel1Max))&...

(I(:,:,2)>＝channel2Min)&(I(:,:,2)<＝channel2Max)&...

(I(:,:,3)>＝channel3Min)&(I(:,:,3)<＝channel3Max)；

基于输入图像的输出掩蔽图像被初始化为：

maskedRGBImage＝BW；

将背景像素设置为BW(假零)，如下所示：

maskedRGBImage(repmat(～BW，[1 1 1 3]))＝0；

圆检测与中心确定。因阈值分割过程中存在透视失真，在得到二值图像后，还要透视校正。为了检测图像中的圆，使用了imfindcircles函数。该函数使用CHT来检测图像中的圆。在CHT中，半径ri和中心(ai，bi)的圆可以用如下参数方程描述：

xi＝ai+ricosφ (1)

yi＝bi+risinφ (2)

其中，角度的范围在0°和360°之间，点(x i，y i)跟踪圆的周长。如果图像包含许多点，并且其中一些点落在圆周上，则MATLAB算法搜索参数三元组(ai,bi,ri)来描述圆。下面的函数给出了圆的中心坐标和半径：

[centers,radii]＝imfindcircles(A,radiusRange)；

由于选择较宽的无限长圆环可能会在框架中找不到，所以应该选择一个合适的范围。图像中的圆是已知大小的物体，到所述摄像机8的距离以及所述摄像机8的分辨率是固定的。因此，使用imshow()函数设置了一个狭窄范围用于可视化以及检测圆的最终图像。然后，使用函数viscircles用于循环检测，imwrite()函数将图像文件保存在一个目录中。

样品高度和最大宽度测量。该测量装置可以同时测量轴向变形和径向变形，所以需要进行样品高度和最大宽度测量。下面给出用于确定高度和样本最大宽度的代码：

L＝bwlabel(BW)；

s＝regionprops(L)；

Rectangle(‘Position’,b,‘EdgeColor’,‘r’)；

函数bwlabel(BW)表示返回一个矩阵L，它包含BW中连接的对象标记。标记为“0”的像素是背景，标记为“1”的像素表示二进制图像中的对象。函数regionprops测量矩阵L中标记的一组对象属性。矩形框使用BoundingBox函数定义顶部、底部、右部和左部位置。使用rectangle函数，绘制由检测到的样本组成的矩形边界。然后，使用代码xlswrite()命令在电子表格中记入负载、轴向变形、图像高度和最大图像宽度值。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)利用基于计算机视觉的非接触测量方法对无侧限压缩过程中的变形进行测量，克服了传统接触测量试验装置带来的诸多问题，具有光路简单，对环境要求较低、非接触等优点；(2)该测量装置采用CCD摄像机逐帧采集粘土试样任意时刻的时间位移图像，通过计算机对图像进行透视校正和尺寸测量之后，对图像进行阈值分割得到二值图像，最后进行圆检测与中心确定，并用电子表格实时记录载荷、变形和瞬时试样尺寸数据，可计算出其任何选定区域内所有点的位移和应变，进而实现全场测量，这大大简化了操作者的操作过程，同时提高了粘土试样形变的测量速度与精度。

值得说明的是：在本发明的描述中，“若干个”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：包括加载装置、试样盒、采集装置、支撑装置，所述加载装置包括上压板、下压板，所述采集装置包括称重传感器、位移传感器、摄像机、光源、数据记录器和计算机，所述支撑装置包括第一支柱、底板、框架、工作台、支架、柱体、第二支柱、第三支柱和连接柱；

所述工作台的内部设有驱动机构，所述柱体的一端固定连接在工作台、另一端上固定连接有框架，所述第一支柱的一端固定连接在框架上、另一端连接所述称重传感器，所述第二支柱的一端穿过工作台与其中的驱动机构连接、另一端固定连接所述底板，所述支架的一端固定连接在底板上、另一端连接所述摄像机，所述第三支柱的一端固定连接在工作台上、另一端连接所述光源；

所述上压板通过连接柱与称重传感器连接，所述下压板固定连接在底板上，所述试样盒置于上压板和下压板之间，在所述试样盒内放置试样，通过所述驱动机构驱动第二支柱做垂直的升降运动，进而带动所述下压板对所述试样盒中的试样进行单轴压缩试验；

所述称重传感器和位移传感器记录的数据通过数据记录器传输给计算机，所述摄像机获取试样盒的图像传输给计算机，通过所述计算机上的数据处理软件处理分析图像，并基于记录的数据确定试样的任何区域内所有点的位移和应变。

2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述数据记录器的输入端设有若干个连接器、输出端设有计算机连接端口。

3.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述称重传感器和位移传感器分别通过数据线连接两个连接器，以分别将其模拟信号输入所述数据记录器中。

4.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述计算机通过数据线连接计算机连接端口，以接收所述数据记录器输出的数据。

5.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述数据记录器还包括称重传感驱动器、放大电路板和开发板，所述计算机连接端口在开发板上，所述开发板上设有微控制器。

6.根据权利要求5所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述微控制器包括模数转换器，将所述称重传感器和位移传感器的模拟信号进行数字化，传输到所述计算机中作为数字数据存储。

7.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述位移传感器为LVDT微型线性传感器，所述摄像机为CCD摄像机。

8.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述光源由LED灯阵列和白色漫射板组成。

9.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：所述数据处理软件为MATLAB软件。

10.一种基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量方法，利用权利要求1-9任一项所述的基于计算机视觉的单轴试验自动应变测量装置，其特征在于：包括如下步骤：

制备试样，再放入标准养护室养护一段时间；

将试样放入所述试样盒中，将所述试样盒放在上压板和下压板之间，进行所述称重传感器的零负载读出，将所述位移传感器设置为零读数；

通过调节所述支架，确定所述试样盒与摄像机的工作距离，使所述摄像机的成像镜头对准试样盒的中心；

启动所述数据处理软件，设置图像采集参数、保存路径，并调整所述光源的角度和亮度，准备开始压缩试验和图像采集；

再次检查仪器和系统，确保各方面正常工作，开启所述驱动机构，通过所述下压板的升降对试样盒中的试样进行单轴压缩试验，其中，所述称重传感器和位移传感器的读数通过数据记录器传输至计算机上，同时所述摄像机进行图像采集，采集的试样图像自动存储；

通过所述计算机上的数据处理软件处理分析采集到的图像，对图像进行阈值分割得到二值图像，并进行透视校正和尺寸测量，最后进行圆检测与中心确定，计算出试样的任何区域内所有点的位移和应变。