CN112184668B - 一种PVC-gel材料偏转角度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字图像处理方法的PVC‑gel偏转角度测量方法，包括以下步骤：S01，将PVC‑gel材料布置在通电夹头上，通过相机获取PVC‑gel材料通电偏转视频；S02，将PVC‑gel材料通电偏转分解为时间序列图像，并进行数字量化处理；S03，对获取图像进行剪切分离，获取图像中PVC‑gel材料的外形信息；S04，通过数字图像处理方法，包括二值化、边缘检测方法提取图像特征；S05，通过基于多项式拟合方法，对获取的二值图像进行拟合分析；S06，获取拟合曲线的表达式，求解偏转角度，绘出关于时间的偏转角度变化曲线。本发明提供一种采用基于图像方法的非接触测量方式，快速准确，能够为软物质材料的变形检测提供有益的帮助。

Description

一种PVC-gel材料偏转角度测量方法
技术领域
本发明属于材料变形检测技术领域，具体涉及一种PVC-gel材料偏转角度测量方法。
背景技术
随着材料科学的不断发展，软物质材料以其特殊的材料特性广泛应用于智能机器人，微电子、生物医学、航空航天等领域，因此对软物质材料(如PVC-gel)的研究逐渐成为热门方向。
目前，PVC-gel具有多种力学特性，其中，电致变特性是众多性能中应用前景最为广阔，其采用的实验方法就是测量其在不同电压条件下材料偏转的角度。但由于其材料自身较软，自身存在一定变形，使用常规手段测量其偏转角度，存在难以克服的误差，如自身变形和通电变形之间的角度差值，前后测量条件不同而造成的误差等等，对材料的定量研究造成了一定的阻碍。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，采用基于数字图像处理方法的非接触测量方式，快速准确，能够为PVC-gel等软物质材料的变形检测提供有益的帮助。
一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于，包括：
S01、将PVC-gel材料通电；
S02、获取PVC-gel材料通电偏转视频，并分解为按时间排序的单帧图像，对单帧图像进行数字量化处理；
S03、获取单帧图像中PVC-gel材料的外形信息；
S04、对分割后得到的图像进行数字图像处理；；
S05、对二值化以后的图像进行拟合，分别通过一次和二次的多项式拟合，如果多项式曲线能够符合材料变形的形态，则选中该多项式用于拟合；
S06、根据步骤S05确定的多项式，求解PVC-gel材料偏转角度，绘出关于时间的偏转角度变化曲线。
进一步地，
所述对单帧图像进行数字量化处理为将图像变为一个二维数组用函数f(x，y)表示：
Figure BDA0002708233120000021
其中，x,y分别代表每个像素点在图像中的坐标，f(x,y)代表在点(x,y)处的灰度值，M代表图像横向的像素个数，N代表图像纵向的像素个数。
进一步地，
所述获取单帧图像中PVC-gel材料的外形信息包括：
选取图像中PVC-gel材料在实验过程中发生偏转的ROI区域，分离剪切出ROI区域。
进一步地，
所述数字图像处理方法为先进行边缘检测再进行二值化处理。
进一步地，
所述边缘检测方法包括Robert算子边缘检测、Sobel算子边缘检测、Prewitt算子边缘检测、LOG算子边缘检测或者Canny算子边缘检测。
进一步地，
所述二值化处理采用最大类间方差法。
进一步地，所述步骤S05中多项式为：
Figure BDA0002708233120000022
h(z)是关于z的函数表达式，其中ω0,ω1…ωm是不同时为0的常数，z是自变量，0～m是s的变化范围。
进一步地，
所述步骤S05中，一次多项式的拟合曲线如果符合材料变形的形态，则选用一次多项式h(z)＝ω0+ω1z，如果不能，则选择二次多项式h(z)＝ω0+ω1z+ω2z2，选择一次多项式时，直接取直线斜率，求出反切角；选择二次多项式时，取其凸点处切线斜率，求出其反切角，从而得到PVC-gel材料的偏转角度。
进一步地，
将PVC-gel材料通电，包括：将透明的PVC-gel材料全部涂黑，夹持在通电设备上。
本发明具有的有益效果：
1、本发明是非接触式材料变形测量的一种，测量过程不会对拉材料产生影响；
2、本发明通过图像方法，能够克服自身变形与通电后变形之间的测量误差；
3、根据多项式曲线是否吻合于材料变形形态来确定多项式阶数，可以提高材料变形测量的精度；
4、可以快速测量出PVC-gel等软物质材料在通电变形后，材料随时间变化的偏转角度变化。
附图说明
图1为本发明一种PVC-gel偏转角度测量方法的流程图；
图2为本发明中通电实验过程中图像；
图3为本发明中进行ROI区域选择后的图像；
图4为本发明中边缘检测后的图像；
图5为本发明中二值化后的图像；
图6为本发明中计算出通电实验后材料偏转角度的变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开一种基于数字图像处理方法的PVC-gel偏转角度测量方法，包括以下步骤：
步骤S01，将透明的PVC-gel材料全部涂黑，夹持在通电设备上，如图2所示，通电电压从0-1500V；
步骤S02，通过单反相机获取实验视频，将视频分离为按时间排序的单帧图像，图像量化后变为一个二维数组用函数f(x，y)表示，可以表示为公式(1)。
Figure BDA0002708233120000031
其中，x,y分别代表每个像素点在图像中的坐标，f(x,y)代表在该点处的灰度值，M代表图像横向的像素个数，N代表图像纵向的像素个数。
步骤S03，选取单帧图像中PVC-gel实验过程中发生偏转的ROI(region ofinterest)区域，并分离剪切出ROI区域，如图3所示。
步骤S04，通过边缘检测方法(包括Robert算子边缘检测、Sobel算子边缘检测；Prewitt算子边缘检测；LOG算子边缘检测以及Canny算子边缘检测)对图像形态进行分析，如图4所示。
采用最大类间方差法(Ostu)对图像进行二值化处理，如图5所示。
其中，Otsu算法的基本思想是用某一假定的灰度值t将图像的灰度分为两组，当两组的类间方差最大时，此灰度值t就是图像二值化的最佳阈值。假设图像有L个灰度值，那么灰度值的取值范围为0～L-1，在此范围内取灰度值T，将图像分成两组G_1和G_2，其中G_1包含的像素值在0～T，G_2的灰度值在T+1～L-1，用N表示图像图像像素总数，ni表示灰度值为i的像素的个数。求值过程如下：假设每一个灰度值i出现的概率pi＝ni/N，G1和G2两组像素个数在整体图像中所占的百分比为ω1和ω2，两组平均灰度值为μ1和μ2，则：
概率：
Figure BDA0002708233120000041
平均灰度值：
Figure BDA0002708233120000042
图像总的平均灰度值：μ＝μ1ω1+μ2ω2
类间方差为：g(t)＝ω1(μ1-μ2)2+ω2(μ1-μ2)2
最佳阈值为：T＝argmax(g(t))
步骤S05，通过多项式对图像中PVC-gel材料特征进行拟合，用于拟合图像中数据点的多项式可以表达为：
Figure BDA0002708233120000043
h(z)是关于z的函数表达式，其中ω0,ω1…ωm是不同时为0的常数，z是自变量，0～m是s的变化范围。
步骤S06，拟合曲线的表达式选择一次多项式h(z)＝ω0+ω1z或二次多项式h(z)＝ω0+ω1z+ω2z2，选择一次多项式时，直接取直线斜率，求出反切角；选择二次多项式时，取其凸点处切线斜率，求出其反切角。反切角是根据斜率数值求解出斜率直线与水平方向的夹角，此角度就是PVC-gel材料的偏转角度。
在某次通电的测试中，通过单反相机获取材料通电偏转的视频，对视频分割后得到按时间排序的单帧图像，对图像进行ROI区域选择、二值化处理后获取材料随时间偏转角度变化曲线，如图6所示。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于，包括：
S01、将PVC-gel材料通电；
S02、获取PVC-gel材料通电偏转视频，并分解为按时间排序的单帧图像，对单帧图像进行数字量化处理；
S03、获取单帧图像中PVC-gel材料的外形信息；
S04、对分割后得到的图像进行数字图像处理；
S05、对二值化以后的图像进行拟合，分别通过一次和二次的多项式拟合，如果多项式曲线能够符合材料变形的形态，则选中该多项式用于拟合；
S06、根据步骤S05确定的多项式，求解PVC-gel材料偏转角度，绘出关于时间的偏转角度变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
所述对单帧图像进行数字量化处理为将图像变为一个二维数组用函数f(x，y)表示：
Figure FDA0002708233110000011
其中，x,y分别代表每个像素点在图像中的坐标，f(x,y)代表在点(x,y)处的灰度值，M代表图像横向的像素个数，N代表图像纵向的像素个数。
3.根据权利要求1所述的一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
所述获取单帧图像中PVC-gel材料的外形信息包括：
选取图像中PVC-gel材料在实验过程中发生偏转的ROI区域，分离剪切出ROI区域。
4.根据权利要求1所述的一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
所述数字图像处理方法为先进行边缘检测再进行二值化处理。
5.根据权利要求4所述一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
边缘检测方法包括Robert算子边缘检测、Sobel算子边缘检测、Prewitt算子边缘检测、LOG算子边缘检测或者Canny算子边缘检测。
6.根据权利要求4所述一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
所述二值化处理采用最大类间方差法。
7.根据权利要求1所述一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
所述步骤S05中多项式为：
Figure FDA0002708233110000021
h(z)是关于z的函数表达式，其中ω0,ω1…ωm是不同时为0的常数，z是自变量，0～m是s的变化范围。
8.根据权利要求7所述一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：
所述步骤S05中，一次多项式的拟合曲线如果符合材料变形的形态，则选用一次多项式h(z)＝ω0+ω1z，如果不能，则选择二次多项式h(z)＝ω0+ω1z+ω2z2，选择一次多项式时，直接取直线斜率，求出反切角；选择二次多项式时，取其凸点处切线斜率，求出其反切角，从而得到PVC-gel材料的偏转角度。
9.根据权利要求1所述一种PVC-gel材料偏转角度测量方法，其特征在于：将PVC-gel材料通电，包括：将透明的PVC-gel材料全部涂黑，夹持在通电设备上。
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