CN115164753A - 一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法及系统，方法包括制作试样的标准化散斑图像；试样表面喷涂标准散斑应变片；采集试样形变加载前的初始图像；实时采集试样连续动态形变加载过程的当前图像；提取初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框；对初始图像和当前图像的候选框进行回归与分类处理，形成标准散斑应变片的应变计算数据组；基于标准散斑应变片的应变计算数据组，实时计算试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变，本发明设计的方法和系统可以实现非接触式、标准化和实时的应变测量，具有便捷高效、自动化、实时反馈等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光测实验力学、三维数字图像处理技术领域，具体为一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法及系统。
背景技术
随着国家工业的大力发展，产品力学性能中的变形检测已非常普及，广泛应用在汽车、航空航天、生物医疗、土木工程、轨道交通等行业，越来越多的新材料和新的结构需要通过材料或结构测试以验证其力学性能，准确、高效的检测产品的变形，一方面能够保证产品质量合格，另一方面能够验证材料和结构设计的合理性。
目前，材料或结构测试中的应变测量的视觉变形测量方法，一种是非接触式测量方法，例如中国专利CN103575227A公开了一种基于数据散斑的视觉引伸计实现方法，是根据数字散斑识别和变形测量实现全场的变形测量，此方法中数字散斑是通过人工方式到喷涂被测件上、制作散斑和相机标定过程复杂、采用的是先采集后计算的方式，存在无法实现标准化、计算效率低、无法实现实时测量和反馈、无法应用于更广泛的测量场景的问题；另一种是接触式测量方法，例如中国专利CN215766881U公开了一种接触式应变仪，是通过与被测件直接接触，根据电阻器的变化实现应变测量，此种测量方法能够实现局部的应变测量，但其仅是一维方向的应变测量，无法满足全面数据的测量需求，同时在试验加载速度较快时，此种方法具有无法及时响应无法获得测量数据的问题。
发明内容
为了解决非接触应变测量方法中无法实现标准化、计算效率低、无法实现实时测量和反馈，以及接触式应变测量方法中测量局限性高、试验加速时不能及时响应的问题，本发明设计了一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法及系统，其可以非接触式、标准化、实时的反馈应变测量结果，具有便捷高效、自动化、适用于广泛测量场景等特点。
实现发明目的的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，包括以下步骤：
S1、制作试样的标准化散斑图像；
S2、试样表面喷涂标准散斑应变片；
S3、采集试样形变加载前的初始图像；
S4、实时采集试样连续动态形变加载过程的当前图像；
S5、提取初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框；
S6、对初始图像和当前图像的候选框进行回归与分类处理，形成标准散斑应变片的应变计算数据组；
S7、基于标准散斑应变片的应变计算数据组，实时计算试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变。
进一步的，步骤S5中，初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框的提取方法为：基于三维DIC计算分析系统，分别对初始图像和当前图像内标准散斑应变片识别，获得与每一个标准散斑应变片对应的候选框。
进一步的，步骤S5中，初始图像的候选框包括n个标准散斑应变片形成的第一候选框集合A＝{a1、……、an－1、an}；当前图像的候选框包括n个标准散斑应变片形成的第二候选框集合B＝{b1、……、bn－1、bn}；
步骤S6中，标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn}。
更进一步的，步骤S4中，当前图像包括试件连续动态k次形变加载过程的当前图像1、当前图像2、……、当前图像k；
步骤S5中，第二候选框集合B包括B1、B2、……、Bk－1、Bk；
步骤S6中，标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn1、Bn2、……、Bn(k－1)、Bnk}。
进一步的，步骤S7中，试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变计算方法为：基于标准散斑应变片的应变计算数据组，将第二候选框集合B中数据与第一候选框集合A进行计算，获得试样上涂覆该标准散斑应变片位置在不同形变加载过程的平均应变。
进一步的，步骤S6中，初始图像和当前图像的候选框回归与分类的处理方法为：基于三维DIC计算分析系统，采用深度学习法对初始图像和当前图像内候选框进行比对分析，将当前图像中标准散斑应变片的候选框与初始图像内该标准散斑应变片的候选框进行一一对应，形成标准散斑应变片的应变计算数据组。
进一步的，步骤S1中，试样的标准化散斑图像制作方法为：基于试样形状及试样上应变测量位置需求设计，标准化散斑图像包括若干个标准化散斑。
更进一步的，若干个标准化散斑的规格相同或不同，且各个标准化散斑内包括若干个均匀分布的散斑点。
第二方面，本发明提供了一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量系统，其采用第一方面的实时非接触应变测量方法对试件在动态加载过程中的应变进行实时测量，包括三维DIC计算分析系统、散斑制作系统、图像采集系统，所述三维DIC计算分析系统包括标准散斑应变片识别模块、DIC实时计算分析模块。
所述标准散斑应变片识别模块用于对所述图像采集系统采集的形变加载前的初始图像以及连续动态形变加载过程的当前图像进行识别，获得初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框；用于对初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框进行回归与分类处理，并形成标准散斑应变片的应变计算数据组。
所述DIC实时计算分析模块依据对应变计算数据组，对试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变进行计算。
进一步的，所述散斑制作系统包括标准化散斑图像生成装置、标准化散斑应变片喷涂装置；所述标准化散斑图像生成装置用于依据试样形状及试样上应变测量位置需求，设计该试样的标准化散斑图像，所述标准化散斑图像内包括若干个标准化散斑。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明设计的方法相比基于数据散斑的视觉引伸计实现方法具有以下优点：一方面散斑制作为同应变片规格一致大小，可以实现标准化测量和分析；另一方面应变计算不需要全场测量，只需要用户在试件上具有应变测试需求的位置涂覆标准散斑应变片即可，其对计算机算力要求降低，可以实现实时测量；第三方面，本发明的方法为非接触测量方法，能够标准化和实时反馈，可满足广泛的测量需求；第四方面，标准散斑应变片制作方便，且测试时不需要对试件上标准散斑应变片与相机进行标定。
2、本发明设计的方法相比接触式测量方法(例如静态电阻应变仪)，只需要通过图像采集系统对试件的动态加载过程实时拍摄获得当前图像，通三维DIC计算分析系统就可以实时计算在不同形变加载过程时，试件上涂覆标准散斑应变片位置的应变情况，具有精度高、操作简单、使用场景范围广的优点，仅能提供单一维方向的测量结果。本发明采用非接触式测量方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明中基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法的流程图；
图2为具体实施方式中基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法的流程原理框图；
图3为本发明中基于标准数字散斑的实时非接触应变测量系统的系统框图；
图4为本发明中基于标准数字散斑的实时非接触应变测量系统的系统连接示意图；
其中，100.三维DIC计算分析系统；2.散斑制作系统；3.图像采集系统；400.试件；500.标准散斑应变片；101.标准散斑应变片识别模块；102.DIC实时计算分析模块；201.标准化散斑图像生成装置；202.标准化散斑应变片喷涂装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例公开了一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，如图1和图2所示，实时非接触应变测量方法，包括以下步骤：
S1、制作试样的标准化散斑图像。
本步骤S1，试样的标准化散斑图像制作方法为：基于试样形状及试样上应变测量位置需求设计，标准化散斑图像包括若干个标准化散斑。具体的，标准化散斑图的形状与试样形状相同，标准化散斑是根据试样应变测试需求进行设计的，例如当试样上有3个或5个应变测试位置时，对每个应变测试位置分别设计标准化散斑，此时标准化散斑图像内包括3个或5个标准化散斑，标准化散斑的位置与试样上需要测试的位置一一对应。
根据试件上不同位置的应变情况，标准化散斑图像内各个标准化散斑的规格可以相同，也可以不同。当试件上不同位置的应变情况都相同时，则标准化散斑图像内各个标准化散斑的规格可以选择相同规格，例如3＊3或5＊5或其他规格；当试件上不同位置的应变情况不同时，则标准化散斑图像内标准化散斑可以选择不同的规格，例如应变变化快的位置可以选择小规格的标准化散斑(如3＊3)，应变变化缓慢的位置可以选择大规格的标准化散斑(5＊5)。
再者，为了下述步骤S7中每一个标准散斑应变片的平均应变的计算，各个标准化散斑内包括若干个均匀分布的散斑点，例如3＊3规格的标准化散斑内包括60～100个均匀分布的散斑点，5＊5规格的标准化散斑内包括80～120个均匀分布的散斑点。
在此需要说明的是，标准化散斑图像的分辨率需要与试件的分辨率保持对应，以确保图像采集系统对试件以及试件上涂覆的标准化散斑图像准确的识别。
S2、试样表面喷涂标准散斑应变片。
应变测试前，采用自动喷枪将制作的标准化散斑图像喷涂到试件上形成标准散斑应变片，其中标准化散斑图像内标准化散斑对应于试件上应变测试位置的一个标准散斑应变片，且为了下述步骤S6中便于对候选框进行回归与分类处理，涂覆的标准散斑应变片可以通过颜色进行区分，也可以通过编号进行区分，当然也可以通过标准散斑应变片在试件上的相对位置进行区分。
S3、采集试样形变加载前的初始图像。
S4、实时采集试样连续动态形变加载过程的当前图像。
步骤S3和S4中试样图像是通过图像采集系统进行实时采集的，图像采集系统采集的图像输出至三维DIC计算分析系统进行处理和分析。
在步骤S4中，每进行一次形变加载，都需要采集形变加载后当前状态下的当前图像，当前图像包括试件连续动态k次形变加载过程的当前图像1、当前图像2、……、当前图像k，其中，可以在各当前图像加载形变加载时间进行区分，也可以通过形变加载时间进行编号区分。
S5、提取初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框。
本步骤中，初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框的提取方法为：基于三维DIC计算分析系统，分别对初始图像和当前图像内标准散斑应变片识别，获得与每一个标准散斑应变片对应的候选框。需要说明的是：本步骤中提取的候选框范围应大于标准散斑应变片所在范围，以确保将标准散斑应变片上所有的散斑点囊括在内。
S6、对初始图像和当前图像的候选框进行回归与分类处理，形成标准散斑应变片的应变计算数据组。
本步骤中，初始图像和当前图像的候选框回归与分类的处理方法为：基于三维DIC计算分析系统，采用深度学习法对初始图像和当前图像内候选框进行比对分析，将当前图像中标准散斑应变片的候选框与初始图像内该标准散斑应变片的候选框进行一一对应，形成标准散斑应变片的应变计算数据组。
具体的，初始图像的候选框包括n个标准散斑应变片形成的第一候选框集合A＝{a1、……、an－1、an}，当前图像的候选框包括n个标准散斑应变片形成的第二候选框集合B＝{b1、……、bn－1、bn}。例如，当试样上有n＝3个应变测试位置时，此时第一候选框集合A＝{a1、a2、a3}，当前图像的候选框的第二候选框集合B＝{b1、b2、b3}，此时该试件一共有3个应变计算数据组，且步骤S6中各标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn}。
更具体的，试件连续进行k次变形加载时，即当前图像的第二候选框集合B包括B1、B2、……、Bk－1、Bk，此时步骤S6中，各标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn1、Bn2、……、Bn(k－1)、Bnk}。例如，当试件上有n＝3个应变测试位置时，且连续进行k＝6次变形加载时，此时该试件一共有3个应变计算数据组，且各标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn1、Bn2、Bn3、Bn4、Bn5、Bn6}。
S7、基于标准散斑应变片的应变计算数据组，实时计算试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变。
本步骤中，试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变计算方法为：基于标准散斑应变片的应变计算数据组，将第二候选框集合B中数据与第一候选框集合A进行计算，获得试样上涂覆该标准散斑应变片位置在不同形变加载过程的平均应变。
具体的，以试件上n＝3个应变测试位置，且连续进行k＝6次变形加载时，为例，对试样上涂覆标准散斑应变片的第二个应变测试位置(即n＝2)的平均应变计算为例进行说明：第二个应变测试位置的标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{A2、B21、B22、B23、B24、B25、B26}，应变测试加载过程中，实时计算第二个应变测试位置的标准散斑应变片的应变结果，例如，第一次形变加载完后获取当前图像1，对当前图像1提取获得第二候选框集合为B21，对初始图像提取获得第一候选框集合A2，通过三维DIC计算分析系统分别对第二候选框集合为B21与第一候选框集合A2内各散斑点进行计算后计算平均值，即可得到试样上涂覆标准散斑应变片的第二个测试位置的平均应变。
本发明设计的方法相比基于数据散斑的视觉引伸计实现方法具有以下优点：一方面散斑制作为同应变片规格一致大小，可以实现标准化测量和分析；另一方面应变计算不需要全场测量，只需要用户在试件上具有应变测试需求的位置涂覆标准散斑应变片即可，其对计算机算力要求降低，可以实现实时测量；第三方面，本发明的方法为非接触测量方法，能够标准化和实时反馈，可满足广泛的测量需求；第四方面，标准散斑应变片制作方便，且测试时不需要对试件上标准散斑应变片与相机进行标定。
本发明设计的方法相比接触式测量方法(例如静态电阻应变仪)，只需要通过图像采集系统对试件的动态加载过程实时拍摄获得当前图像，通三维DIC计算分析系统就可以实时计算在不同形变加载过程时，试件上涂覆标准散斑应变片位置的应变情况，具有精度高、操作简单、使用场景范围广的优点，仅能提供单一维方向的测量结果。本发明采用非接触式测量方法。
实施例2：
本实施例公开了一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量系统，其采用实施例1的实时非接触应变测量方法对试件在动态加载过程中的应变进行实时测量，如图3和图4所示，实时非接触应变测量系统包括三维DIC计算分析系统100、散斑制作系统200、图像采集系统300。
其中，如图3所示，所述三维DIC计算分析系统100包括标准散斑应变片识别模块101、DIC实时计算分析模块102。
具体的，所述标准散斑应变片识别模块101用于对所述图像采集系统300采集的形变加载前的初始图像以及连续动态形变加载过程的当前图像进行识别，获得初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框；还用于对初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框进行回归与分类处理，并形成标准散斑应变片的应变计算数据组。
所述DIC实时计算分析模块102依据对应变计算数据组，对试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变进行计算。
其中，如图3所示，所述散斑制作系统200包括标准化散斑图像生成装置201、标准化散斑应变片喷涂装置202；所述标准化散斑图像生成装置201用于依据试样形状及试样上应变测量位置需求，设计该试样的标准化散斑图像，所述标准化散斑图像内包括若干个标准化散斑。标准化散斑应变片喷涂装置202用于依据生成的标准化散斑图像，在试件400上涂覆标准散斑应变片500。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作试样的标准化散斑图像；
S2、试样表面喷涂标准散斑应变片；
S3、采集试样形变加载前的初始图像；
S4、实时采集试样连续动态形变加载过程的当前图像；
S5、提取初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框；
S6、对初始图像和当前图像的候选框进行回归与分类处理，形成标准散斑应变片的应变计算数据组；
S7、基于标准散斑应变片的应变计算数据组，实时计算试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变。
2.根据权利要求1所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：步骤S5中，初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框的提取方法为：基于三维DIC计算分析系统，分别对初始图像和当前图像内标准散斑应变片识别，获得与每一个标准散斑应变片对应的候选框。
3.根据权利要求2所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：步骤S5中，初始图像的候选框包括n个标准散斑应变片形成的第一候选框集合A＝{a1、……、an－1、an}；当前图像的候选框包括n个标准散斑应变片形成的第二候选框集合B＝{b1、……、bn－1、bn}；
步骤S6中，标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn}。
4.根据权利要求3所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：步骤S4中，当前图像包括试件连续动态k次形变加载过程的当前图像1、当前图像2、……、当前图像k；
步骤S5中，第二候选框集合B包括B1、B2、……、Bk－1、Bk；
步骤S6中，标准散斑应变片的应变计算数据组为集合{An、Bn1、Bn2、……、Bn(k－1)、Bnk}。
5.根据权利要求3或4所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：步骤S7中，试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变计算方法为：基于标准散斑应变片的应变计算数据组，将第二候选框集合B中数据与第一候选框集合A进行计算，获得试样上涂覆该标准散斑应变片位置在不同形变加载过程的平均应变。
6.根据权利要求1所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：步骤S6中，初始图像和当前图像的候选框回归与分类的处理方法为：基于三维DIC计算分析系统，采用深度学习法对初始图像和当前图像内候选框进行比对分析，将当前图像中标准散斑应变片的候选框与初始图像内该标准散斑应变片的候选框进行一一对应，形成标准散斑应变片的应变计算数据组。
7.根据权利要求1所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：步骤S1中，试样的标准化散斑图像制作方法为：基于试样形状及试样上应变测量位置需求设计，标准化散斑图像包括若干个标准化散斑。
8.根据权利要求7所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量方法，其特征在于：若干个标准化散斑的规格相同或不同，且各个标准化散斑内包括若干个均匀分布的散斑点。
9.一种基于标准数字散斑的实时非接触应变测量系统，包括三维DIC计算分析系统、散斑制作系统、图像采集系统，其特征在于：所述三维DIC计算分析系统包括标准散斑应变片识别模块、DIC实时计算分析模块；
所述标准散斑应变片识别模块用于对所述图像采集系统采集的形变加载前的初始图像以及连续动态形变加载过程的当前图像进行识别，获得初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框；用于对初始图像和当前图像中标准散斑应变片的候选框进行回归与分类处理，并形成标准散斑应变片的应变计算数据组；
所述DIC实时计算分析模块依据对应变计算数据组，对试样上涂覆标准散斑应变片位置的平均应变进行计算。
10.根据权利要求9所述的基于标准数字散斑的实时非接触应变测量系统，其特征在于：所述散斑制作系统包括标准化散斑图像生成装置、标准化散斑应变片喷涂装置；
所述标准化散斑图像生成装置用于依据试样形状及试样上应变测量位置需求，设计该试样的标准化散斑图像，所述标准化散斑图像内包括若干个标准化散斑。
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2022
- 2022-05-18 CN CN202210546795.0A patent/CN115164753A/zh active Pending
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