JP2012047465A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 標線位置計算範囲の設定を自動で行うことが可能な材料試験機を提供する。
【解決手段】 試験実行前の試験片に貼着した標線シールの画像データから標線の色濃度プロファイルを作成するテンプレート作成部６１と、標線の色濃度プロファイルを記憶する記憶部６４と、試験片の色濃度プロファイルを作成するための領域を設定する色濃度計算領域設定部６２と、標線シールを貼着した試験片の画像データから試験片の色濃度プロファイルを作成するプロファイル作成部７１と、記憶部６４に記憶したテンプレートと試験片の色濃度プロファイルとの正規化相関係数によるテンプレートマッチングを行う相関係数演算部７２と、得られた相関係数から標線位置を決定する標線位置決定部７３と、その標線位置に基づいて標線位置計算範囲を設定する標線位置計算範囲設定部７４を備える。
【選択図】 図３

Description

この発明は、標線位置計算範囲の自動設定機能を備えた材料試験機に関する。

試験片に引張荷重を付与して、その伸びを計測する材料試験機は、例えば、テーブル上にモータの回転により同期して回転自在に立設された一対のねじ棹と、それらのねじ棹にナットを介して上下動可能に支持されたクロスヘッドと、テーブルとクロスヘッドのそれぞれに連結されたつかみ具等の治具とから構成される。そして、試験片の両端をつかみ具に把持させた状態でクロスヘッドを移動させることにより、引張荷重を試験片に与える試験が実行されるとともに、試験片の伸びが変位測定手段により測定される。

このような材料試験機における変位測定手段の一つとして、ビデオ式非接触伸び計が知られている。先ず、ビデオ式非接触伸び計により変位測定を行う前には、予め標線マークを印刷等した標線シールを、試験片表面の所定の位置に貼着している。そして、試験実行中には、予め試験片の表面の所定の上下位置に付された標線マークをビデオカメラで撮影することで、得られた画像データから標線位置および標線間距離の変位量を算出している（特許文献１および特許文献２参照）。

このようなビデオ式非接触伸び計で伸びを測定するときには、つかみ具に把持された試験片の上下位置に貼着した標線シールの両方が１つのカメラの視野内に納まるように、ビデオカメラを配置している。そして、変位測定の分解能を高めるため、上下各々の標線を中心とする所定の領域（標線位置計算範囲）において、撮像素子間の補完計算を行う伸び計も提案されている（特許文献３参照）。なお、標線位置計算範囲は、この試験片に付与された引張荷重により刻々と変化する標線位置に追従して移動し、標線位置計算範囲では、その領域内の画像データから標線位置がリアルタイムで計算される。

特開平１１−２３７２１５号公報 特開平１１−０９４７１９号公報 特開２００９−２１６４９４号公報

ところで、標線位置計算範囲は、材料試験実行前に、オペレータにより指定される。具体的には、オペレータが、試験片をつかみ具に把持させた状態のビデオカメラからの画像を見ながら、材料試験機のオペレーション用パーソナルコンピュータに接続されたマウス等を用いて指定していた。

また、カメラ位置とレンズは、試験に供する材料の性質等により変更され、例えばゴムなどの伸びの大きな材料を試験する場合には、この材料が破断するまで上下標線位置周辺の画像データを収集する必要があるため、カメラの視野が大きくなるように設定される。

しかしながら、このようにカメラの視野を大きくした場合には、ビデオカメラの撮影画像を表示する画面上で、標線が相対的に小さく表示されることになる。このため、オペレータの目視に頼った手動による標線位置計算範囲設定では、標線位置計算範囲の設定に手間がかかるという問題があった。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、標線位置計算範囲の設定を自動で行うことが可能な材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、試験片に対して試験力を付与するとともに、試験片の伸びをビデオ式非接触伸び計により測定する材料試験機において、標線周辺領域の画像データから、前記試験片に付される標線の色濃度プロファイルを作成するテンプレート作成手段と、前記テンプレート作成手段により作成された前記標線の色濃度プロファイルを記憶する記憶手段と、前記試験片の色濃度計算領域を設定する色濃度計算領域設定手段と、前記色濃度計算領域の画像データから、試験実行前の標線が付された試験片の色濃度プロファイルを作成するプロファイル作成手段と、前記プロファイル作成手段により作成された前記試験片の色濃度プロファイルと、前記標線の色濃度プロファイルとの相関を求める相関係数演算手段と、前記相関係数演算手段により算出された相関係数に基づいて、試験実行前の標線位置を決定する標線位置決定手段と、前記標線位置決定手段により決定された標線位置に基づいて、試験実行中に標線位置計算が行なわれる領域を設定する標線位置計算範囲設定手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記テンプレート作成手段は、前記標線周辺領域における材料試験機の負荷軸と直交する方向に列設する各画素の階調値を合算した値を、負荷軸方向にプロットして前記標線の色濃度プロファイルを作成し、前記プロファイル作成手段は、前記色濃度計算領域における材料試験機の負荷軸と直交する方向に列設する各画素の階調値を合算した値を、負荷軸方向にプロットして前記試験片の色濃度プロファイルを作成する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記標線は、予め標線マークが印刷された標線シールを前記試験片に貼着することにより前記試験片に付されるとともに、前記標線周辺領域は、前記標線シールの大きさである。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記色濃度計算領域の画像データに対して画像の平均化を行う画像平均化手段を備える。

請求項１に記載の発明によれば、ビデオカメラにより撮像した画像データから作成された標線の色濃度プロファイルと試験片の色濃度プロファイルとでテンプレートマッチングを行うことにより、試験片に付された標線位置を正確に求めることができるため、試験実行中に標線位置計算が行われる標線位置計算範囲を、オペレータの手動によらず、標線位置計算範囲設定手段により自動的に設定することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、材料試験機の負荷軸と直交する方向に列設する各画素の階調値を合算した値から、標線および試験片の色濃度プロファイルを作成することから、プロファイル作成を容易に行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、標線は、予め標線マークが印刷された標線シールを試験片に貼着することにより試験片に付されることから、過去の材料試験で使用した標線シールと同種の標線シールを使用する場合には、記憶部に保存しておいた標線の色濃度プロファイルをテンプレートマッチング用のテンプレートとして再度使用することができる。

請求項４に記載の発明によれば、画像平均化手段を備えることから、画像データのノイズを低減して標線位置決定手段による標線位置決定を精度よく行うことができる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。 試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。 制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。 標線シール１００の説明図である。 装置構成の設定操作を示すフローチャートである。 表示部３５に表示された試験片１０の画像と色濃度計算領域Ｅを模式的に示す説明図である。フローチャートである。 標線マークＭのプロファイルである。 標線位置計算範囲Ｒの設定動作を示すフローチャートである。 試験片の色濃度プロファイルである。 テンプレートマッチング後の画素位置と相関係数の関係を示すグラフである。 テンプレートマッチング後の画素位置と相関係数の関係を示すグラフである。 標線位置計算範囲Ｒを示す説明図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。図２は、試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。

この材料試験機は、テーブル１８と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部におけるテーブル１８上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された図示しない一対のねじ棹と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、このクロスヘッド２３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。

クロスヘッド２３は、一対のねじ棹に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹の下端部は、負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の動力源からの動力が、一対のねじ棹に伝達される構成となっている。一対のねじ棹が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、これら一対のねじ棹に沿って昇降する。

クロスヘッド２３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１８には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド２３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。

このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル２４によって検出され、制御回路３１を介して制御部３３に入力される。また、試験片１０は、ビデオカメラ２８により撮影され、その画像は制御部３３に入力される。

ビデオカメラ２８は、着脱可能なレンズ２７を備え、支柱１９に配設されたアーム２９に支持されている。また、ビデオカメラ２８は、上つかみ具２１および下つかみ具２２を同一視野に収めるように、支柱１９におけるアーム２９の固定位置およびアーム２９の屈曲度を調整することで位置決めされる。そして、図２に示すように、試験片１０は約斜め４５度傾いた状態で上つかみ具２１および下つかみ具２２に把持され、ビデオカメラ２８は試験片１０の表面に対してレンズ２７の正面が正対する位置に配設される。

制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置およびＣＰＵ等を備えるコンピュータ等によって構成される。制御部３３には、液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３５、マウスおよびキーボード等を有する入力部３４およびビデオカメラ２８、制御回路３１が接続される。制御回路３１は、ロードセル１４からの試験力データ、クロスヘッド２３の位置情報を制御部３３に送信する。そして、制御部３３は、ビデオカメラ２８の撮影画像データを取り込んでデータ処理を実行し、試験片１０における標線間の距離の変位量を演算するとともに、その結果を試験片１０の伸びとして、試験力やクロスヘッド２３の位置情報等とともに表示部３５に表示する。

図３は、制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。図３に示すように、この制御部３３は、後述する各動作を実行するためのテンプレート作成部６１、色濃度計算領域設定部６２、記憶部６４、プロファイル作成部７１、相関係数演算部７２、標線位置決定部７３および標線位置計算範囲設定部７４を備える。

このような材料試験機において試験を実行する前には、まず装置構成の設定を行う。図４は、試験片１０に貼着する標線シール１００の説明図である。図５は、装置構成の設定操作を示すフローチャートである。図６は表示部３５に表示された試験片１０の画像と色濃度計算領域Ｅを模式的に示す説明図である。なお、図４では、シールの外形と標線マークＭを明確なものとするため、シールの背景を黒、標線マークＭの菱形を白で表している。この実施形態では、図６に示すように、図４のシール背景とは色が黒白反転したものを使用している。

この実施形態では、図６に示すように、予め標線マークＭを印刷した標線シール１００を、上つかみ具２１と下つかみ具２２に把持された試験片１０の所定の間隔離隔した上下位置に貼着することで、試験片１０に標線を付している。オペレータは、ビデオカメラ２８に試験片１０に貼着した標線シール１００の全体が同一視野に収まる焦点距離を有するレンズ２７を取り付け、その取り付けたレンズ２７の情報を記憶部から呼び出す指令を、入力部３４を用いて選択入力する（ステップＳ１）。しかる後、選択されたレンズ２７の情報等を用いて試験片の色濃度プロファイルを作成するための色濃度計算領域Ｅが設定される（ステップＳ２）。なお、後述する試験片の色濃度プロファイルは、標線シール１００の標線マークＭの図柄が連続する方向、すなわち試験片１０の負荷軸に直交する方向（図４および図６におけるＸ方向）に列設する画素の各色濃度を加算した値を基に作成されるため、試験片１０の負荷軸に直交する方向に列設する画素のうち色濃度計算に用いられる領域の画素数である計算幅ＣＬ（図４および図６参照）を定めることにより、色濃度計算領域Ｅも設定されることになる。なお、色濃度計算領域Ｅの設定は、図３に示す色濃度計算領域設定部６２において実行される。

色濃度計算領域Ｅの設定についてさらに詳細に説明する。この材料試験機では、ビデオカメラ２８と試験片１０との間の距離が固定されている。そうすると、ビデオカメラ２８と試験片１０との間の距離と、ステップＳ１で選択したレンズ２７の情報のうちのレンズ２７の焦点距離とから、ビデオカメラ２８で撮影された画像データの１画素あたりの長さが計算できることになる。より具体的には、ビデオカメラ２８と試験片１０との間の距離を５００ｍｍとし、例えば、焦点距離ｆ＝２５ｍｍのレンズ２７を使用して撮影を行い、このときのビデオカメラ２８からの画像データの１画素サイズを４．４μｍとすると、１画素あたりの長さｄＬは、ｄＬ＝５００／２５×４．４＝８８（μｍ）となる。

このように１画素あたりの長さｄＬを定めると、図４に示す長さＨＬが２０ｍｍ、幅ＷＬが１０ｍｍの標線シール１００の長さＨＬと幅ＷＬを画素数で表すと、ＨＬ＝２０／０．０８８＝２２７（画素）、ＷＬ＝１０／０．０８８＝１１４（画素）となる。

計算幅ＣＬは、標線シール１００が試験片１０の中央（図６において一点鎖線で示す）、すなわち負荷軸よりも少しズレた位置に貼着されたとしても、標線マークＭを確実に捉えられるように、ＣＬ＝ＷＬ×０．８と設定している。これを画素数で表すと、ＣＬ＝１１４×０．８＝９１（画素）となる。このように、計算幅ＣＬを設定することで図６に斜線で示すように、画像の縦方向（図６に示すＹ方向）、すなわち負荷軸方向の全画素の計算幅ＣＬ（画素）領域が、色濃度計算領域Ｅと設定されることになる。

次に、後述する標線の色濃度プロファイルと試験片の色濃度プロファイルとの相関を求めるときに、テンプレートとして使用する標線の色濃度プロファイルを作成する（ステップＳ３）。図７は、標線の色濃度プロファイルである。この実施形態では、図４の標線シール１００を使用していることから、標線の色濃度プロファイルは、標線シール１００の長さＨＬ（Ｙ方向）の２２７の各画素位置について、ステップＳ２で定められた幅ＣＬ（Ｘ方向）の９１画素分の色濃度である階調値（１〜２５５）を加算した値を求めプロットすることにより、標線の色濃度プロファイルが作成される（ステップＳ３）。なお、標線の色濃度プロファイル作成は、図３に示すテンプレート作成部６１において実行され、作成された標線の色濃度プロファイルは記憶部６４に格納される。そして、装置構成設定は完了する。

図４に示す標線マークＭの図形の幅が２ｍｍであるので、作成された標線の色濃度プロファイルは、図７に示すように、標線マークＭの図形に対応した２３画素分が山形の形状となる。また、図７に示すプロファイルでは、色濃度の和の値を最大値が１となるように正規化しているが、階調値の合算値のままであってもよい。

なお、上述した装置構成設定の一連の動作は、標準試験片等を用いて一度設定しておけば、以後の試験準備においては、省略することも可能である。また、標線シール１００の標線マークＭの形状が図４のものと異なる場合や、ビデオカメラ２８と試験片の距離が異なる場合には、予めそれらの変形に応じた標線の色濃度プロファイルを計算により求め、記憶部６４に記憶させておく。なお、予め記憶されていない標線マークＭや試験片１０に直接標線マークＭを形成している場合などでは、実際に撮影された画像を元にテンプレートプロファイルをその都度作成してもよい。

図８は、標線位置計算範囲Ｒの設定動作を示すフローチャートである。図９は、試験片１０の色濃度プロファイルである。

標線シール１００を貼着した試験片１０が上つかみ具２１と下つかみ具２２に把持されている状態で、オペレータは、後述する標線位置計算範囲Ｒを自動認識させるための選択指令を入力部３４より入力する（ステップＳ１１）。

次に、先に装置構成設定ステップＳ２で設定しておいた試験片の色濃度計算領域Ｅ（図５および図６参照）について、数式（１）を用いて画像の平均化を行う（ステップＳ１２）。なお、図６に示す試験片の色濃度計算領域Ｅの画面左上を原点とし、一番外側の画素を除いて平均化する。

このとき一番外側の画素の色濃度は０にしておく。

このような画像の平均化は、必ず行わなければならないわけではないが、画像データ中の高周波成分を平均化により下げることで、計算結果を安定させることができるため、この実施形態では行っている。

そして、図９に示す、画像の平均化が行われた試験片の色濃度計算領域Ｅにおける試験片の色濃度プロファイルが作成される。図９の横軸は図６に示すＹ方向の画素位置を示し、縦軸は、各画素位置のラインごと、すなわち図６に示すＸ方向に列設する各画素の階調値の総和を示している。ビデオカメラ２８により撮影され制御部３３に送られる実際の画像には、上つかみ具２１、下つかみ具２２、テーブル１８、試験片１０の表面の濃淡などが映っている。このため、図９のプロファイルは、標線マークＭと思われる画素位置（４９０ピクセルおよび８６０ピクセル付近）での色濃度よりも濃い部分が存在するものとなる。なお、試験片の色濃度プロファイルは、図３におけるプロファイル作成部７１において作成される。

次に、記憶部６４に記憶させておいた標線の色濃度プロファイルを呼び出し、作成された試験片の色濃度プロファイルに対して、正規化相関係数によるテンプレートマッチングを行う（ステップＳ１３）。正規化相関係数によるテンプレートマッチングは、参照プロファイルである試験片の色濃度プロファイルに対して、１画素ずつ順次テンプレートプロファイルとしての標線の色濃度プロファイルをずらして試験片の色濃度プロファイルを探索するものである。より具体的には、以下の数式を用いて行う。

テンプレートプロファイルとしての標線の色濃度プロファイル（図７参照）をＴ（ｋ）、（ｋ＝０，１，・・・，ｎ−１）、参照プロファイルとしての試験片の色濃度プロファイル（図９参照）をＰ（ｌ）、（ｌ＝０，１，・・・，ｍ−１、ただしｍ＞ｎ）とする。画素位置ｘ（ｘ＝０，１，・・・，ｍ−ｌ＋１）における正規化相関係数Ｃ（ｘ）は次の数式（２）により求められる。

ここで数式（２）のｔとｐはＣ（ｘ）の色濃度計算領域ＥにおけるＴ（ｋ）、Ｐ（ｌ）の平均値であり、次の数式（３）により求められる。

図１０および図１１は、正規化相関係数によるテンプレートマッチング後の画素位置と相関係数の関係を示すグラフである。縦軸は正規化相関係数、横軸は図９と同様に、図６に示す試験片の色濃度プロファイル計算領域のＹ方向の画素位置を示す。そして、上記数式（２）により得られた相関係数をプロットしたものが図１０である。なお、正規化相関係数Ｃ（ｘ）が１に近いほどその場所の画像がテンプレートに一致していることを示し、０に近いほど無関係であることを示す。なお、正規化相関係数によるテンプレートマッチングは、図３における相関係数演算部７２において実行される。

図１０に示すように、図９における標線マークＭと思われる画素位置（４９０ピクセルおよび８６０ピクセル付近）と対応する画素位置にテンプレートとの高い一致を示すピークが表れていることがわかる。

また、標線シール１００によっては、シールの背景色と標線マークＭの図柄の色の濃淡が、この実施形態で使用している標線シール１００とは逆のものある。このような標線シール１００にも対応できるように、次の数式（４）に示すように、数式（２）の絶対値をとり、正規化相関係数を求めてもよい。

数式（４）により求めた正規化相関関数をプロットしたものが、図１１のグラフである。

再度図８を参照して、得られた正規化相関係数の極大点の画素位置を検出し、相対的に大きいものを標線位置候補とする（ステップＳ１４）。より具体的には、標線位置候補は、数式（４）のＣＡ（ｘ）、（ｘ＝１，・・・，ｍ−１）について、次の数式（５）を満たす位置としている。

この実施形態では、ＣＡ（ｘ）の最大値の０．８倍より大きい極大点を標線位置候補としているが、その割合は、適宜変更すればよく、この数値に限定されるものではない。最終的な標線位置は数式５で選定された標線位置候補の中からＣＡ（ｘ）の大きいものから２つとする。なお、標線位置の検出および決定は、図３における標線位置決定部７４において実行される。

数式（５）を用いて決定された標線位置に基づいて、試験中においても正確な標線の位置を求めるために標線位置計算を行う領域、すなわち標線位置計算範囲Ｒの設定を行う（ステップＳ１５）。

図１２は、標線位置計算範囲Ｒを示す説明図である。この実施形態では、図１２に示すように、標線シール１００の大きさに対して、紙面縦方向の標線シール１００の高さの５０％、紙面横方向の標線シール１００幅の８０％の領域を、標線位置計算範囲Ｒの初期値として設定し、ビデオカメラ２８からの撮影画像に重ね合わせて表示部３５に表示している。

しかる後、オペレータは、表示部３５の画像を見て、必要に応じて入力部３４より手動で標線位置計算範囲Ｒの微調整を行う（ステップＳ１６）。そして、オペレータが標線位置計算範囲Ｒを確定することで標線位置計算範囲Ｒ設定の一連の動作は終了する。その後試験を実行すると、試験実行中においては、設定された標線位置計算範囲Ｒの範囲内で標線位置が計算されることになる。

このように、この実施形態では、試験片１０の標線の位置を、正規化相関係数によるテンプレートマッチングにより正確に求め、その標線位置に基づいて自動的に標線位置計算範囲Ｒを設定可能となっている。

１０ 試験片
１８ テーブル
１９ 支柱
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
２３ クロスヘッド
２４ ロードセル
２７ レンズ
２８ ビデオカメラ
２９ アーム
３０ 負荷手段
３１ 制御回路
３３ 制御部
３４ 入力部
３５ 表示部
６１ テンプレート作成部
６４ 記憶部
７１ プロファイル作成部
７２ 相関係数演算部
７３ 標線位置決定部
７４ 標線位置計算範囲設定部
１００ 標線シール
Ｍ 標線マーク
Ｅ 色濃度計算領域
Ｒ 標線位置計算範囲

Claims (4)

1. 試験片に対して試験力を付与するとともに、試験片の伸びをビデオ式非接触伸び計により測定する材料試験機において、
   標線周辺領域の画像データから、前記試験片に付される標線の色濃度プロファイルを作成するテンプレート作成手段と、
   前記テンプレート作成手段により作成された前記標線の色濃度プロファイルを記憶する記憶手段と、
   前記試験片の色濃度計算領域を設定する色濃度計算領域設定手段と、
   前記色濃度計算領域の画像データから、試験実行前の標線が付された試験片の色濃度プロファイルを作成するプロファイル作成手段と、
   前記プロファイル作成手段により作成された前記試験片の色濃度プロファイルと、前記標線の色濃度プロファイルとの相関を求める相関係数演算手段と、
   前記相関係数演算手段により算出された相関係数に基づいて、試験実行前の標線位置を決定する標線位置決定手段と、
   前記標線位置決定手段により決定された標線位置に基づいて、試験実行中に標線位置計算が行なわれる領域を設定する標線位置計算範囲設定手段と、
   を備えることを特徴とする材料試験機。
2. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記テンプレート作成手段は、前記標線周辺領域における材料試験機の負荷軸と直交する方向に列設する各画素の階調値を合算した値を、負荷軸方向にプロットして前記標線の色濃度プロファイルを作成し、
   前記プロファイル作成手段は、前記色濃度計算領域における材料試験機の負荷軸と直交する方向に列設する各画素の階調値を合算した値を、負荷軸方向にプロットして前記試験片の色濃度プロファイルを作成する材料試験機。
3. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記標線は、予め標線マークが印刷された標線シールを前記試験片に貼着することにより前記試験片に付されるとともに、
   前記標線周辺領域は、前記標線シールの大きさである材料試験機。
4. 請求項１に記載の材料試験機において、
   前記色濃度計算領域の画像データに対して画像の平均化を行う画像平均化手段を備える材料試験機。
   

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