基于雙目視覺的快速應(yīng)力應(yīng)變曲線測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及視覺測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙目視覺的快速應(yīng)力應(yīng)變曲線測量 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 材料的力學(xué)性能是指材料在不同的環(huán)境(如溫度、介質(zhì)、濕度)下，承受各種外加載 荷(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等)時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)性能，是確定各種工程設(shè) 計(jì)參數(shù)的主要依據(jù)。對(duì)材料的塑性變形規(guī)律的研究，在材料力學(xué)性能研究中占有重要的地 位，也是需要進(jìn)一步深入研究的領(lǐng)域。在塑性成形中，應(yīng)力一應(yīng)變曲線是材料的一個(gè)重要的 性能，在工程上通過對(duì)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的研究，可以找出材料的塑性變形規(guī)律，建立起材料 的應(yīng)力一應(yīng)變的關(guān)系，從而確定材料的真實(shí)破壞強(qiáng)度和材料抵抗變形的能力。為金屬加工 工藝提供必要的設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)研究金屬材料的可切削加工性能和韌性斷裂過程有很重要的 意義。
[0003] 傳統(tǒng)應(yīng)力一應(yīng)變曲線的測量方式是以引伸計(jì)為主的測量方法，該方法具有簡單、 實(shí)用、成本低以及測量效率高等優(yōu)點(diǎn)。但這種測量方法對(duì)機(jī)械安裝要求較高、引伸計(jì)量程及 標(biāo)距的可調(diào)性較差以及屬于接觸式測量精度相對(duì)較低。此外，為避免損壞引伸計(jì)，在斷裂之 前必須將其取下，因此無法對(duì)拉伸全過程進(jìn)行測量。隨著圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺理論 的不斷發(fā)展，越來越多的研究人員開始將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用到材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線 測量中，眾多學(xué)者對(duì)基于視覺的應(yīng)變測量方法進(jìn)行了一系列的研究，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成 果，也在材料性能測試領(lǐng)域得到了不錯(cuò)的應(yīng)用。應(yīng)力測量往往是通過模擬量通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn) 換獲得，數(shù)模轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的效率和精度決定了如何快速、準(zhǔn)確得到應(yīng)力數(shù)據(jù)。而用于應(yīng)變計(jì)算 的數(shù)字圖像是通過工業(yè)CCD相機(jī)拍攝獲得。兩種數(shù)據(jù)為異源數(shù)據(jù)，如何保證異源數(shù)據(jù)采樣的 同步性，是決定基于視覺測量的應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)是否精確同步的重要環(huán)節(jié)之一，是影響 應(yīng)力應(yīng)變曲線有效可用的重要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于雙目視覺的快速應(yīng)力 應(yīng)變曲線測量系統(tǒng)及方法。
[0005] 技術(shù)方案:一種視覺應(yīng)力應(yīng)變測量系統(tǒng)，包括能夠?qū)Ρ粶y工件施加載荷的試驗(yàn)機(jī)、 受力數(shù)據(jù)采集模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)同步采集控制模塊和上位機(jī);所述受力數(shù)據(jù)采 集模塊包括A/D轉(zhuǎn)換模塊和測力傳感器;所述圖像數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)以及數(shù)據(jù)同步采 集控制模塊相連，所述受力數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)同步采集控制模塊相連，所述數(shù)據(jù)同步采 集控制模塊和上位機(jī)相連。
[0006] 進(jìn)一步地，所述圖像數(shù)據(jù)采集模塊為雙目視覺圖像采集模塊，包括圖像采集卡和 兩個(gè)(XD相機(jī)。
[0007] 進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)同步采集控制模塊的輸出端分別與受力數(shù)據(jù)采集模塊和圖像 數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端連接;所述受力數(shù)據(jù)采集模塊和圖像數(shù)據(jù)采集模塊均能夠進(jìn)行連續(xù) 采集和單幀采集;在所述單幀采集中，受力數(shù)據(jù)采集模塊和圖像數(shù)據(jù)采集模塊共享由數(shù)據(jù) 同步采集控制模塊發(fā)出的同一觸發(fā)信號(hào)。
[0008] 進(jìn)一步地，相鄰的所述觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間間隔大于受力數(shù)據(jù)采集模塊和圖像數(shù)據(jù)采 集模塊從響應(yīng)前一個(gè)觸發(fā)信號(hào)到處理完成的最短時(shí)間。
[0009] -種使用上述的測量系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變測量方法，
[0010] 1)通過兩次給測力傳感器加載已知重量的不同標(biāo)定快，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的 信號(hào)完成測力傳感器標(biāo)定：
[0011] 2)將測力傳感器和被測試樣夾持在試驗(yàn)機(jī)上；
[0012] 3)數(shù)據(jù)同步采集控制模塊收到來自上位機(jī)的連續(xù)采集信號(hào)后，發(fā)出連續(xù)同步采集 信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)受力數(shù)據(jù)采集模塊和圖像數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)同步采集數(shù)據(jù)；
[0013] 4)數(shù)據(jù)同步采集控制模塊收到來自上位機(jī)的停止采集信號(hào)后，控制受力數(shù)據(jù)采集 模塊和圖像數(shù)據(jù)采集模塊停止采集數(shù)據(jù)。
[0014] 進(jìn)一步地，所述被測試樣為表面標(biāo)識(shí)了網(wǎng)格線的試樣，所述網(wǎng)格線包括N條相互平 行且等間距的橫向的直線和Μ條相互平行且等間距的縱向的直線，且Μ小于N;試樣具有網(wǎng)格 線的部分橫截面積相等；￡*=111(1+￡)^ = (5(1+￡);其中￡^(^為真應(yīng)力和真應(yīng)變;￡和〇分別 Λ/ f) 為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變，且= y :A〇、L〇分別為試樣初始橫截面積和縱向拉伸方向 -^0. 上單個(gè)網(wǎng)格線段的初始長度，P和A L分別對(duì)應(yīng)試樣變形過程中的受力大小和變形過程中拉 伸方向上單個(gè)網(wǎng)格線段相對(duì)于初始長度的變化量，最終取縱向拉伸方向所有網(wǎng)格線段真應(yīng) 力和真應(yīng)變的平均值作為試樣的應(yīng)力和應(yīng)變。
[0015]進(jìn)一步地，所述Lo、Δ L由網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)求取，所述網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)三維空間坐 標(biāo)根據(jù)兩個(gè)CCD相機(jī)采集到的圖像的同名網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)求取。
[0016] 進(jìn)一步地，單個(gè)C⑶相機(jī)采集到的圖像的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)求取包括如下步驟：
[0017] 1)圖像預(yù)處理
[0018] ①對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；
[0019] ②對(duì)圖像進(jìn)行孔洞修復(fù)并去毛刺；
[0020] ③對(duì)圖像上網(wǎng)格線進(jìn)行細(xì)化操作；
[0021] 2)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)初定位
[0022]①對(duì)圖像進(jìn)行四分域準(zhǔn)則處理
[0023]定義一個(gè)W像素 XW像素的窗口，使窗口在細(xì)化圖像上不斷移動(dòng)，當(dāng)窗口會(huì)被切分 成四個(gè)連通域時(shí)，判斷窗口內(nèi)存在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)；
[0024]②對(duì)圖像進(jìn)行面積準(zhǔn)則處理
[0025]當(dāng)〇1是當(dāng)前網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的所有滿足四分域準(zhǔn)則窗口的面積集合φ的標(biāo)準(zhǔn)差中 最小時(shí)，判斷應(yīng)的窗口中心所在位置即當(dāng)前網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)所在位置，即初定位到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 坐標(biāo)；其中，Φ是當(dāng)前網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的所有滿足四分域準(zhǔn)則窗口的面積集合，Φ ={ Φ i， Φ 2,......，Φη-1，Φη} ; Φ i是每個(gè)滿足四分域準(zhǔn)則的窗口產(chǎn)生的一個(gè)面積集合，Φ i = {Sl，S2, 分別對(duì)應(yīng)四個(gè)聯(lián)通區(qū)域中其中一個(gè)聯(lián)通區(qū)域的面積，每個(gè)聯(lián)通區(qū)域面積 的大小定義為該連通域內(nèi)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)總和;〇i為Φ i的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0026] 3)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系建立
[0027]①確定初定位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)矩形有向包圍盒0ΒΒ;
[0028]②確定向包圍盒0ΒΒ的一條長邊為投影邊，將初定位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)向0ΒΒ投影邊方向上 投影，設(shè)d為形成的投影點(diǎn)與參考投影點(diǎn)間的距離大小，ed為距離閾值，當(dāng)d<ed時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)為同一集合，其中參考投影點(diǎn)為當(dāng)前集合內(nèi)所有投影點(diǎn)坐標(biāo)的平均 值，集合第一個(gè)投影點(diǎn)的參考投影點(diǎn)即為其本身;所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)投影完成后，產(chǎn)生網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 集合Φν;根據(jù)投影點(diǎn)的坐標(biāo)大小進(jìn)行排序得到有序投影點(diǎn)集合{ Φ:，Φ2, . . .，Φν}，(iM內(nèi)網(wǎng) 格節(jié)點(diǎn)序號(hào)為巾1={1(卜1)+1，(卜1)+2，...，(卜1)+1};
[0029] ③將(iM內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)到投影邊的距離和橫向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)距離進(jìn)行對(duì)比確定(iM 內(nèi)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確序號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)距離為試樣未變形圖像上橫向節(jié)點(diǎn)間的距離；
[0030] 4)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)精定位
[0031 ]逐一優(yōu)化初定位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)得到精定位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，針對(duì)單個(gè)初定位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的所述 優(yōu)化包括如下步驟：
[0032]①將單個(gè)節(jié)點(diǎn)和與其橫向相鄰的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)擬合成橫向直線;將該單個(gè)節(jié)點(diǎn)和與 其縱向相鄰的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)擬合成縱向直線；
[0033]②用所述擬合的直線篩選細(xì)化后的圖像，篩選出距離所述擬合的直線距離小于第 一閾值且距離該單個(gè)節(jié)點(diǎn)小于第二閾值的所有像素點(diǎn)；
[0034] ③將所述篩選出的像素點(diǎn)擬合成橫向、縱向直線，兩直線的交點(diǎn)即為精定位網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，以該精定位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為用于求取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)三維空間坐標(biāo)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐 標(biāo)。
[0035] 有益效果:本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在基于視覺測量應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)的條件下，快速、準(zhǔn)確 獲取被測試樣變形過程中的受力大小，并保證最后的應(yīng)力應(yīng)變?cè)跁r(shí)序上的精確同步，很好 的解決了應(yīng)力應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)中的應(yīng)力與應(yīng)變精確同步的問題，并且實(shí)現(xiàn)非接觸快速準(zhǔn)確地 測量。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明測量被測試件應(yīng)力應(yīng)變示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明測量系統(tǒng)示意圖；
[0038]圖3為硬件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖4為雙目視覺原理圖；
[0040] 圖5 AL的測量流程圖；
[0041] 圖6為標(biāo)記了網(wǎng)格線的原始圖像；
[0042]圖7為二值化后的圖像；
[0043]圖8為孔洞修復(fù)原理圖，其中KD是空洞，MC是毛刺；
[0044] 圖9為孔洞修復(fù)及去毛刺后的效果圖；
[0045] 圖10為細(xì)化后的圖像；
[0046]圖11四分域準(zhǔn)則示意圖；
[0047]圖12面積準(zhǔn)則示意圖；
[0048]圖13為初定位的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)有向包圍盒0Β