基于機(jī)器視覺的視頻引伸計(jì)設(shè)計(jì)

李枝焱 李柏炎 張龍旭 許為鑫 劉洪席 張丙震

【摘 要】引伸計(jì)是在某種條件下、測(cè)定金屬材料、非金屬材料性能的機(jī)械儀器，可以對(duì)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。引伸計(jì)在研究探索新材料過程中，是必不可少的測(cè)試儀器。本文首先闡述了國(guó)內(nèi)外視覺引伸計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了視覺引伸計(jì)特性，然后確定引伸計(jì)的傳動(dòng)方案、加載方案和動(dòng)力方案，最后選擇合適的處理器及相機(jī)，搭建好圖像采集，信號(hào)傳輸?shù)鹊南到y(tǒng)。使用視覺引伸計(jì)對(duì)材料應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，簡(jiǎn)化了拉伸實(shí)驗(yàn)的操作，提高對(duì)材料力學(xué)性能檢測(cè)的效率。

【關(guān)鍵詞】材料性能測(cè)定;視覺引伸計(jì);圖像采集;信號(hào)傳輸

一、背景介紹

在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，往往需要對(duì)材料的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，這時(shí)就需要用到引伸計(jì)。引伸計(jì)主要用來對(duì)金屬材料、非金屬材料、機(jī)械零件等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到材料在各種條件下的力學(xué)性能參數(shù)。在引伸計(jì)對(duì)材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，材料所表現(xiàn)出各種力學(xué)性能現(xiàn)象參數(shù)的過程會(huì)被記錄下來，然后計(jì)算出材料的參數(shù)并根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來衡量材料試件的性能否合格。因此引伸計(jì)本身的試驗(yàn)性能也是一個(gè)關(guān)鍵，只有引伸計(jì)本身的試驗(yàn)性能良好，測(cè)出的力學(xué)性能才足夠的準(zhǔn)確[1]。

在實(shí)際材料性能測(cè)試中經(jīng)常會(huì)一些特殊試樣進(jìn)行檢測(cè)，如小尺寸試件，復(fù)雜成形件。在材料連續(xù)形變的實(shí)驗(yàn)中，往往需要根據(jù)應(yīng)變來控制試件的加載方式。這就需要應(yīng)變檢測(cè)裝置對(duì)材料應(yīng)變實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋給控制系統(tǒng)。這些需求都是機(jī)械引伸計(jì)無法滿足的，本文開發(fā)了一種基于視覺反饋的材料應(yīng)變檢測(cè)裝置，可快速對(duì)材料變形位置進(jìn)行檢測(cè)，并輸出電壓信號(hào)方便與實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行通訊。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近來我國(guó)關(guān)于視覺引伸計(jì)的開發(fā)較大進(jìn)步。北京浩普中興公司研制出HPSP-V動(dòng)態(tài)視頻引伸計(jì)可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)變、位移、泊松比等，其采集數(shù)據(jù)頻率可達(dá)20HZ，位移分辨率為10um，檢測(cè)距離最大800mm，支持點(diǎn)模式、線模式。濟(jì)南大學(xué)曹若蘭設(shè)計(jì)了直線、圓形、雙直線型三類識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)算法的非接觸式視覺引伸計(jì)，在拉伸試驗(yàn)過程中對(duì)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別提取并進(jìn)行亞像素差值細(xì)分，使得測(cè)量精度能夠達(dá)到亞微米級(jí)別[3]。

國(guó)外技術(shù)發(fā)展更為成熟。具有代表性的是英國(guó)英斯特朗引入機(jī)器視覺的技術(shù)應(yīng)用到材料的應(yīng)變測(cè)量中，為該試驗(yàn)機(jī)研發(fā)了AVE2.0視覺引伸計(jì)。該引伸計(jì)具有專用的LED照明方案，降低的環(huán)境自然光線的影響，通過AVE2.0對(duì)試件的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，取代接觸式引伸計(jì)，其測(cè)量精度達(dá)到ISO 9513標(biāo)準(zhǔn)0.5級(jí)要求，測(cè)量范圍最大可以達(dá)到670mm，采樣速度最大可達(dá)490HZ[3]。

雖然目前市場(chǎng)的視覺引伸計(jì)發(fā)展較為成熟，但依然存在傳感器價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，對(duì)硬件要求高，反饋速度慢，模擬信號(hào)輸出有限，量程較低等問題。

三、視覺引伸計(jì)硬件設(shè)計(jì)

（一）視覺引伸計(jì)工作原理

視覺引伸計(jì)主要由外觸發(fā)CMOS相機(jī)完成圖像采集，以友善公司Tiny4412核心板來完成圖像處理與信號(hào)傳輸。視覺引伸計(jì)模擬機(jī)械引伸計(jì)的0-5V輸出，與PC通訊。將材料固定在拉力機(jī)兩端準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)后，打開相機(jī)調(diào)節(jié)好焦距、曝光、幀率等參數(shù)后即可開始拉伸試驗(yàn)。

（二）圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)工作流程是在連接好相機(jī)等待拉伸試驗(yàn)開始后，通過硬件外觸發(fā)方式發(fā)送信號(hào)到Tiny4412，Tiny4412通過外部中斷收到開始信號(hào)后控制相機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拍照采集，設(shè)定拍照時(shí)間間隔為10ms，并且將照片以當(dāng)前時(shí)間為名稱命名直接存儲(chǔ)在SD卡和EMMC設(shè)備中等待后續(xù)進(jìn)行處理。

圖像處理流程是首先進(jìn)行圖像灰度化，用高斯濾波對(duì)的得到的灰度圖像進(jìn)行處理，減少噪音，然后轉(zhuǎn)換為二值圖像減少后續(xù)處理的工作量。以第一次所拍攝圖像作為基準(zhǔn)，后面每次拍攝的圖片與第一張圖片處理的方式相同，并與第一張圖片進(jìn)行合并，通過findCounter函數(shù)獲取圖片的輪廓信息，找出最大和次大的輪廓作為視覺引伸計(jì)的位移量，算出兩個(gè)輪廓的質(zhì)心坐標(biāo)并且算出距離 [4～5]。

四、結(jié)論

本文主要對(duì)視覺引伸計(jì)硬件組成和圖像處理流程進(jìn)行介紹。視覺引伸計(jì)的圖像采集系統(tǒng)選擇UBS300C相機(jī)采集圖像，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鱐iny4412上進(jìn)行存儲(chǔ)，并使用OpenCV進(jìn)行圖像處理，計(jì)算出試件的拉伸量將像素距離轉(zhuǎn)換成實(shí)際距離，最終將數(shù)據(jù)通過DAC8554轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或者直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)最終根據(jù)拉力與材料形變計(jì)算出材料應(yīng)變、位移、泊松比等信息。所設(shè)計(jì)視覺引伸計(jì)具有成本低，使用靈活，處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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