基于双目视觉的快速应力应变曲线测量系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及视觉测量领域，具体涉及一种基于双目视觉的快速应力应变曲线测量 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 材料的力学性能是指材料在不同的环境(如温度、介质、湿度)下，承受各种外加载 荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学性能，是确定各种工程设 计参数的主要依据。对材料的塑性变形规律的研究，在材料力学性能研究中占有重要的地 位，也是需要进一步深入研究的领域。在塑性成形中，应力一应变曲线是材料的一个重要的 性能，在工程上通过对应力一应变曲线的研究，可以找出材料的塑性变形规律，建立起材料 的应力一应变的关系，从而确定材料的真实破坏强度和材料抵抗变形的能力。为金属加工 工艺提供必要的设计依据，对研究金属材料的可切削加工性能和韧性断裂过程有很重要的 意义。
[0003] 传统应力一应变曲线的测量方式是以引伸计为主的测量方法，该方法具有简单、 实用、成本低以及测量效率高等优点。但这种测量方法对机械安装要求较高、引伸计量程及 标距的可调性较差以及属于接触式测量精度相对较低。此外，为避免损坏引伸计，在断裂之 前必须将其取下，因此无法对拉伸全过程进行测量。随着图像处理技术和计算机视觉理论 的不断发展，越来越多的研究人员开始将数字图像处理技术应用到材料的应力一应变曲线 测量中，众多学者对基于视觉的应变测量方法进行了一系列的研究，已经取得了不错的成 果，也在材料性能测试领域得到了不错的应用。应力测量往往是通过模拟量通过A/D数模转 换获得，数模转换转换的效率和精度决定了如何快速、准确得到应力数据。而用于应变计算 的数字图像是通过工业CCD相机拍摄获得。两种数据为异源数据，如何保证异源数据采样的 同步性，是决定基于视觉测量的应力应变曲线数据是否精确同步的重要环节之一，是影响 应力应变曲线有效可用的重要因素。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种基于双目视觉的快速应力 应变曲线测量系统及方法。
[0005] 技术方案:一种视觉应力应变测量系统，包括能够对被测工件施加载荷的试验机、 受力数据采集模块、图像数据采集模块、数据同步采集控制模块和上位机;所述受力数据采 集模块包括A/D转换模块和测力传感器;所述图像数据采集模块和上位机以及数据同步采 集控制模块相连，所述受力数据采集模块和数据同步采集控制模块相连，所述数据同步采 集控制模块和上位机相连。
[0006] 进一步地，所述图像数据采集模块为双目视觉图像采集模块，包括图像采集卡和 两个(XD相机。
[0007] 进一步地，所述数据同步采集控制模块的输出端分别与受力数据采集模块和图像 数据采集模块的输入端连接;所述受力数据采集模块和图像数据采集模块均能够进行连续 采集和单帧采集;在所述单帧采集中，受力数据采集模块和图像数据采集模块共享由数据 同步采集控制模块发出的同一触发信号。
[0008] 进一步地，相邻的所述触发信号的时间间隔大于受力数据采集模块和图像数据采 集模块从响应前一个触发信号到处理完成的最短时间。
[0009] -种使用上述的测量系统的应力应变测量方法，
[0010] 1)通过两次给测力传感器加载已知重量的不同标定快，根据A/D转换模块输出的 信号完成测力传感器标定：
[0011] 2)将测力传感器和被测试样夹持在试验机上；
[0012] 3)数据同步采集控制模块收到来自上位机的连续采集信号后，发出连续同步采集 信号，同时触发受力数据采集模块和图像数据采集模块连续同步采集数据；
[0013] 4)数据同步采集控制模块收到来自上位机的停止采集信号后，控制受力数据采集 模块和图像数据采集模块停止采集数据。
[0014] 进一步地，所述被测试样为表面标识了网格线的试样，所述网格线包括N条相互平 行且等间距的横向的直线和Μ条相互平行且等间距的纵向的直线，且Μ小于N;试样具有网格 线的部分横截面积相等；￡*=111(1+￡)^ = (5(1+￡);其中￡^(^为真应力和真应变;￡和〇分别 Λ/ f) 为工程应力和工程应变，且= y :A〇、L〇分别为试样初始横截面积和纵向拉伸方向 -^0. 上单个网格线段的初始长度，P和A L分别对应试样变形过程中的受力大小和变形过程中拉 伸方向上单个网格线段相对于初始长度的变化量，最终取纵向拉伸方向所有网格线段真应 力和真应变的平均值作为试样的应力和应变。
[0015]进一步地，所述Lo、Δ L由网格节点三维空间坐标求取，所述网格节点三维空间坐 标根据两个CCD相机采集到的图像的同名网格节点坐标求取。
[0016] 进一步地，单个C⑶相机采集到的图像的网格节点坐标求取包括如下步骤：
[0017] 1)图像预处理
[0018] ①对图像进行二值化处理；
[0019] ②对图像进行孔洞修复并去毛刺；
[0020] ③对图像上网格线进行细化操作；
[0021] 2)网格节点初定位
[0022]①对图像进行四分域准则处理
[0023]定义一个W像素 XW像素的窗口，使窗口在细化图像上不断移动，当窗口会被切分 成四个连通域时，判断窗口内存在网格节点；
[0024]②对图像进行面积准则处理
[0025]当〇1是当前网格节点产生的所有满足四分域准则窗口的面积集合φ的标准差中 最小时，判断应的窗口中心所在位置即当前网格节点所在位置，即初定位到网格节点 坐标；其中，Φ是当前网格节点产生的所有满足四分域准则窗口的面积集合，Φ ={ Φ i， Φ 2,......，Φη-1，Φη} ; Φ i是每个满足四分域准则的窗口产生的一个面积集合，Φ i = {Sl，S2, 分别对应四个联通区域中其中一个联通区域的面积，每个联通区域面积 的大小定义为该连通域内像素点的个数总和;〇i为Φ i的标准差；
[0026] 3)网格节点拓扑关系建立
[0027]①确定初定位网格节点矩形有向包围盒0ΒΒ;
[0028]②确定向包围盒0ΒΒ的一条长边为投影边，将初定位网格节点向0ΒΒ投影边方向上 投影，设d为形成的投影点与参考投影点间的距离大小，ed为距离阈值，当d<ed时，认为当前 网格节点与参考节点为同一集合，其中参考投影点为当前集合内所有投影点坐标的平均 值，集合第一个投影点的参考投影点即为其本身;所有网格节点投影完成后，产生网格节点 集合Φν;根据投影点的坐标大小进行排序得到有序投影点集合{ Φ:，Φ2, . . .，Φν}，(iM内网 格节点序号为巾1={1(卜1)+1，(卜1)+2，...，(卜1)+1};
[0029] ③将(iM内每个节点到投影边的距离和横向网格节点的标准距离进行对比确定(iM 内节点的准确序号，标准距离为试样未变形图像上横向节点间的距离；
[0030] 4)网格节点精定位
[0031 ]逐一优化初定位网格节点得到精定位网格节点，针对单个初定位网格节点的所述 优化包括如下步骤：
[0032]①将单个节点和与其横向相邻的任一个节点拟合成横向直线;将该单个节点和与 其纵向相邻的任一个节点拟合成纵向直线；
[0033]②用所述拟合的直线筛选细化后的图像，筛选出距离所述拟合的直线距离小于第 一阈值且距离该单个节点小于第二阈值的所有像素点；
[0034] ③将所述筛选出的像素点拟合成横向、纵向直线，两直线的交点即为精定位网格 节点坐标，以该精定位网格节点坐标作为用于求取网格节点三维空间坐标的网格节点坐 标。
[0035] 有益效果:本发明可实现在基于视觉测量应力应变曲线数据的条件下，快速、准确 获取被测试样变形过程中的受力大小，并保证最后的应力应变在时序上的精确同步，很好 的解决了应力应变曲线数据中的应力与应变精确同步的问题，并且实现非接触快速准确地 测量。
【附图说明】
[0036]图1为本发明测量被测试件应力应变示意图；
[0037]图2为本发明测量系统示意图；
[0038]图3为硬件结构示意图；
[0039]图4为双目视觉原理图；
[0040] 图5 AL的测量流程图；
[0041] 图6为标记了网格线的原始图像；
[0042]图7为二值化后的图像；
[0043]图8为孔洞修复原理图，其中KD是空洞，MC是毛刺；
[0044] 图9为孔洞修复及去毛刺后的效果图；
[0045] 图10为细化后的图像；
[0046]图11四分域准则示意图；
[0047]图12面积准则示意图；
[0048]图13为初定位的网格节点有向包围盒0Β