技术领域
[0001] 本实用新型涉及电子测量领域，特别是涉及一种无标记点的视频引伸测量装置。
相关背景技术
[0002] 橡胶或金属材料的引伸率是重要的质量参数。引伸率需要通过引伸计进行间接测量。传统的引伸计测量方法为：通过编码器测量材料的引伸长度；通过拉力计检测材料断裂时间点；材料断裂后通过引伸长度和原始长度之比计算引伸率。但是这种方法属于接触式测量，由于编码器和拉力计的精度有限，导致最终测量的引伸率精度较低。目前也有通过视频方式进行测量的引伸计，但是需要人工添加标记点，同样导致测量精度不高、效率低下等问题。
[0003] 为了解决现有引伸计测量精度低、测量效率不高的问题，本实用新型采用了机器视觉的方式进非接触式测量，利用材料自身的纹理代替传统的人工标记点，能够有效提升测量精度和测量效率。实用新型内容
[0004] 本实用新型为了解决现有引伸计测量精度低、测量效率不高的问题,特提出一种无标记点的视频引伸测量装置。
[0005] 为此本实用新型采用的技术方案是：一种无标记点的视频引伸测量装置，包括标定板、工控机、单目相机、声光报警器、程控蓝光光源、DA转换模块和电源；
[0006] 所述标定板由2×11个黑色正方形组成，用于标定图像中像素的横向和纵向尺寸，其中黑色正方形大小为1cm×1cm，间距为1cm；
[0007] 所述工控机用于图像处理和输出测量结果，工控机具有1个USB3.0接口、1个RS485接口和2个RS232接口，其中1个RS232接口用于测量结果的输出，另外1个RS232连接声光报警装置；
[0008] 所述单目相机为灰度相机，采用纵向安装方式，用于采集试验材料的图像，单目相机通过USB3.0接口与工控机相连；
[0009] 所述声光报警器通过1个RS232接口与工控机连接，能够接收工控机指令，在材料断裂时进行声光报警，提醒操作人员；
[0010] 所述程控蓝光光源具有RS485接口，连接到工控机的RS485接口上，用于接收工控机的控制指令，以便自动调整光照强度；
[0011] 所述DA转换模块具有RS485接口，连接到工控机的RS485接口上，用于接收工控机的控制指令，将测量结果以模拟量的形式输出；
[0012] 所述电源直接连接到工控机，用于给工控机供电。
[0013] 一种无标记点的视频引伸测量装置的工作方法，包括以下三个步骤：系统标定、引伸率测量和结果输出；
[0014] 所述系统标定：
[0015] （1）将标定板用夹具固定，通过工控机向程控光源发出控制指令，调整光照强度，使得工控机接收到的标定板图像能够清晰观察到，通过工控机控制单目相机拍摄1张标定板图像；
[0016] （2）在图像上建立以像素为单位的平面直角坐标系，原点在左下正方形的左下角，水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向；在标定板上建立实际位置平面直角坐标系；原点在左下正方形的左下角，水平向右为X轴正方向，垂直向上为Y轴正方向；
[0017] （3）通过图像处理，检测出所有正方形形心坐标，用{Gmn}表示，单位为像素，其中m表示行号，范围1 11，n表示列号，范围1 2；~ ~
[0018] （4）对第1列正方形形心纵坐标{Gm1.y}和实际位置序列{5，25,45,65,85,105,125,145,165,185,205}（单位为毫米）利用N次多项式进行拟合，得到拟合后的系数序列{C1N}；
[0019] （5）对第2列正方形形心纵坐标{Gm2.y}和实际位置序列{5，25,45,65,85,105,125,145,165,185,205}（单位为毫米）利用N次多项式进行拟合，得到拟合后的系数序列{C2N}；
[0020] （6）将{C1N}和{C2N}中对应阶次系数求取算术平均数，得到系数序列{CN}，根据系数序列{CN}，得到实际位置Y与纵向像素坐标y的关系为Y=f1(y)；
[0021] （7）通过图像处理方法，求取第1列正方形形心横坐标均值为x1，求取第2列正方形形心横坐标均值为x2，得到实际位置X与横向像素坐标x的关系为X=f2(x)= x*20/(x2‑x1)；
[0022] 引伸率测量：
[0023] （7）将试验材料用夹具固定，通过工控机向程控光源发出控制指令，调整光照强度，使得工控机接收到的试验材料图像纹理能够清晰观察到，通过工控机控制单目相机拍摄1张试验材料初始图像；
[0024] （8）在试验材料的两端选取两个宽度相等的矩形区域，顶部为上选区，底部为下选区；
[0025] （9）对上选区内的图像进行特征点检测，将检测到的K1个的特征点的纵坐标组成序列{PK1.y}，将检测到的K1个特征点的横坐标组成序列{PK1.x}，对下选区内的图像进行特征点检测，将检测到的K2个的特征点的纵坐标组成序列{PK2.y}，将检测到的K2个特征点的横坐标组成序列{PK2.x}；
[0026] （10）将序列{PK1.y}的每个值代入Y=f1(y)，得到上选区每个特征点的Y方向位置，将序列{PK1.x}的每个值代入X=f2(x)，得到上选区每个特征点的X方向位置，将序列{PK2.y}的每个值代入Y=f1(y)，得到下选区每个特征点的Y方向位置，将序列{PK2.x}的每个值代入X=f2(x)，得到下选区每个特征点的X方向位置；
[0027] （11）将上选区K1个特征点的X、Y方向位置求取算术平均值，得到上选区的中心位置PU为(X1,Y1)，将下选区K2个特征点的X、Y方向位置求取算术平均值，得到下选区的中心位置PD为(X2,Y2)；
[0028] （12）试验材料原始长度L1即为PU和PD两点的距离；
[0029] （13）经过DT时间后，试验材料被引伸变形，通过工控机控制单目相机采集当前时刻试验材料的图像；
[0030] （14）对图像进行特征点检测，并与初始图像进行匹配，与初始图像上选区匹配成功的K3个特征点的纵坐标组成序列{PK3.y}，横坐标组成序列{PK3.x}，与初始图像下选区匹配成功的K4个特征点的纵坐标组成序列{PK4.y}，横坐标组成序列{PK4.x}；
[0031] （15）将{PK3.y}和{PK3.x}分别代入Y=f1(y)和X=f2(x)，并对结果进行算术平均处理，得到当前时刻上选区的中心位置QU为(X3,Y3)，将{PK4.y}和{PK4.x}分别代入Y=f1(y)和X=f2(x)，并对结果进行算术平均处理，得到当前时刻下选区的中心位置QD为(X4,Y4)；
[0032] （16）当前时刻试验材料长度L2即为QU和QD两点的距离；
[0033] （17）不断重复（13）（16），能够得到引伸过程中试验材料的长度变化，并将该长度~组成序列{LT}。T表示离散时间点；
[0034] （18）对序列{LT}进行M次多项式拟合，得到试验材料长度L与时间t的关系模型为L=f3(t)；
[0035] （19）假如试验材料在t0时刻断裂，那么断裂时刻的试验材料的长度；
[0036] （20）试验材料的引伸率表示为 ；
[0037] 结果输出：
[0038] （21）工控机向声光报警器发出控制指令，以声音和灯光形式提醒操作人员试验材料断裂；
[0039] （22）工控机通过RS232接口，以数字量输出引伸率；
[0040] （23）工控机向DA转换模块发出控制指令，以模拟电压形式输出引伸率。
[0041] 进一步的，所述（4）步骤中，N取值3 8。~
[0042] 进一步的，所述（9）步骤中，K1>5，K2>5。
[0043] 进一步的，所述（13）步骤中，DT为采样时间间隔，建议大于20
[0044] 进一步的，所述（14）步骤中， K3>5，K4>5。
[0045] 进一步的，所述（18）步骤中，M建议取值3 5。~
[0046] 进一步的，所述（19）步骤中，F表示相机的拍照频率，建议20
[0047] 本实用新型的优点是：本实用新型采用了机器视觉的方式进非接触式测量，利用材料自身的纹理代替传统的人工标记点，能够有效提升测量精度和测量效率。
具体实施方式
[0051] （一）搭建系统
[0052] 系统由标定板、工控机、单目相机、声光报警器、程控蓝光光源、DA转换模块和电源组成。
[0053] 标定板由2×11个黑色正方形组成，用于标定图像中像素的横向和纵向尺寸。其中黑色正方形大小为1cm×1cm，间距为1cm。标定板采用浮法玻璃材质效果最佳。
[0054] 工控机用于图像处理和输出测量结果。工控机具有1个USB3.0接口、1个RS485接口和2个RS232接口。其中1个RS232接口用于测量结果以数字量的形式输出。
[0055] 单目相机为灰度相机，采用纵向安装方式，用于采集试验材料的图像。由于引伸方向为纵向，所有相机纵向安装能够扩大量程。单目相机通过USB3.0接口与工控机相连。
[0056] 声光报警器通过1个RS232接口与工控机连接，能够接收工控机指令，在材料断裂时进行声光报警，提醒操作人员。
[0057] 程控蓝光光源具有RS485接口，连接到工控机的RS485接口上，用于接收工控机的控制指令，以便自动调整光照强度。蓝光光源波长范围较窄，能够最大限度滤除环境干扰。
[0058] DA转换模块具有RS485接口，连接到工控机的RS485接口上，用于接收工控机的控制指令，将测量结果以模拟量的形式输出。
[0059] 电源直接连接到工控机，用于给工控机供电。
[0060] （二）工作方法
[0061] 工作方法包括3个步骤：系统标定、引伸率测量和结果输出。
[0062] 系统标定：
[0063] （1）将标定板用夹具固定，通过工控机向程控光源发出控制指令，调整光照强度，使得工控机接收到的标定板图像能够清晰观察到。通过工控机控制单目相机拍摄1张标定板图像；
[0064] （2）在图像上建立以像素为单位的平面直角坐标系。原点在左下正方形的左下角，水平向右为x轴正方向，垂直向上为y轴正方向；在标定板上建立实际位置平面直角坐标系。原点在左下正方形的左下角，水平向右为X轴正方向，垂直向上为Y轴正方向。由于相机自身无法消除的畸变，图像坐标系与实际位置坐标系之间不可能存在线性变换关系。为了提高测量精度，必须要建立二者的关系模型。
[0065] （3）通过图像处理，检测出标定板上22个正方形形心坐标，用{Gmn}表示，单位为像素，其中m表示行号，范围1 11，n表示列号，范围1 2。~ ~
[0066] （4）对第1列正方形形心纵坐标{Gm1.y}和实际位置序列{5，25,45,65,85,105,125,145,165,185,205}（单位为毫米）利用3次多项式进行拟合，如：得到拟合后的系数序列为{C1N}={0.0010,0.0015,20.202,5.102}从前到后依次为3次项、2次项、1次项和常数项。
[0067] （5）对第2列正方形形心纵坐标{Gm2.y}和实际位置序列{5，25,45,65,85,105,125,145,165,185,205}（单位为毫米）利用N次多项式进行拟合，如：得到拟合后的系数序列{C2N}={0.0008,0.0017,20.200,5.122}。
[0068] （6）将{C1N}和{C2N}中对应阶次系数求取算术平均数，得到系数序列{CN}={0.0009,0.0016,20.201,5.111}。根据系数序列{CN}，得到实际位置Y与纵向像素坐标y的关系为Y=f1
3 2
(y)=0.0009y+0.0016y+20.201y+5.111。
[0069] （7）通过图像处理方法，求取第1列正方形形心横坐标均值，如：x1=200，求取第2列正方形形心横坐标均值，如x2=800。得到实际位置X与横向像素坐标x的关系为X=f2(x)= x*20/(x2‑x1)=0.0333x。由于试验材料是按纵向拉伸，在横向上形变非常小，因此为了提升运算效率，横向模型采用了简化算法。
[0070] 引伸率测量：
[0071] （7）将试验材料用夹具固定。通过工控机向程控光源发出控制指令，调整光照强度，使得工控机接收到的试验材料图像纹理能够清晰观察到。通过工控机控制单目相机拍摄1张试验材料初始图像。
[0072] （8）在试验材料的两端选取两个宽度相等的矩形区域，顶部为上选区，底部为下选区。矩形区域的宽度建议小于试验材料总长的5%。
[0073] （9）对上选区内的图像进行特征点检测，将检测到的K1个的特征点的纵坐标组成序列{PK1.y}，将检测到的K1个特征点的横坐标组成序列{PK1.x}。对下选区内的图像进行特征点检测，将检测到的K2个的特征点的纵坐标组成序列{PK2.y}，将检测到的K2个特征点的横坐标组成序列{PK2.x}。K1和K2为实际匹配成功的点的个数。建议K1>5，K2>5。
[0074] （10）将序列{PK1.y}的每个值代入Y=f1(y)，得到上选区每个特征点的Y方向位置。将序列{PK1.x}的每个值代入X=f2(x)，得到上选区每个特征点的X方向位置。将序列{PK2.y}的每个值代入Y=f1(y)，得到下选区每个特征点的Y方向位置。将序列{PK2.x}的每个值代入X=f2(x)，得到下选区每个特征点的X方向位置。
[0075] （11）将上选区K1个特征点的X、Y方向位置求取算术平均值，得到上选区的中心位置PU为(X1,Y1)。将下选区K2个特征点的X、Y方向位置求取算术平均值，得到下选区的中心位置PD为(X2,Y2)。
[0076] （12）试验材料原始长度L1即为PU和PD两点的距离。通过(X1,Y1)和(X2,Y2)计算两点间距离。
[0077] （13）经过DT时间后，试验材料被引伸变形。通过工控机控制单目相机采集当前时刻试验材料的图像。DT为采样时间间隔，建议大于20
[0078] （14）对图像进行特征点检测，并与初始图像进行匹配。与初始图像上选区匹配成功的K3个特征点的纵坐标组成序列{PK3.y}，横坐标组成序列{PK3.x}。与初始图像下选区匹配成功的K4个特征点的纵坐标组成序列{PK4.y}，横坐标组成序列{PK4.x}。K3和K4为实际匹配成功的点的个数。建议K3>5，K4>5。
[0079] （15）将{PK3.y}和{PK3.x}分别代入Y=f1(y)和X=f2(x)，并对结果进行算术平均处理，得到当前时刻上选区的中心位置QU为(X3,Y3)。将{PK4.y}和{PK4.x}分别代入Y=f1(y)和X=f2(x)，并对结果进行算术平均处理，得到当前时刻下选区的中心位置QD为(X4,Y4)。
[0080] （16）当前时刻试验材料长度L2即为QU和QD两点的距离。通过(X3,Y3)和(X4,Y4)可以计算两点间的距离。
[0081] （17）不断重复（13）（16），能够得到引伸过程中试验材料的长度变化，并将该长度~组成序列{LT}。T表示离散时间点。
[0082] （18）对序列{LT}进行3次多项式拟合，得到试验材料长度L与时间t的关系模型为L=f3(t)。该模型能够通过数学的方法弥补测量精度的不足。
[0083] （19）假如试验材料在t0时刻断裂，那么断裂时刻的试验材料的长度。F表示相机的拍照频率，建议20
[0084] （20）试验材料的引伸率表示为
[0085] 结果输出：
[0086] （21）工控机向声光报警器发出控制指令，以声音和灯光形式提醒操作人员试验材料断裂。
[0087] （22）工控机通过RS232接口，以数字量输出引伸率。
[0088] （23）工控机向DA转换模块发出控制指令，以模拟电压形式输出引伸率。
