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软件影响15(2023)100484原始软件出版物SPSA:基于图像处理的单点应变分析PankajWankhedea,NaraGuruNarayanaswamyb,Suresh Kurraa,AmritaPriyadarshiniaaBirla Institute of Technology and Science Pilani,Hyderabad Campus,Hyderabad,India机械工程系bBirla Institute of Technology and Science Pilani,Hyderabad Campus,Hyderabad,IndiaA R T I C L E I N F O保留字:网格标记表面应变圆网格分析椭圆检测方网格分析A B标准单点应变分析(SPSA)是一种用于测量板料成形过程中表面应变的软件。为此,使用USB显微镜捕获变形的圆形和方形网格的图像带有改进的端盖。该软件提供了不同的算法,用于自动边缘检测和从捕获的图像中评估应变。该软件包是在MATLAB和Python中开发的,具有用户友好的图形用户界面。所开发的软件已通过测量已知尺寸的网格和变形的网格上形成的组件进行了验证。代码元数据当前代码版本V1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2022-258可复制胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/2092818/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用Git的代码版本控制系统软件代码语言,工具和服务使用Python 3.7,MATLAB 2019b编译要求、操作环境和依赖关系scipy、skimage、NumPy、Matlab如果可用,请链接到开发人员文档/手册https://github.com/wrpankaj/Single-Point-Strain-Analysis-Softwares问题支持电子邮件wrpankaj@gmail.com1. 介绍钣金成形广泛用于制造从饮料罐到汽车的零部件。厚度低于6.35 mm的材料被视为板材,厚度超过6.35 mm的材料被视为板材。不同类型的操作是在片材上进行的,以通过实施各种类型的工艺,包括冲压、液压成形、深拉、增量成形等,将片材模制成所需的形状。片材根据操作和工艺经历各种应力和应变。 因此,制造商必须检查变形或应变的水平在成形部件的不同位置。这种应变分析通常通过圆形或正方形网格分析进行。网格分析提供了变形后的局部应变值,有助于制造商分析组件中产生的应变,以获得无故障/损坏的产品。传统上,网格使用聚酯薄膜胶带、移动显微镜、透明胶带等手动进行测量[1 这些方法中的人为干预受到显著的测量误差的影响。同样,手动测量也很费力。因此,有必要开发一种自动应变测量系统,可以消除传统方法的缺点。然而,存在商业自动应变测量系统的可用性[5,6],但是硬件和软件成本较高,这限制了这些系统在小规模工业和学术研究中的使用[7]。近年来,研究人员开发了各种开源软件,用于监测材料参数,如应力,微观层面的断裂厚度测量,以及基于原始实验数据的材料模型构建[8,9]。光学成像方法用于确定拉伸试验样品中的应变,并开发了称为OSM-Classic的软件作为视频的良好替代品本文中的代码(和数据)已由Code Ocean认证为可复制:(https://codeocean.com/)。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。∗通讯作者。电子邮件地址:wrpankaj@gmail.comwww.example.com Wankhede)。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2023.100484接收日期:2023年1月17日;接收日期:2023年2月15日;接受日期:2023年2月20日2665-9638/©2023作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页:www.journals.elsevier.com/software-impactsP. Wankhede,N.G.Narayanaswamy,S.Kurra等人软件影响15(2023)1004842引伸计[10]。Junior等人开发了PolyMPS-一种能够对三维复杂形体的表面进行建模的开源软件,以提高模拟的计算效率[11]。MicroFract [12]是另一种软件,用于通过图像处理方法确定微观结构(微裂缝)中的最小阻力路径。材料数据必须以指定的格式输入模拟软件;手动分析、平滑和拟合数据非常耗时。MaterialModeler是一个基于Matlab的软件,用于自动分析,平滑,拟合和生产 与模拟软件兼容的输入文件[13]。图像处理领域的巨大发展促使作者开发了一个开源的应变分析软件,并提供了经济的硬件支持。通常,通过图像处理,可以从图像中提取出不同类型的几何形状,并通过编制几何计算程序,对这些几何形状进行虚拟拟合和测量。尽管在金属板应变测量的情况下,用户必须拟合变形的圆或正方形以测量该点处的应变研究人员开发了各种算法来拟合椭圆,例如Li等人。[14]提出了最小二乘法,从图像中随机选择椭圆上的三个点,并利用拉格朗日乘子方法来找到椭圆参数。Yu等人[15]提出了一种基于形态结构识别接触细胞图片的新方法,其中他们使用直接最小二乘拟合进行分割和重建。Xie等人。[16]采用长轴来发现椭圆的其他参数,使现有方法更有效和更快。除了上述策略外,霍夫变换(HT)、迭代随机化HT和弧支持线段方法也用于椭圆检测[17类似地,在图像中的正方形网格分析中定位正方形和平行四边形的四个角是一项困难的任务。很少有研究人员专注于检测四边形角点。Harris角点识别技术是从图像中提取四边形角点的一种由于图像采集硬件的不规则性,图像具有各种形式的噪声,因此该技术得到了改进,并适用于应用[20,21]。当角点存在急剧波动时,小波变换方法也用于基于边界的角点检测[22]。但是很少有研究人员将这些算法应用于金属板成形应用中,因为Hsu [23]提出了两种不同的方法(多元回归分析方法和总最小二乘优化方法)来从数码相机的极限应变中找到极限应变捕获的变形网格的图像Yildiz等人[24]一种该算法包含一个canny边缘检测器,用于平滑边缘,然后用空间导数构造图像梯度。最后,边缘标记高斯平滑图像的梯度幅度的最大值。这些算法没有转化为用户友好的应用程序,因此任何研究人员都可以直接使用这些算法进行应变测量,而无需图像处理知识。因此,作者开发了图形用户界面,用于测量变形的圆和正方形的尺寸,以估计变形部件上的应变。本文介绍了自行开发的基于图像处理的板料应变测量软件SPSA。在这里,创建了两个GUI来处理捕获的变形网格图像,一个基于MATLAB平台,另一个是在Python平台上。在基于matlab的图形用户界面中,采用了三种算法对图像进行处理,分别是圆弧支撑线段算法、二次椭圆拟合算法和射影直射。 上另一方面,基于Python的GUI包括两个算法,即HT与聚类算法和边缘分割算法,分别用于方形和圆形网格分析。在之前的文章中,已经验证了所实现的算法,并与商业软件进行了比较[251.1. 软件开发中使用的算法针对不同的网格打印方法,提出了五种基于椭圆和四边形角点检测的变形构件应变检测算法。三种算法被开发用于检测椭圆,两种算法用于在变形的正方形(四边形)中拟合最大面积椭圆。圆弧支撑线段算法是专门用于检测激光雕刻网格的,但它不能自动检测丝网印刷网格。因此,在python环境中实现了边界框算法的边缘分割,以自动拟合丝网印刷网格上的椭圆。最后一个算法,即,采用最小二乘椭圆拟合算法,通过沿边缘手动选点来拟合椭圆。这种方法可以用于任何有或没有噪声的图像,称为故障保护方法。同样地,对于正方形网格分析,Hough变换与聚类被结合到所开发的用于自动检测角点的算法中,以在四边形内自动拟合最大面积椭圆。投影直射法被用来作为一个故障保险,以适应最大尺寸的椭圆,通过手动选择角。图1示出了用于执行圆形网格分析和方形网格分析的开发方法。2. 软件描述图2(a)显示了在python平台上开发的GUI。 GUI分为四个部分,即图像浏览器、执行操作的按钮、校准和应变输出。它还提供了先进的设置窗口,如图所示。第2段(b)分段。所开发的软件还能够进行椭圆检测,在实时。此外,它还使用户能够流式传输相机的实时视频并计算瞬时帧上的主应变,从而允许用户在收集数据点的同时移动相机。通过材料选择菜单和ROI,用户可以选择图像上的材料和感兴趣区域用MATLAB GUIDE创建的GUI如图所示。3 .第三章。 该软件分为应变测量和理论FLD两个模块。校准、应变测量和数据导出都可以在测量模块中使用。有两种应变测量选项:自动应变测量和半自动应变测量。模块二包含各种预测FLD的理论方法。用户可以使用单选按钮选择合适的模型,然后输入必要的输入数据来绘制FLD。 理论FLD应变数据也可以保存到Excel(.xlsx)中进行额外处理。在测量应变之前,将捕获的初始圆的图像提交给软件进行校准校准后必须上传变形的圆如果图像帧包含多个椭圆,用户可以使用软件的感兴趣区域(ROI)按钮对其进行裁剪,使图像窗口中只有一个椭圆。然后,用户必须选择“自动"作为测量模式,以自动获得主要和次要主应变。在图像模糊或有噪声的情况下,用户可以选择半自动技术要求用户选择椭圆边缘上的五个点。然后由程序自动计算表面应变。该表将包含所有应变值以及长轴和短轴长度。应变数据也显示在图中。应变数据也可以导入到Excel中并进一步处理。在“TheoreticalFLD”(理论FLD)中,用户可以通过单击模型名称旁边的单选按钮来选择感兴趣的模型。软件显示使用选定模型绘制FLD所需的输入。输入数据后,FLD显示在绘图窗口中,并导出到Excel(.xlsx)以供进一步使用。“帮助”选项包括一个完整的教程,介绍如何使用该软件以及在其开发中使用的其他数学计算P. Wankhede,N.G.Narayanaswamy,S.Kurra等人软件影响15(2023)1004843图1.一、 单点应变分析(SPSA)结构与不同的 建议算法。图二、基 于 Python的圆形和方形网格分析软 件 (a)主GUI(b)高级设置选项卡。P. Wankhede,N.G.Narayanaswamy,S.Kurra等人软件影响15(2023)10048442.1. 说明性实例图3.第三章。基 于 Matlab的圆形和方形网格分析软件。渐进成形采用自行研制的单点应变测量系统测量成形件上的应变,通过在图4所示的金属板上以不同方向打印已知尺寸的椭圆和内接于四边形内的椭圆来执行所开发的软件的验证。最初,将3mm直径的圆打印在片材上,并使用便携式USB显微镜捕获以校准软件。校准过程将尺寸从像素转换为mm。然后,从打印纸上捕获椭圆和四边形的后续图像,并通过软件进行处理。表1显示了软件估算的应变与将3mm直径视为基础直径的椭圆打印尺寸计算的应变的比较。单点应变测量系统的最大绝对误差为0.0209。此外,通过对成形部件进行测量来测试应变测量系统的能力。三个平板印刷有3mm填充圆、开口圆、正方形和具有圆网格图案的正方形,并使用比较性质与成形模拟的同一个组成部分,如图。五、2.2. SPSA对板料成形研究现状的影响金属板材产品广泛应用于各种行业,包括航空航天、汽车和船舶。了解材料可以承受的应变量对于生产不会断裂的产品至关重要。本文中创建的SPSA软件对于参与板材成形和材料测试的研究人员和企业来说将是非常有价值的,无需购买昂贵的商业应变测量仪器。用SPSA测量的应变非常准确,测量时间非常短。该软件还测试了使用各种方法打印的网格。椭圆检测算法有可能影响范围广泛的领域,而不仅仅是单点应变分析。 该算法可用于PCB检测领域的快速缺陷检测P. Wankhede,N.G.Narayanaswamy,S.Kurra等人软件影响15(2023)1004845图四、 具有已知尺寸的 椭圆和在不同方向上内接椭圆的四边形的平板。表1在所提出的应变测量系统中,已知尺寸的椭圆和平面上四边形印刷内的椭圆的绝对误差网格图案尺寸测量计算测量应变绝对误差印刷(mm)尺寸(mm)菌株填充椭圆开椭圆四边形主要次要主要次要4. 500 3. 000 4. 480 3. 020 0. 4055 0. 0000 0. 4010 0. 0066 0. 0045 0. 00665.000 3.500 4.970 3.502 0.5108 0.1542 0.5048 0.1547 0.0060 0.00065.500 3.000 5.480 3.060 0.6061 0.0000 0.6025 0.0198 0.0036 0.01982019 - 05 - 25 00:00:00 00:002019 - 05 - 25 00:000.000 4.500 6.950 4.469 0.8473 0.4055 0.8401 0.3986 0.0072 0.00690.0000 0.0000 0.0000 0.9136 0.0033 0.0027 0.00330.000 4.500 7.950 4.520 0.9808 0.4055 0.9746 0.4099 0.00630.0000 0.0000 1.0367 0.0066 0.0047 0.00662019 - 04 - 26 00:00:00 00:004.500 3.000 4.479 2.964 0.4055 0.0000 0.4008 −0.0121 0.0047 0.01212019 - 05 - 21 00:00:005.500 3.000 5.478 2.965 0.6061 0.0000 0.6021 −0.0117 0.0040 0.01172019 - 06 - 25 00:002019 - 06 - 25 00:00:000.000 4.500 6.948 4.479 0.8473 0.4055 0.8398 0.4008 0.0075 0.00470.0000 0.9121 −0.0090 0.0041 0.00900.000 4.500 7.976 4.476 0.9808 0.4055 0.9778 0.40010.0000 1.0354 − 0.0043 0.0060 0.00432019 - 04 - 26 00:00:000.000 0.000 0.0000 0.0000 0.0162 −0.0080 0.0162 0.00804.250 4.250 4.292 4.320 0.3483 0.3483 0.3581 0.3646 0.0098 0.01635.000 5.000 5.000 0.5108 0.5108 0.5108 0.0000 0.00000.000 0.000 0.127 0.045 0.6931 0.5108 0.7141 0.5198 0.02092019 - 06 - 25 00:00:00 00:00 00:2019 - 05 - 25 00:00:00 00:002019 - 03 - 23 00:00:000.00011.500 1.500 1.539 1.590 1.1527 0.9163 1.1568 0.9282 0.0041 0.011910.750 6.250 10.672 6.344 1.2763 0.7340 1.2690 0.7489 0.0073 0.0149检测以及定位圆形垫或孔[28]。 除了单点应变测量外,所开发的算法还可用于小尺寸椭圆尺寸,例如在硅单晶生长控制系统中通过椭圆拟合估计孔径[29在机器人技术中,它可用于实时检测和跟踪椭圆,使机器人能够识别其环境中的物体并与之交互。 在医学成像中,它可用于检测和分析医学图像中的椭圆,以识别肿瘤或检测器官中的异常。在工业检测中,该算法可以精确测量经常用作装配基准的圆孔。处理非均匀反射和倒角的能力使得该算法更适合在现实世界的工业场景中使用。椭圆检测算法的精度提高,结合稳健的空间圆拟合,为3D应变分析提供了强大的工具,有助于识别细微的应变模式,否则单独使用单点应变分析无法检测到这些模式。这种增强的分析可以改善质量控制,减少检查时间和成本,并最终提高产品的可靠性和性能。此外,在Iris在虹膜识别系统中,椭圆拟合过程是虹膜定位的重要预处理步骤[32]。而在航天器控制系统[33]中,采用椭圆拟合技术来计算航天器的姿态3. 结论SPSA是一个应变测量软件,用Python和Matlab编写,用于变形钣金件的自动应变测量。它旨在满足广泛的研究群体的需求,重点是确定可成形性。该系统中提出的方法是一种非常快速和成本有效的方法,用于金属板成形操作中的表面应变分析。该系统为小型工业企业和学术机构提供了一种不需要购买专用网格图形分析仪的钣金表面应变测量的良好选择。所有提出的算法的测量精度都在ASTM-2218-02标准的限制范围内。 因此,所提出的硬件和图像处理软件系统可用于单点应变分析。P. Wankhede,N.G.Narayanaswamy,S.Kurra等人软件影响15(2023)1004846图五、(a)具有已知尺寸椭圆的 平 板 和具有最大面积椭圆的 四 边 形 (b)成 形 部 件 的 应变测量。竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作致谢作者感谢印度政府科学技术部( DST)的财政支持,制裁号 -DST/TDT/DDP-18/2018(C)。引用[1]MP.张文忠,等离子体技术在金属板材成形中的应用,北京:机械工业出版社. 过程 Technol. 145(3)(2004)377-384。[2]王志荣,超深冲钢的成形性分析,机械工程学报。过程130(2002)31-41。[3]在图纳拉亚南角张文龙,焊接条件对拼焊板成形极限应变的影响,机械工程学报,2001。工程设计43(4)(2008)217-227。[4]张文龙,平面应变拉伸成形中拼焊板的成形性研究,机械工程学报,2009,第44卷,第7 -8期,第675-685页。[5]霍尔,发明人;汽车清算公司,受让人。自动确定金属板应变的方法和装置,1981,美国专利US4,288,852。1981年9月8日[6]DN.哈维,发明人; MTS系统公司,受让人。用于自动确定变形金属板中的应变的光学网格分析仪系统,1986年,美国专利US 4,598,420。1986年7月1日。[7]F.厄兹蒂尔克湾Dilmec,M. Turkoz,RE.嘿,HS。Halkaci,金属板成形性的网格标记和测量方法,在:2009年第5届机械和模具设计和生产国际会议和展览会上,第100页。18比21[8]T.本克特角哈特曼,M。Eder,F. Speckmaier,W. Volk,MaterialModeler-从实验原始数据到材料模型,SoftwareX 10(2019)100249。[9] J.Kozicki,FV. Donze,一个新的开源软件,用于使用离散建模方法进行数值模拟。方法应用机械工程197(49 -50)(2008)4429-4443。[10] Daniel R.放大图片作者:David S. 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