OSM-Classic：精确测定应变的光学成像技术软件

SoftwareX 6（2017）225原始软件出版物OSM-Classic：一种用于精确测定应变的光学成像技术Daniel R.放大图片作者：David S.诺贝尔奖*加拿大阿尔伯塔大学机械工程系ar t i cl e i nf o文章历史记录：2016年11月16日收到2017年8月11日收到修订版，2017年保留字：应变测量光学应变测量OSM光学伸长测量MATLABa b st ra ctOSM-Classic是一个用Matlab语言编写的程序本发明提供一种使用光学成像技术精确地确定测试样品中的应变的方法。测量材料机械特性的应变最常用的是引伸计、LVDT（线性可变差动变压器）和应变仪;然而，这些应变测量方法具有脆弱的性质，并且将这些设备连接到材料上进行测试并不特别容易。为了缓解这些潜在的问题，可以实施不需要与试样接触的光学方法来测量应变。OSM-Classic是一种软件，可查询一系列图像，以确定测试样品的伸长率，从而确定试样的应变它旨在提供一个图形用户界面，其中包括动态感兴趣区域的图像处理。此外，直接计算染色，同时在处理期间提供主动反馈。©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据Nr.代码元数据描述请填写此栏C1当前代码版本V5.1.1C2指向此代码版本https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00091C3法律代码许可证MIT许可证C4使用的代码版本控制系统没有一C5使用的软件代码语言、工具和服务Matlab [10]（*.m，*.fig）C6编译要求、操作环境依赖性MatLab，图像处理和优化工具箱C7如果可用，链接到开发人员文档/手册C8问题支持电子邮件draldric@ualberta.ca（主题：OSM支持）1. 动机和意义通过测试样品的材料特性，可以提供重要的信息，用于表征材料并帮助预测其在不同负载条件下的行为。应变片通常用于测量材料在测试过程中经受的应变，并帮助确定这些特性。常用的两种主要类型的应变测量设备是电阻应变片（RSG）和线性可变差动变压器（LVDT）[1]。然而，这些方法在许多测试应用中具有局限性RSG通讯作者。电子邮件地址：dnobes@ualberta.ca（D.S. Nobes）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.08.007图案在金属箔。当材料经受应变时，应变通过机械手段（杠杆或粘合剂）传递到器件，并且这导致电阻元件的长度和宽度的变化。尺寸的变化导致元件电阻的总体变化，这允许计算材料所经历的应变LVDT由三个线圈组成，一个初级线圈和两个次级线圈，缠绕在单个磁芯上随着铁芯的位移，观察到次级线圈中自感的变化与铁芯的位移呈线性关系[2]。将LVDT的芯部和外壳固定到样品上，可以测量位移的变化，因此可以通过了解接触点之间材料的原始长度两种器械均提供了测试样品长度变化的间接测量这种长度变化由其组件的电响应确定，并由单个电压表示。样品的变化，如裂纹2352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx*226D.R. 奥尔德里奇等人/SoftwareX 6（2017）225传播和颈缩被单个输出电压掩盖，导致结果的解释不佳当使用依赖RSG和传统电阻应变计的物理引伸计时，测量用于防止在样品上滑动的引伸计的锋利刀刃可能会嵌入样品，造成不必要的应力集中，从而导致过早失效。温度对电阻应变片的影响需要使用两个或多个应变片来补偿温度变化，从而改变应变片的电阻率，以及应变片材料的热膨胀[3]。此外，测量设备非常脆弱，需要在样品开始屈服之前或屈服时移除引伸计/应变计，以避免损坏样品。这些问题中的许多问题可以通过使用非用于应变测量的介入式光学成像方法可以使用照相机结合样品上的高对比度标记来确定样品上的应变，从而提供样品的2D视图以供以后解释。通过使用边缘处的标记（1D应变测量）或在标距长度上散布的散斑（2D应变测量）来测量应变虽然可以通过将散斑图案应用于标距长度来实现数字图像相关（DIC）或单个点跟踪以确定应变场，但可能难以将适当的图案应用于样品[4]。视频延伸测量（VE）可以通过用线或点标记标距长度的边缘，以边缘跟踪算法的形式实现，从而实现更简单且计算量更小的算法[5]。OSM- Classic软件为VE提供了一种低成本的替代方案，能够使用消费者可用的相机提供快速而准确的应变测定。此外，该软件还为用户拍摄图像之前的调整包括确保标距长度填充框架，应用强对比度标记，以及正确照明样品。材料的标距长度需要尽可能多地填充框架，同时仍允许足够的空间供试样伸长。对比标记需要提供足够的对比度以与样本区分开并确保边缘将被检测到。最后，相机需要足够的光线来提供高对比度的图像，同时保持一致的帧速率。图1示出了应用高对比度标记以确保捕获最佳图像的示例。可以看出，样品上的高对比度标记（黑色）从标距长度施加到样品的夹持区域，留下标距长度以显现图像中的高对比度（白色）。虽然这并不总是必要的，并且可以使用替代的标记方法，但是这提供了对边缘的更稳定的检测，并且减少了对边缘的干扰。 “丢失”标距长度边缘的可能性该算法用于确定高浓度的位置在OSM-Classic中，trast标记通过取垂直于应变方向的平均强度开始用六参数函数拟合光强分布，f（x）=（A-F）<$[erf（B（x-C））-erf（D（x-E））]+2F，（1）其中A、B、C、D、E、F是最小二乘拟合中使用的参数，x是沿着强度分布的位置，其中误差函数（erf）被拟合。在从上面的曲线拟合确定边缘（C和E）的位置之后，可以计算应变。使用应变（ε）的一般一维定义确定为：ε=εL=（C−E）−（C0−E0），（2）通过提供L0，C0−E0用户需要的反馈是传统的接触式引伸计无法提供的2. 软件描述商业试验机制造商已经开发了DIC和VE技术测量应变的实际实施方案，包括MTS这些实现需要购买软件和相关硬件。然而，与购买这些系统和附加设备相关的成本过于昂贵。开发了一种测量应变的光学成像方法OSM-Classic，以缓解这一问题以及与接触式引伸计/应变计相关的问题。OSM-Classic可对可以使用廉价硬件获取的序列图像进行操作类似于通过数字图像分析进行的光学应变测量[5]，两个程序都使用误差函数来确定图像序列中两个平行边缘的位置，从而定义样品上的长度。然而，OSM-Classic的设计不需要对图像进行预处理以减少提供结果所需的时间，六点曲线拟合以提高边缘跟踪的准确性，并且在应变测定期间提供更多的视觉反馈以更好地理解结果。预处理图像可能需要大量的时间，取决于测试的数量、每次测试的图像以及图像的文件大小。OSM-Classic旨在通过在程序中提供各种调整来减少或消除所需的图像预处理（参见第2.2节）。程序中的调整允许使用图像上的边界以及强度限制，以确保在不进行预处理的情况下实现最佳应变测量。虽然程序能够通过程序中包含的调整获得结果，但需要采取措施确保图像适合应变测定。其中，ΔL是标距长度与原始长度L0相比的变化。这是根据标距长度的左边缘的位置C与其左边缘的原始位置C0的比较以及右边缘的位置E与右边缘的原始位置E0的比较来确定的。由于应变被定义为长度变化与原始长度的比率，因此它是无量纲的，并且可以在图像的像素空间中确定2.1. 软件构架该软件是使用GUI开发环境（GUIDE）为Matlab编程语言它与视频转换程序相结合，可用于将捕获的视频转换为所主菜单为软件的所有功能提供了一个单一的访问点，并允许在不同的程序（OSM-Classic和Video Converter）之间切换，同时允许轻松实现未来的软件包含主菜单可以通过m文件OSM_Suite访问，它提供了直观的点击式界面。2.2. 软件功能软件可以旋转图像，使其与应变测定方向相同。该程序提供了反转图像的功能，以允许自动猜测，自动定位曲线拟合的初始猜测的边缘，以检测它们的位置。图2（a）示出了图像的原始取向和旋转的结果。图2（b）中所需的方向。通过允许在程序中选择图像的方向，可以使相机方向最大化以最大化用于确定应变的可用分辨率，并且可以消除旋转单个或批量图像所花费的D.R. 奥尔德里奇等人/SoftwareX 6（2017）225227图1.一、 图像显示了样本的标距长度示例（白色）;高对比度标记（黑色）用于创建程序要跟踪的边缘。C和E表示当前边缘，C0和E0表示边缘的初始位置图二. 显示图像的原始方向（a）和校正方向（b）的示例。图三. 显示感兴趣区域应用程序的软件图像。此外，感兴趣的区域（ROI），如图所示。 3、可设置左右标距长度并可启用移动边界。在图像中设置ROI可以去除不靠近标距长度的噪声这可以在图3中观察到，在GUI底部的绘图显示中突然下降到零此外，移动边界可以在整个测量过程中消除更多的背景干扰，同时保持检测边缘和边界之间的恒定区域。国王的。通过确定一帧中检测到的边缘的位移，可以将ROI这允许程序动态地去除背景，同时始终保持ROI接近标距长度的末端还可以对图4所示的强度分布施加限制，以去除与材料表面相关的噪声，从而提供接近于228D.R. 奥尔德里奇等人/SoftwareX 6（2017）225±±见图4。 软件图像显示通过应用强度限制消除两个边缘之间的噪声。图五. 显示应变处理期间可用的不同类型反馈的软件图像。边缘通过在强度函数中创建更尖锐的边缘，存在明显的高对比度，这使得边缘更容易被准确地检测到。对强度的限制提供了检测到的边缘的较少漂移，并且增加了程序的可靠性。该软件还提供了关于样品和测量结果的反馈，这是传统应变测量方法无法实现的。如图5所示，程序显示正在处理的当前图像，以及用于确定应变的ROI和检测到的边缘此外，下面是当前图像的强度分布;在强度分布的顶部绘制的是曲线的最小二乘近似，两个误差函数的中心由实线垂直线突出显示。还有一个在线显示器，以百分比显示当前应变的定量测量，以及显示应变作为图像编号函数的图形如果每个图像之间的时间是恒定的，则该图的斜率可以被解释为应变率。该软件提供的额外反馈可以更好地了解测试期间材料3. 执行情况和实证结果进行了实证研究，以验证软件获得的结果。通过使用引伸计同时测量应变并使用摄像头捕获测试，用软件处理图像后，将菌株彼此作图，并通过将线性函数拟合至数据来确定线性对于要验证的数据，结果需要斜率为1，这表明两种方法的应变值相同。除了斜率之外，相关系数还需要值1，这是用于确定数据与线性趋势偏离程度的度量。图6显示了所执行测试的结果之一;显示存在强线性趋势（斜率为1.023，相关系数为0.9999）。根据此处提供的10个总测试样本量，平均斜率确定为1.011 0.090，平均相关系数R2为0.9980.003.由于平均斜率和相关系数接近1，且偏差相对较小，因此可以得出结论，D.R. 奥尔德里奇等人/SoftwareX 6（2017）225229见图6。MTS引伸计和OSM-Classic的比较。该图显示了数据的线性趋势和强相关性。线（数据）由1450个数据点组成，代表性数据由圆圈表示。见图7。确定试样应变的工作流程图示。与传统的应变测量装置相比，从该软件获得的结果是准确的4. 说明性实例图7显示了与OSM-Classic相关的工作流程。将图像文件夹导入GUI，其中可以旋转图像的方向以确保应变发生在水平方向。ROI可以设置在标距周围，并且可以设置强度上限以去除标距内的噪声。可以设置移动边界以允许样本周围的较小ROI以及对样本的位置的初始猜测。可以设置高对比度标记可以在有或没有视觉效果的情况下开始处理，并且结果（包括图像编号、两个边缘的位置和应变）以CSV格式输出到数据文件。5. 影响材料科学是一个不断发展的领域。随着增材制造和纺织复合材料的普及，测量较小样品、不同温度下的样品或经历大应变的样品的应变的能力变得至关重要。OSM-Classic为材料科学家和研究人员提供230D.R. 奥尔德里奇等人/SoftwareX 6（2017）225具有在测试后测量应变的能力，而不需要从测试机制造商购买昂贵的硬件和软件此外，该软件允许使用消费者可用的相机。OSM-Classic不需要以前的软件所需的及时预处理。该软件已用于确定在各种温度下测试的小型3D打印样品[8]和管状编织复合钢筋[9]的应变。6. 结论介绍了光学应变测量程序OSM-Classic该程序允许确定无法安装应变计或伸长计的样品上的应变;它也可以用于需要远程应变测量的地方，例如通过温度/环境室的透明窗口。通过扩展，这进一步允许在过于苛刻或不适合其他应变测量设备的环境中测量应变该软件只需要在测试过程中捕获样品的视频或图像序列，即可准确确定应变，同时为用户提供有用的反馈。致谢作者感谢加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）-发现补助金（418533）、加拿大创新基金会（CFI）（31500）和阿尔伯塔大学机械工程系，允许进行本研究。引用[1] 放大图片作者：Ayranci C，Fahim A，Munro M.一种新型钢筋混凝土结构应变传感器。Strain 2008;44（2）：191-200. http://dx.doi.org/10.1111/j.1475-1305的网站。2007.00365.x。[2] KuhnH ， Medlin D ， editors. 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