王炳英，侯振波，徐圣朋

（中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）

裂紋尖端張開位移CTOD（crack tip opening displacement）是彈塑性斷裂力學(xué)的一個(gè)重要參量，反映試驗(yàn)材料或焊接接頭的抗開裂性能［1］，按照BS7448規(guī)范［2］規(guī)定，板厚超過50mm的焊接接頭必須做CTOD試驗(yàn)，CTOD斷裂韌性指標(biāo)在焊接結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估方面應(yīng)用廣泛，因此很有必要在材料、材控專業(yè)的教學(xué)中增加CTOD試驗(yàn)。CTOD試驗(yàn)常用的測量方法是采用位移傳感器，先測量裂紋嘴的張開位移，再換算出CTOD值。但是由于位移傳感器的布置、裝夾等方面的原因，需要對(duì)試件進(jìn)行專門處理，給CTOD試驗(yàn)帶來了不便，而且難以直接測量CTOD值。

為了能讓學(xué)生形象地理解材料的抗開裂性能，并節(jié)約試驗(yàn)耗材，利用圖像采集技術(shù)取代傳統(tǒng)的位移傳感器，直接采集裂紋尖端區(qū)的位移圖像信息，讓學(xué)生觀察裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)信息，應(yīng)用圖像處理軟件對(duì)CTOD試驗(yàn)中裂紋尖端區(qū)的圖像信息進(jìn)行處理，直接獲得相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)利用單個(gè)試樣可多次演示開裂前裂紋張開位移，也可以進(jìn)行裂紋開裂后的CTOD測試，試驗(yàn)結(jié)果精確直觀，試驗(yàn)過程快捷經(jīng)濟(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)是在現(xiàn)有液壓萬能試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，加載基于CMOS圖像傳感器的工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成。主要由CTOD主體試驗(yàn)、數(shù)字圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)、PC機(jī)實(shí)時(shí)圖像處理及顯示四部分組成，其總體結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

裂紋尖端擴(kuò)張區(qū)數(shù)字圖像的采集是通過高分辨率工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)實(shí)現(xiàn)的?？紤]到對(duì)圖像質(zhì)量及清晰度的要求，選用維視圖像公司生產(chǎn)的MV－500UM－USB2.0接口黑白工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。

該相機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、功耗低、價(jià)格低廉，省去了圖像采集卡，簡化了連接電纜，使產(chǎn)品易用性大大提高。最高分辨率2 592×1 944，像素尺寸2.2μm×2.2μm，信噪比＞42dB。通過通用可編程接口對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行控制，圖像采集控制程序施加外部信號(hào)觸發(fā)采集或連續(xù)采集，實(shí)現(xiàn)裂紋尖端擴(kuò)張區(qū)圖像信息的實(shí)時(shí)采集。通過計(jì)算機(jī)編程控制曝光時(shí)間、亮度、增益等參數(shù)，保證所得圖像信息的質(zhì)量及分辨率。

通過可編程通用接口對(duì)固件程序和驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行優(yōu)化處理，所搭建的系統(tǒng)能快速穩(wěn)定地完成圖像的采集、傳輸及處理工作，并易于使用，便于操作。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 圖像采集控制程序

圖像采集程序的主要功能是控制工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)完成裂紋尖端擴(kuò)張區(qū)數(shù)字圖像的采集，通過數(shù)據(jù)傳輸線，利用串口送入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)后交由圖像處理程序，應(yīng)用圖像處理技術(shù)進(jìn)行后期技術(shù)處理，然后利用VB開發(fā)的人機(jī)交換界面實(shí)時(shí)顯示采集到的裂紋尖端圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋尖端張開位移的可視化分析與研究。圖像采集程序的流程見圖2。

圖2 圖像采集程序流程

2.2 圖像信息處理程序

圖像處理程序的主要功能是快速處理所獲取的圖像信息。計(jì)算機(jī)終端通過USB獲取數(shù)字圖像信息，數(shù)據(jù)預(yù)處理后，應(yīng)用圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，通過圖像分析進(jìn)行特征識(shí)別［3］。圖像處理流程見圖3。

圖3 圖像處理流程

采用多線程技術(shù)對(duì)圖像特征進(jìn)行提取識(shí)別，并通過統(tǒng)計(jì)方法分析所獲得的特征數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行可視化顯示。

裂紋圖像處理過程分為多步，每步圖像處理算法的選擇對(duì)圖像處理結(jié)果很關(guān)鍵。針對(duì)金屬焊接接頭裂紋，設(shè)計(jì)出一套適用于裂紋尖端張開位移的檢測算法。

2.2.1 迭代閾值分割

選擇某一近似閾值作為估計(jì)值的初始值，然后進(jìn)行分割，產(chǎn)生子圖像，根據(jù)子圖像的特性來選取新的閾值，再利用新的閾值分割圖像，經(jīng)過幾次循環(huán)，使錯(cuò)誤分割的圖像像素點(diǎn)降到最少［4］。整體閾值分割后，裂縫被提取出來，圖像中含有少量噪聲。

2.2.2 裂紋中心線提取

對(duì)閾值分割后的圖像進(jìn)行裂紋區(qū)域的提取，這里要用到裂紋中心線。

（1）將圖像逐行遍歷，得到原裂縫圖像每行最左邊和最右邊目標(biāo)的列數(shù)r（1）和r（r），將其取平均，得到準(zhǔn)中心線列數(shù)；

（2）由于圖像噪聲的存在，有一小部分r（i）會(huì)偏離中心線很遠(yuǎn)，這部分周圍像素一般都是背景而不是目標(biāo)。通過r（i）左右各3個(gè)像素比較，將全是目標(biāo)像素的r（i）留下；

（3）對(duì)于沒有r（i）的行，用前后行的r（i）進(jìn)行插值，來確定列數(shù)，進(jìn)而得到裂紋的中心線。

2.2.3 裂紋邊界確定

裂紋圖像邊界的確定采用重心偏移法［5］。具體步驟如下：

（1）設(shè)圖像Ⅰ中f（xi，yi）表示像素點(diǎn)（xi，yi）的灰度值，以像素點(diǎn)（xi，yi）為中心，采用5×5模板計(jì)算該點(diǎn)的重心偏移量。計(jì)算公式為

（2）計(jì)算像素點(diǎn)重心偏移量的空間距離，公式為

（3）根據(jù)空間距離的值，判斷像素點(diǎn)是否為邊緣點(diǎn)。

（4）反復(fù)重復(fù)以上步驟，最終得到裂紋圖像的邊界。

2.2.4 左右邊界提取及寬度計(jì)算

對(duì)裂縫二值化圖像的左右邊界分別進(jìn)行輪廓跟蹤［6］，即可得到裂縫左右邊界坐標(biāo)。設(shè)裂縫左邊界點(diǎn)的坐標(biāo)為（xr，yr），右邊界點(diǎn)的坐標(biāo)為（x1，y1），則根據(jù)平面上兩點(diǎn)間距離公式，左右邊界點(diǎn)的距離為

當(dāng)裂縫左邊界點(diǎn)的坐標(biāo)為（xr，yr）與右邊界點(diǎn)的坐標(biāo)為（x1，y1）重合時(shí)，則可確定此點(diǎn)為裂紋尖端頂點(diǎn) （xc，yc），左 右 邊 界 坐 標(biāo) 中 心 點(diǎn) 坐 標(biāo) 為。

通過以上步驟進(jìn)行處理后得到裂紋圖像輪廓線，可以清晰地顯示裂紋尖端的輪廓曲線，并可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)測量。

3 結(jié)束語

改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可清晰直觀的對(duì)裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)過程更為直觀，便于理解。有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提高具有重要意義。

試驗(yàn)系統(tǒng)極大地降低對(duì)試件的要求，提高試件的復(fù)用率，降低CTOD試驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)教學(xué)試驗(yàn)的低成本運(yùn)行。獲得的數(shù)據(jù)信息量大，系統(tǒng)開放透明，且記錄數(shù)據(jù)較多，可進(jìn)行其他相關(guān)應(yīng)用的后續(xù)開發(fā)和研究。隨著研究的深入和圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和提高，自動(dòng)化處理程度可不斷提高，為科研提供更大的便利。

注：

①GB/T 2358－1994，金屬材料裂紋尖端張開位移實(shí)驗(yàn)方法.

②GB/T 21143－2007，金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)方法.

［1］苗張木，王志堅(jiān).金屬焊縫CTOD試樣疲勞裂紋前沿平直度研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（12）：54－57.

［2］British Standard Institution.Method for Determination of，Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials［S］.1991，BS7448－1.

［3］韓曉軍.數(shù)字圖像處理技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：58－87.

［4］丁亞軍，徐大宏.多標(biāo)號(hào)圖像分割及其應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（1）：29－31.

［5］林曉敏，桂婷.基于重心的一種灰度圖形邊緣檢測算法［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（12）：235－237.

［6］李浩然，孫維國.數(shù)字圖像輪廓特征提取過程研究［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，31（11）：52－56.