本申請根據(jù)《美國法典》第35篇第119(e)條的規(guī)定要求于2014年7月28日提交的美國臨時申請序列號62/029,650的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用整體并入本文并用于所有目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及一種通過使用視頻方法實時測量應(yīng)變和相關(guān)數(shù)據(jù)的方法。

現(xiàn)有技術(shù)描述

視頻引伸測定在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且為其預(yù)期目的而得到很好的發(fā)展。然而，用視頻裝置測量應(yīng)變的顯著限制性方面是以很高的速度收集圖像，將圖像提供給圖像處理引擎，處理圖像以產(chǎn)生位移或應(yīng)變值，以軟件可消耗格式輸出應(yīng)變值，并使其與通過傳統(tǒng)實時方法(例如，測力傳感器具有電平衡的橋)收集的其它數(shù)據(jù)同步。

有許多視頻處理引伸計的制造商。提供這些視頻處理引伸計的一些主要公司是Shimadzo，Zwick和Imetrum。通常，所有這些都使用以下方法論：采用外部機器視覺照相機，輸入到PC或視頻處理硬件并使用硬件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號，或具有與材料測試系統(tǒng)兼容的軟件接口。

現(xiàn)有技術(shù)包括由Instron制造的IPVE和AVE 1，并且它們?yōu)樗鼈兊念A(yù)期目的而被很好地開發(fā)。這些裝置使用外部照相機、PC和模擬輸出來捕捉圖像并處理來自這些圖像的應(yīng)變值。應(yīng)變數(shù)據(jù)由PC中的軟件計算并通過模擬輸出來輸出。這在圖1中示出。

有許多算法用于從視頻圖像計算應(yīng)變，并且每個算法具有優(yōu)點和缺點。大多數(shù)系統(tǒng)的主要缺點是它們使用現(xiàn)成的高速機器視覺照相機，通過高速總線將圖像傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)，使用諸如PC或微控制器的標準或?qū)Ｓ锰幚硐到y(tǒng)來操縱圖像，然后將數(shù)據(jù)內(nèi)部地輸出到處理系統(tǒng)上的軟件或經(jīng)由轉(zhuǎn)換器輸出到電信號。通常，這些系統(tǒng)消耗整個圖像并且在像素陣列上工作以產(chǎn)生應(yīng)變或位移值。以這種方式計算應(yīng)變或位移是計算密集的并且需要大的微處理器系統(tǒng)。此外，為了保證實時行為以滿足許多材料測試需要，在處理系統(tǒng)上使用實時操作系統(tǒng)。在計算應(yīng)變或位移數(shù)據(jù)之后，將其輸出到需要專用接口并且不是非常便攜的PC上的軟件，或經(jīng)由模擬或編碼器裝置將其輸出。這些系統(tǒng)具有關(guān)于時間延遲、集成和需要計算能力的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本公開的目的是開發(fā)關(guān)于實時視頻引伸計的進一步改進。

本公開的實施例通過以下方式來克服上述不足：將圖像源、數(shù)據(jù)處理和電輸出組合到單個處理板上，以便實現(xiàn)高頻圖像和數(shù)據(jù)流的低延遲時間。進一步，數(shù)據(jù)處理引擎或FGPA(現(xiàn)場可編程門陣列)基于像素處理圖像，并且更新中間應(yīng)變導致的輸出，以使得在接收到最終圖像像素之后，實現(xiàn)最終的延伸/應(yīng)變值并立即輸出用于評估。這種硬件和過程使得實時視頻引伸計類似于傳統(tǒng)的機電裝置(例如夾式裝置)，并允許它們以相同的方式通過材料測試系統(tǒng)連接并使用。高速實時視頻處理的最終結(jié)果是大大提高了精度，更快的跟蹤試樣伸長率和非常低的延遲數(shù)據(jù)，這允許用戶執(zhí)行并滿足測試標準的整個范圍。

實時視頻引伸計將圖像輸入、數(shù)據(jù)處理引擎和延伸/應(yīng)變數(shù)據(jù)輸出組合到單個視頻處理板上，以最小化輸入和輸出數(shù)據(jù)延遲并最大化處理速度。視頻處理板還消除了與操作系統(tǒng)相關(guān)的外部延遲和處理時間問題。關(guān)于處理系統(tǒng)的改進的主要原因是在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)部分上實施整個算法。設(shè)計和實現(xiàn)使得來自輸入的整個數(shù)據(jù)路徑在硬件中進行，并且因此整個系統(tǒng)是確定的和高速的。

附圖說明

從以下說明和附圖將明白本公開的其他目的和優(yōu)點，其中：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的透視圖。

圖2是本公開的設(shè)備的部件的透視圖。

圖3是本公開的設(shè)備的原理圖。

圖4是本公開的設(shè)備的視頻處理板的框圖。

具體實施方式

現(xiàn)在詳細參考附圖，其中在全部幾個視圖中相同的附圖標記表示相同的元件，可以看出，圖1是現(xiàn)有技術(shù)的引伸計1000。該引伸計1000利用外部照相機、PC和數(shù)據(jù)通信來捕捉圖像并產(chǎn)生延伸/應(yīng)變值。延伸/應(yīng)變數(shù)據(jù)由PC中的軟件并通過模擬輸出計算。更具體地，電子外殼1010保持印刷電路板、照相機(通常具有偏振和光濾波器)和用于不同視場的透鏡。由照相機接收的圖像通過恒定密度空氣管(CDAT)1020取得。一體照明單元1030固定到恒定密度空氣管(CDAT)1020的側(cè)面。此外，提供了二維校準固定裝置1040。

圖2示出了本公開的實時視頻引伸計10的實施例的外觀。實時視頻引伸計10包括實施為LED陣列的一體照明單元12，以照明待測試樣(參見圖3，元件200，以及涂覆或以其他方式固定到試樣200的視頻目標202)，如圖3的測試框架190所實施的。實時視頻引伸計10還包括電子外殼14，電子外殼包括印刷電路板或視頻處理板15(也參見圖3和圖4)和具有偏振濾波器17(參見圖3)的照相機或圖像傳感器16(也參見圖3)。照相機或圖像傳感器16包括用于一系列視場的各種透鏡。電子外殼14還包括透鏡入口18以允許接近各種透鏡和板以校準實時視頻引伸計10。另外，引伸計10包括恒定密度空氣管(CDAT)20和在一體照明單元12(實施為LED陣列)和照相機16的透鏡上的90度光偏振。另外使用與現(xiàn)有技術(shù)類似的二維校準固定裝置21。

如圖3所示，視頻處理板15包括現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)22(以提高處理速度)和微處理器24。視頻處理板還包括線路19，以控制恒定密度空氣管(CDAT)20的風扇20'，以便產(chǎn)生虛擬空氣管。實時視頻引伸計10使用包括以太網(wǎng)、模擬器、編碼器或SPI的標準接口連接到材料測試機(測試框架190)和軟件。這允許將裝置插入現(xiàn)有系統(tǒng)并供現(xiàn)有系統(tǒng)使用，而不需要專用集成軟件或硬件。實時視頻引伸計10分別通過線路302、304向材料測試機190提供軸向和橫向編碼器或模擬信息。材料測試機190通過線路306向?qū)崟r視頻引伸計10提供觸發(fā)/同步信息。實時視頻引伸計10和材料測試機190通過線路308、310與外部計算機400(圖示為膝上型計算機，但是設(shè)想到可以實現(xiàn)其他計算或處理裝置)交換包括延伸/應(yīng)變數(shù)據(jù)的實時測試數(shù)據(jù)，線路308、310可以通過以太網(wǎng)連接來配置。通常，實時視頻引伸計10向材料測試機190提供延伸/應(yīng)變數(shù)據(jù)，材料測試機190又向外部計算機400提供應(yīng)力和延伸/應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖4是作為本公開的實時視頻引伸計10的典型實施例的概述的框圖。使用板載圖像傳感器16或輔助照相機鏈路連接器輸入40(也在圖3中示出)將視頻圖像輸入到系統(tǒng)。收集的圖像數(shù)據(jù)完全由處理系統(tǒng)30(例如但不限于Zync XC7020 SoC)的可編程邏輯(參見圖3的FPGA 22)中的處理系統(tǒng)消耗，其中利用專用邏輯來計算多軸延伸/應(yīng)變值(即，如圖3所示，通過附加到試樣200的視頻目標202的視頻監(jiān)視計算的目標間距離的變化或百分比變化)，并且經(jīng)由板載軸向或橫向數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)32或34、編碼器36或SPI接口38電輸出將數(shù)據(jù)輸出并最終通過圖3的線路302、304加載到材料測試機190(圖3)。更具體地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)32、34分別提供軸向和橫向的應(yīng)變或位移信號(通常在負十伏特到正十伏特的范圍內(nèi))，這允許兩個單獨(通常為軸向和橫向，或者彼此正交)的應(yīng)變或位移信號被實時輸出到材料測試機190。編碼器36可以包括兩個正交編碼器輸出，其允許兩個單獨的應(yīng)變或位移信號被實時輸出到材料測試控制器。SPI接口38將數(shù)字化信號通信到任何數(shù)量的PC，并且進一步實時地輸出到材料測試機190。

實時視頻引伸計10的其它功能通常由實施為視頻處理板15的主印刷電路板實現(xiàn)。

板載成像器和透鏡(照相機)16實現(xiàn)機器視覺圖像傳感器，以向處理系統(tǒng)30提供高速圖像。

輔助照相機鏈路連接器輸入40使用標準連接器以允許使用現(xiàn)成的機器視覺照相機。這可以用于代替板載成像器和透鏡(照相機)16或與其結(jié)合。加速計42安裝在透鏡16處以檢測在算法和/或事件檢測器中使用的加速度(通常在所有三維中)。

同步器44允許諸如材料測試機190(參見圖3)的外部裝置經(jīng)由線路306(見圖3)提供同步脈沖，從而對發(fā)送到外部計算機或PC 400(參見圖3)的圖像進行時間戳標記，以用于以后的對準。該時間戳標記允許對來自圖像的時間相關(guān)的應(yīng)力/應(yīng)變測試結(jié)果(其可以是處理后的結(jié)果)進行加法計算。類似地，觸發(fā)器46允許諸如材料測試機190的外部裝置經(jīng)由數(shù)據(jù)處理引擎中的線路306(參見圖3)觸發(fā)事件，并且執(zhí)行諸如高速圖像緩沖和到外部計算機或PC 400(參見圖3)的傳輸?shù)墓δ?。這允許實時計算時間相關(guān)的應(yīng)力/應(yīng)變測試結(jié)果。

風扇控制19CDAT 20的風扇20'的速度控制以針對距離優(yōu)化CDAT 20。LED控制48包括兩組(banks)LED/投影儀陣列控制以與兩個不同照相機一起使用

視頻GigE塊50提供專用于高速圖像傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)連接。類似地，用戶GigE塊52和控制器GigE塊54提供以太網(wǎng)連接，以允許處理系統(tǒng)30和材料測試機190的控制器，從而經(jīng)由以太網(wǎng)交換機56與外部計算機或PC 400通信。

USB端口58向圖像處理引擎提供調(diào)試和消息傳送。

DDR 3 RAM 60提供內(nèi)部存儲器以允許存儲由高速圖像傳感器16捕捉的圖像和其它數(shù)據(jù)。此外，一些實施例可以包括SODIMM連接(未示出)以提供板載存儲器連接，從而允許存儲來自高速圖像傳感器16的高速且持續(xù)時間長的圖像。

本公開的實施例通常具有許多以下優(yōu)點：

1.高速數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出。

2.基于硬件(FPGA)的算法實現(xiàn)，用于實時確定性行為，而沒有微處理器或PC系統(tǒng)的副作用。

3.單板而不是許多硬件集成在一起。

4.照相機、處理系統(tǒng)和輸出裝置的主要成本降低。這提供了價格靈活性，同時仍然實現(xiàn)非常高的規(guī)格。

5.獨立視頻裝置直接輸出延伸或應(yīng)變，并且可以用在許多現(xiàn)有系統(tǒng)上。

6.由于獨立的性能而易于使用。它類似于標準夾式引伸計。

7.該裝置可以以可用于閉環(huán)控制的速率提供數(shù)據(jù)。

8.由于數(shù)據(jù)速率的提高，該裝置可用于更高速度的應(yīng)用。例如，這可以用于收集數(shù)據(jù)并對運行正弦波形的動態(tài)系統(tǒng)執(zhí)行控制。

本公開的典型實施例的本質(zhì)優(yōu)點是大大提高了精度，更快地跟蹤試樣和非常低的延遲數(shù)據(jù)，這允許用戶執(zhí)行并滿足測試標準的整個范圍。

典型的測試過程如圖3所示。具有視頻目標202的試樣200接合在材料測試機190內(nèi)。在接近材料測試機190對試樣200施加應(yīng)力誘導載荷的時間時，將命令信號發(fā)送到視頻處理板15和材料測試機190，再到外部計算機400。然后，實時視頻引伸計10捕捉視頻目標202之間的絕對距離，并監(jiān)視視頻目標202的相對移動，以實時計算延伸/應(yīng)變。在實時視頻引伸計10、材料測試機190和外部計算機400之間交換應(yīng)力數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)，并且通常通過外部計算機400的屏幕進行組織并顯示。

因此，最有效地獲得了幾個上述目的和優(yōu)點。雖然本文中已經(jīng)詳細公開和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但應(yīng)當理解，本發(fā)明絕不局限于此。