本發(fā)明涉及鋼管混凝土柱動態(tài)力學試驗技術領域，特別涉及一種單目視覺方鋼管混凝土柱三面檢測裝置及檢測方法。

背景技術：

鋼管混凝土是指在鋼管中灌注混凝土并固化形成組合構件，該組合組件具有良好的力學性能。因為方鋼管混凝土柱是通過將混凝土灌注于正方形或矩形的鋼管內，其具有穩(wěn)定承載力高、節(jié)點構造簡單、連接方便、外形規(guī)則以及良好抗震性能等特性，因此在工程技術中得到廣泛應用。

因為裂紋是方鋼管混凝土柱的主要失效形式，因此在衡量方鋼管混凝土柱力學性能時，對方鋼管混凝土的抗裂紋能力進行充分測試具有極其重要的意義。

現有技術中，通常采用外接的壓力裝置對方鋼管混凝土柱進行靜態(tài)和動態(tài)力學試驗，以研究其抗震性能。通過單目視覺或雙目視覺方式對方鋼管混凝土柱進行檢測時，都只能在同一次檢測中檢測方鋼管混凝土柱的一個表面質量情況，若要檢測多個表面的表面質量需要配套多套視覺系統，并使用多套視覺系統共同聯動以檢測多個表面的表面質量，因此整個檢測過程精度不高且成本較高。因此通過單目視覺方式同時對方鋼管混凝土柱的多個平面進行檢測，可有效降低檢測成本以及提高檢測精度和工作效率。

技術實現要素：

本發(fā)明的主要目的是提出一種單目視覺方鋼管混凝土柱三面檢測裝置及檢測方法，旨在降低方鋼管混凝土柱的檢測成本以及提高檢測精度和工作效率。

為實現上述目的，本發(fā)明提出的一種單目視覺方鋼管混凝土柱三面檢測裝置，包括可承載放置方鋼管混凝土柱工件的工作臺，遠離所述工作臺的前方放置有朝向工件且用于檢測工件的檢測模塊，所述檢測模塊與計算機電連接，所述工作臺頂面設置帶有鏡面且用于反射工件左右側面的鏡面反射模塊，工件朝向所述鏡面反射模塊的左側面和右側面均粘貼有白紙。

優(yōu)選地，所述檢測模塊為用于采集圖像的ccd工業(yè)相機。

優(yōu)選地，所述鏡面反射模塊包括各放置于工件左側和右側的鏡面反射機構，所述鏡面反射機構包括放置于所述工作臺頂面的底座，所述底座頂部與平移滑塊一端卡合相連，所述平移滑塊可沿與底座頂部卡合位置進行水平直線移動；所述平移滑塊另一端與支架中部卡合相連，所述支架可沿與所述平移滑塊卡合位置進行垂直直線移動；所述支架朝向工件的側面設有水平旋轉支架與所述支架底部樞轉相連，所述水平旋轉支架設有弧形凸出塊插入所述支架的頂部孔；所述水平旋轉支架側部與豎直旋轉支架樞轉相連，所述豎直旋轉支架設有弧形凸出塊插入所述水平旋轉支架另一側的側孔內；所述水平旋轉支架朝向于工件的側面設有鏡面，所述底座與所述平移滑塊、所述平移滑塊與所述支架、所述支架與所述水平旋轉支架、所述水平旋轉支架與所述豎直旋轉支架均通過螺釘相對固定。

優(yōu)選地，所述鏡面反射機構的鏡面反射面與工件左側面或工件右側面夾角均為0°～45°。

優(yōu)選地，所述鏡面反射機構的鏡面反射面與工件左側面或工件右側面夾角均為15°。

優(yōu)選地，粘貼于工件左側面或右側面的所述白紙尺寸為100mm*100mm，粘貼于工件后的所述白紙底端邊沿高于工件底部邊沿150～200mm。

本發(fā)明還提出一種使用所述裝置的檢測方法，包括以下步驟：

1)建立圖像庫和色彩模塊分類庫；

2)對所述ccd工業(yè)相機進行標定，獲取相機的內參數以及畸變參數；

3)通過外接的壓力裝置對方鋼管混凝土柱加壓，同時通過ccd工業(yè)相機對工件及所述鏡面反射模塊拍攝以得到校正后的目標圖像；

4)將所述步驟3)拍攝得到的圖像分割為左側面圖像、正向表面圖像以及右側面圖像，并對所述左側面圖像、所述正向表面圖像以及所述右側面圖像進行預處理；

5)利用模板匹配原理將預處理后圖像與預設圖像庫中圖像模板匹配對比，以判斷是否存在裂紋。

本發(fā)明技術方案通過在工作臺頂面設置方鋼管混凝土柱工件，在遠離工作臺的前方設置用于檢測工件的檢測模塊，檢測模塊與計算機電連接，并且在工件的左側面和右側面均設置鏡面反射模塊，使得鏡面反射模塊對工件的左側面和右側面進行反射。通過檢測模塊的ccd工業(yè)相機對工件的正面以及左側面和右側面進行拍攝圖像，并發(fā)送至計算機進行分析判斷，以分析出工件是否存在裂紋破壞。

相對于現有技術，本發(fā)明技術方案的鏡面反射機構能夠實現鏡面水平方向的旋轉與平移以及豎直方向的旋轉與平移，實現鏡面角度與成像范圍的微調，可適用于各種不同的實驗環(huán)境，同時本發(fā)明只使用一臺相機即可同時檢測到工件正面和兩側表面共三個表面裂紋情況，具有成本低，效率高，操作方便等特點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明檢測裝置的主視結構示意圖；

圖2為本發(fā)明檢測裝置的俯視結構示意圖；

圖3為本發(fā)明檢測裝置的鏡面反射機構立體結構示意圖；

圖4為本發(fā)明檢測裝置的鏡面反射機構另一立體結構示意圖；

圖5為本發(fā)明檢測裝置的側表面成像的原理圖；

圖6為本發(fā)明檢測裝置求側表面裂紋長度的原理圖；

圖7為本發(fā)明檢測裝置工作流程圖；

圖8為本發(fā)明檢測裝置的相機獲取主表面裂紋長度和寬度的流程圖；

圖9為本發(fā)明檢測裝置的相機獲取側表面裂紋長度和寬度的流程圖。

附圖標號說明：

本發(fā)明目的的實現、功能特點及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

需要說明，若本發(fā)明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)，則該方向性指示僅用于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態(tài)發(fā)生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

另外，若本發(fā)明實施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，則該“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護范圍之內。

本發(fā)明提出一種單目視覺方鋼管混凝土柱三面檢測裝置。

參見圖1和圖2，本發(fā)明實施例的單目視覺方鋼管混凝土柱三面檢測裝置包括可用于放置方鋼管混凝土柱工件的工作臺1，遠離工作臺1的前方位置放置有朝向工件3且可用于檢測工件3的檢測模塊，檢測模塊與計算機7電連接，工作臺1頂面設置帶有鏡面且可用于反射工件3左右側面的鏡面反射模塊，工件3朝向鏡面反射模塊的左側面和右側面均粘貼有白紙2。

具體地，用于采集圖像的檢測模塊為ccd工業(yè)相機4，ccd工業(yè)相機4通過三腳架5放置于工作臺1的前方，并且ccd工業(yè)相機4的拍攝方向朝向于工件3正面，ccd工業(yè)相機4與計算機7通過網線或者無線wifi方式電連接。

參見圖3和圖4，鏡面反射模塊包括放置于工件左側和右側的鏡面反射機構，本實施例的鏡面反射機構6包括放置于工作臺1頂面的底座61，底座61頂部與平移滑塊62一端卡合相連，平移滑塊62可沿底座61頂部卡合位置進行水平直線移動，平移滑塊62的一端與支架63中部卡合相連，支架63可沿平移滑塊62卡合位置進行垂直直線移動。支架63靠近工件3的側面設有水平旋轉支架64與支架63底部以樞轉相連，水平旋轉支架64設有弧形凸出塊67插入支架63的頂部孔內，使得水平旋轉支架64可繞與支架63底部相連的樞轉軸進行擺動，并且通過弧形凸出塊67進行位置上的確定。另外水平旋轉支架64側面與豎直旋轉支架65樞轉相連，豎直旋轉支架65設有弧形凸出塊67插入水平旋轉支架64另一側的側孔內，使得豎直旋轉支架65可繞水平旋轉支架64側面相連的樞轉軸進行擺動，并且通過側面的弧形凸出塊67將豎直旋轉支架65的擺動角度以確定，同時水平旋轉支架64朝向于工件3的側面設有鏡面。本實施例中，當鏡面反射機構6的鏡面調整到位后，可以通過螺釘66分別將底座61與平移滑塊62、平移滑塊62與支架63、支架63與水平旋轉支架64、水平旋轉支架64與豎直旋轉支架65施以固定。

參見圖1和圖2，工件3的左側和右側均設置有鏡面反射機構6，鏡面反射機構6的鏡面反射面與工件3側面的夾角均為15°。本發(fā)明實施例中用于進行測試的工件尺寸(長×寬×高)為250mm×250mm×1450mm，粘貼于工件3左側面或右側面的白紙2尺寸為100mm*100mm，作為標記用的白紙2粘貼于工件3左側面和右側面不易產生裂紋且ccd工業(yè)相機4可成像范圍的區(qū)域內，具體地，白紙2粘貼后的底端邊沿高于工件3底部邊沿150～200mm。

需要說明的是，白紙2是用于像素標定，操作人員通過讀取白紙2兩端上對應像素之和，即可找出圖像中單位毫米內所包含的像素點個數，從而找出像素與毫米之間對應關系，因此在試驗過程中白紙2的紙張大小可不局限于上述100mm*100mm規(guī)格。

在本發(fā)明的其他實施例中，鏡面反射機構6的鏡面反射面與工件3側面成45°時，經鏡面反射面反射后，工件3側面在平面鏡面中的成像與ccd工業(yè)相機4的光軸垂直，而此時ccd工業(yè)相機4拍攝出來的圖像可最為真實地反應出工件3側面的表面質量情況。但是，因為工件3的左右兩個側面都需要拍攝到位，而單個ccd工業(yè)相機4在視角上有一定局限，會造成被拍攝檢測對象超出相機視角范圍而導致部分部位拍攝不到。

因此，參見圖2和圖5，本發(fā)明實施例中，將鏡面反射面與工件3側面之間夾角為15°，這樣工件3側面經過鏡面反射機構的鏡面反射面鏡面成像后，工件3側面在平面鏡內的成像與ccd工業(yè)相機4拍攝光軸成30°夾角，這樣可減小被測工件3側面寬度。

參見圖7，本發(fā)明實施例的檢測裝置使用前，需要提前在計算機7內建立圖像數據庫和色彩模型分類庫，因為ccd工業(yè)相機4是在采集到需要的圖像后利用色彩模型、模板匹配原理與優(yōu)化決策判斷理論，因此預先建立一個圖像數據庫和色彩模型分類庫。其中色彩模型分類庫包括不同顏色空間下圖像應該有的參數，以便模板匹配前把圖像轉換到特定的顏色空間上，并且提前選擇好最佳顏色分量進行模板匹配和裂紋檢測。其中圖像庫中包括無裂紋圖的樣本、符合正常限制標準的裂紋圖模板樣本以及不符合限制標準的裂紋圖模板樣本，圖像庫中的樣本需要包括不同寬度大小的裂紋、相同寬度的不同長度裂紋模板，同時給出對應的危害和危險程度，以便模板匹配成功后可相應地給出決策判斷。

參見圖1和圖7，本發(fā)明實施例的檢測裝置時，先將方鋼管混凝土柱工件3放置于工作臺1的頂面中部位置，然后將工件3的側面使用紅色的粉筆涂抹呈紅色，再將兩張白紙2分別粘貼于工件3的左側面和右側面，在工件3的左側放置一個鏡面反射機構6，在工件3的右側放置另一個鏡面反射機構6，并且使得兩個鏡面反射機構6的鏡面反射面與工件3的左側面或右側面之間的夾角成15°。

將ccd工業(yè)相機4放置于工件3的正前方，并且使得ccd工業(yè)相機4正向朝向于工件3進行拍攝，ccd工業(yè)相機4位置標定后，通過外接的壓力裝置8對工件3從正上方向正下方施以壓力，而ccd工業(yè)相機4對工件3正面以及鏡面反射機構6進行拍攝并且得到校正后的目標圖像。

ccd工業(yè)相機4將拍攝得到的圖像發(fā)送至計算機7進行分析處理，計算機7將ccd工業(yè)相機4拍攝到的照片圖像分拆為左側表面部分、主表面部分以及右側表面部分，然后調取預設的色彩模型分類庫中選取圖像中的r(紅色)顏色分量，這樣既可明顯地將工件表面與周邊的物體，如實驗環(huán)境周邊設備、工作臺1等與紅色差別較大的雜物區(qū)分出來并去除圖像噪聲。另外，由于設備或拍攝環(huán)境因素的影響，圖像中容易會出現一些與圖像無關的噪聲，經過平滑去除去噪可大大減少噪聲，便于后續(xù)圖像處理操作。

參見圖6和圖7，將圖像中的噪聲去除后，將圖像轉換為灰度圖像，再對圖像進行灰度增強操作，如增大對比度，這樣就可以將工件3的裂紋特征充分凸顯出來。接著利用模板匹配原理將預處理過的目標圖像與圖像數據庫中的圖像模板進行匹配，并通過相似度以判斷是否有裂紋。

具體地，利用圖像模板對目標圖像進行遍歷，取遍歷過程中的最大sad值(絕對差值和)作為相似性測度，最大sad值越小則說明模板圖像與目標圖像越相似。通過比較不同模板圖像與目標圖像之間最大sad值可以得到目標圖像與哪個模板圖像最為相似。當所有的sad值都較大，不滿足閾值條件時，則認為不存在裂紋。

其中sad相似性測度計算公式如下：

式中，s為待匹配圖像，t是m*n的圖像模板。sad(i,j)為s中以坐標值為(i,j)的像素點為錨點的sad相似性測度；

若目標圖像與圖像模板的相似程度足以判斷該處特征為裂紋時，則需進一步計算裂紋的長度和寬度；若目標圖像與圖像模板相似程度不足以判斷特征為裂紋時，則輸出為0。

其中，當目標圖像與圖像模板的裂紋相似程度大于閾值時，則判斷工件存在裂紋，則進行裂紋長度、寬度的檢測。由于圖像是經過顏色分量的預處理，因此圖像中工件3表面的灰度與背景灰度存在明顯差異，通過選擇合理的閾值對圖像進行圖像二值化處理，即可分割出裂紋圖像，但是閾值分割時可能會產生一些噪聲，可通過邊緣平滑處理來減少噪聲。邊緣平滑處理后，對圖像進行邊緣檢測，把邊緣圖像細化后提取骨架，然后在圖像邊緣上提取多個點，根據邊緣的形狀選擇合適的函數模型把多個點進行曲線擬合，最終獲得邊緣圖像的表達式。

參見圖6、圖8和圖9，其中，在計算工件3裂紋長度和寬度時，對于工件3正面上的裂紋，可通過曲線積分直接計算擬合曲線的長度，從而得到裂紋的長度，而裂紋寬度則可通過直接測量得到。

而計算工件3側表面裂紋長度和寬度時，由于圖像表達式只是裂紋在鏡頭上的投影表達式，因此不能直接將擬合曲線的長度作為裂紋長度。

擬合曲線的表達式為f(y,z)＝0，在空間坐標系中為一個柱面，由于柱子側表面在空間坐標系的表達式為聯立上述的兩個表達式后可得到真實裂紋的曲線表達式，然后通過曲線積分可求出裂紋的曲線長度。

為得到以毫米為單位的相關參數的物理值，需要對圖像中的像素進行標定，找出兩種單位之間的對應關系。像素標定的步驟中，將一張已知長度的白紙放置在攝像機可拍攝的范圍內，通過讀取白紙兩端上對應長度的像素之和，即可找出圖像中單位毫米所包含的像素點的個數。其中需要注意的是，白紙經過鏡頭投影到圖像后，水平方向寬度變?yōu)樵瓉淼囊话?，而豎直方向則不會改變，因此若通過白紙水平方向的寬度來尋找像素和毫米之間的轉化關系，需要將圖像的寬度減半，然后將曲線長度轉換成實際的物理距離，從而可得到裂紋長度。對于裂紋的寬度，可直接計算像素寬度，然后轉換成實際的物理距離而求得。

本發(fā)明實施例技術方案通過在工作臺1頂面設置方鋼管混凝土柱工件3，在遠離工作臺1的前方設置用于檢測工件3的檢測模塊，檢測模塊與計算機7電連接，并且在工件3的左側面和右側面均設置鏡面反射模塊，使得鏡面反射模塊6對工件3的左側面和右側面進行反射。通過檢測模塊的ccd工業(yè)相機4對工件3的正面以及左側面和右側面進行拍攝圖像，并發(fā)送至計算機7進行分析判斷，以分析出工件3是否存在裂紋破壞。

相對于現有技術，本發(fā)明技術方案的鏡面反射機構6能夠實現鏡面水平方向的旋轉與平移以及豎直方向的旋轉與平移，實現鏡面角度與成像范圍的微調，可適用于各種不同的實驗環(huán)境，同時本發(fā)明只使用一臺工業(yè)相機即可同時檢測到工件正面和兩側表面共三個表面裂紋情況，具有成本低，效率高，操作方便等特點。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是在本發(fā)明的構思下，利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。