技术领域
[0001] 本
发明涉及金属材料侧膨胀值测定领域，具体地，涉及一种基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量系统及方法。
背景技术
[0002] 在评定
焊接工艺时，侧向膨胀值是衡量不锈
钢材料冲击韧性的重要指标之一。GB/T 12778-2008、ASTM E23-2007、GB/T 229-2007等给出了侧向膨胀值的三种常用测定方法：游标卡尺测定法、侧膨胀仪测定法和投影仪测定法。
[0003] 当运用这三种方法进行测量时，由于不可避免地受到冲击试件空间
变形或人为因素的影响，经常导致不同的人测量的结果差别很大。
[0004] 其中，游标卡尺测定法是实验室人员最常用的方法，但冲击断口是三维变形，被测的两点通常不在同一平面或同一直线上。这种情况下，用游标卡尺测量时误差不可避免。此外，对于那些变形较大(特别是非标准试样)的冲击试样，缺口背面通常呈不规则弧线，而非理想的直线，因此背面不可能完全重合；即便冲击后两个试样连在一起，侧面也不一
定位于同一平面上。
[0005] 而当运用侧膨胀仪测定法时，同样会遇到断口下侧面不平而无法紧贴V型基准
块或侧膨胀部位最高点判断不准等问题，从而影响测量准确度。
[0006] 利用投影原理测量侧膨胀值能有效规避上述两种方法遇到的问题，因此该法也是仲裁时推荐的方法，但由于测量过程中需要人工对准试样的原始侧面和投影仪屏幕上的基准线，以及人工判断膨胀部位最高点，因此依然不能排除人为因素的干扰，且效率不高。此外，投影仪在市场上已经很难买到，也限制了它的应用。
[0007] 综上，在侧向膨胀值测定领域，现有的三种常用方法均是通过人工方式进行的，容易受人为因素影响，测量结果不准确，且测量效率较低。
发明内容
[0008] 本发明
实施例的主要目的在于提供一种基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量系统及方法，以解决现有的侧向膨胀值测定技术容易受人为因素影响、测量结果不准确的问题。
[0009] 为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量系统，所述系统包括：载物台、平行
光源、工业相机和计算机；其中，所述工业相机具有双远心镜头；
[0010] 所述双远心镜头与所述平行光源正对设置，以构成平行光路；
[0011] 所述载物台设于所述平行光源和所述双远心镜头之间，用于承载相互匹配的上半截试样和下半截试样；所述相互匹配的上半截试样和下半截试样由整个试样经夏比摆锤冲击试验形成；
[0012] 所述上半截试样和所述下半截试样的断口均朝上、缺口面均朝向所述平行光源、缺口背面均垂直于所述平行光路，且所述上半截试样和所述下半截试样在所述双远心镜头中的投影不重叠；
[0013] 所述工业相机用于对所述上半截试样和所述下半截试样拍照；
[0014] 所述计算机用于根据所述工业相机拍照得到的图像，计算所述整个试样的侧膨胀值。
[0015] 相应的，本发明还提供一种基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量方法，包括：
[0016] 将相互匹配的上半截试样和下半截试样置于平行光源形成的平行光路中；其中，所述相互匹配的上半截试样和下半截试样由整个试样经夏比摆锤冲击试验形成，所述上半截试样和所述下半截试样的断口均朝上、缺口面均朝向所述平行光源、缺口背面均垂直于所述平行光路；
[0017] 利用具有双远心镜头的工业相机对所述上半截试样和下半截试样拍照；其中，所述上半截试样和所述下半截试样在所述双远心镜头中的投影不重叠；
[0018] 对拍照得到的图像进行图像处理，计算得到所述整个试样的侧膨胀值。
[0019] 借助于上述技术方案，本发明利用平行光源和双远心镜头形成平行光路来模拟投影效果，对整个试样经夏比摆锤冲击试验形成的两个相互匹配的半截冲击试样进行拍照，实现了将这两个相互匹配的半截冲击试样由三维空间精确、不变形地投影至二维空间，然后通过图像处理手段计算整个试样的侧膨胀值。相比于
现有技术，本发明不需要人工对准冲击试样的原始侧面，也不需要人工判断膨胀部位最高点，避免了人为因素的影响，提高了测量结果的准确程度。
附图说明
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021] 图1是本发明提供的基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量系统的结构示意图；
[0022] 图2(a)是整个试样的两个侧面示意图；
[0023] 图2(b)是上半截试样、下半截式样的各个侧面的示意图；
[0024] 图2(c)是将上/下半截试样划分成底部形变段、形状保持段、膨胀段的示意图；
[0025] 图3(a)是具有夹具的基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量系统的结构示意图
[0026] 图3(b)是图3(a)中的夹具沿剖面线A-A的剖面示意图；
[0027] 图3(c)是上/下半截试样与夹具的立体示意图；
[0028] 图3(d)是上/下半截试样与夹具、隔离块的立体示意图；
[0030] 图5是水平辅助线、竖直辅助线的示意图；
[0031] 图6是夹具厚度为9mm的示意图；
[0032] 图7是基于本发明原理的一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或
计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的
硬件、完全的
软件(包括
固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。此外，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
[0035] 发明概述
[0036] 本发明提供一种基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量系统，通过对经夏比摆锤冲击试验形成的两截试样(上半截试样和下半截试样)进行拍照和图像处理，来获得整个试样的侧膨胀值。
[0037] 如图1所示，该测量系统包括：载物台11、平行光源12、工业相机13、计算机14。
[0038] 工业相机13具有双远心镜头15，且双远心镜头15与平行光源12正对设置，二者构成平行光路；载物台11设于平行光源12和双远心镜头15之间，用于承载相互匹配的上半截试样和下半截试样，其中上半截试样和下半截试样的断口均朝上、缺口面(即带有缺口的一面)均朝向平行光源12、缺口背面均垂直于平行光路，且上半截试样和下半截试样在双远心镜头15中的投影不重叠；工业相机13用于上半截试样和下半截试样拍照；计算机14用于获取工业相机13拍照得到的图像，通过对其进行图像处理和数据计算，得到整个试样的侧膨胀值。
[0039] 具体的，基于双远心镜头具有高
分辨率、超宽景深、超低畸变、以及独有的平行光设计等特点，本发明利用双远心镜头与平行光源配合形成照射于上半截试样和下半截试样的平行光路，模拟投影效果，在此
基础上用工业相机对上半截试样和下半截试样拍照，相当于将上半截试样和下半截试样由三维空间投影至二维空间，拍照得到的图像能够清楚、准确、不变形地显现上半截试样和下半截试样的各个侧面的轮廓，因此可通过图像处理手段计算整个试样的侧膨胀值。相比于现有技术，本发明不需要人工对准试样的原始侧面，也不需要人工判断膨胀部位最高点，避免了人为因素的影响，提高了测量结果的准确程度。
[0040] 在实施本发明时，为了保证投影效果，平行光源和双远心镜头应处于正对
位置，以构成平行光路，较佳的，还应使平行光源和双远心镜头应具有相同的镜片组结构。
[0041] 下面介绍利用拍照得到的图像计算侧膨胀值的原理。
[0042] 以下内容为了方便说明，如图2(a)所示，将整个试样的两个侧面分别定义为第一侧面和第二侧面。如图2(b)所示将上半截试样的两个侧面分别定义为第一上半截侧面和第二上半截侧面；将下半截试样的两个侧面分别定义为第一下半截侧面和第二下半截侧面；整个试样经过夏比摆锤冲击试验之后，第一侧面分别成为第一上半截侧面和第一下半截侧面，第二侧面分别成为第二上半截侧面和第二下半截侧面，即，第一上半截侧面和第一下半截侧面相互匹配，对应于第一侧面，第二上半截侧面和第二下半截侧面相互匹配，对应于第二侧面。本文的以下任何说明均以如图2(b)所示的排列顺序(即第一上半截侧面、第二上半截侧面、第二下半截侧面、第一下半截侧面按照从左至右的顺序排列)为例。
[0043] 如图2(c)所示，对上/下半截试样沿其长度方向进行划分，依次划分为：底部形变段、形状保持段和膨胀段。其中，底部形变段靠近上/下半截试样的底部，在夏比摆锤冲击试验中，整个试样受到砧座的约束，其端部发生微小的塑性变形，将这部分及其附近发生塑性形变的区域定义为底部形变段。膨胀段对应的区域靠近上/下半截试样的断口，在夏比摆锤冲击试验中，整个试样的缺口附近受摆锤的冲击发生断裂并形成了断口，断口附近产生的形变量可用于测量膨胀程度。形状保持段介于底部形变段和膨胀段的中间，这部分对应的区域既不靠近上/下半截试样的底部，也不靠近上/下半截试样的断口，受砧座和摆锤的影响较小，保持了整个试样的原始宽度。鉴于GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试样方法》规定了试样的标准尺寸长度为55mm，按照该标准执行夏比摆锤冲击试验得到的上/下半截试样的长度应约为27mm，较佳的，根据实际经验，可以将距离上/下半截试样的底部为9mm的区域划分为底部形变段，将距离上/下半截试样的断口为9mm的区域划分为膨胀段，将剩余的区域划分为形状保持段，即底部形变段、形状保持段和膨胀段的长度各设置为9mm。需要说明的是，在实施本发明时，可以根据实际情况为底部形变段、形状保持段和膨胀段确定合适的长度，本发明对膨胀段、形状保持段、底部形变段的长度并不作具体限定，即以上将各段设置为9mm仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，选择其它任何长度均应包含在本发明的保护范围之内。
[0044] 根据GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试样方法》的规定，侧膨胀值的测定原理为：分别计算第一上半截侧面、第二上半截侧面、第一下半截侧面、第二下半截侧面相对于原始宽度的最大膨胀量；取第一上半截侧面的最大膨胀量、第一下半截侧面的最大膨胀量中的较大值，作为第一侧面的最大膨胀量；取第二上半截侧面的最大膨胀量、第二下半截侧面的最大膨胀量中的较大值，作为第二侧面的最大膨胀量；整个试样的侧膨胀值为第一侧面的最大膨胀量和第二侧面的最大膨胀量的加和。
[0045] 由于形状保持段保持了原始宽度，因此拍照图像中形状保持段的轮廓线可作为计算侧膨胀值的基准线；膨胀部位最高点是上/下半截试样的各个侧面中相对于原始宽度的发生膨胀最显著的位置，膨胀部位最高点位于膨胀段内，拍照图像中膨胀段的轮廓线涵盖了膨胀部位最高点的投影
像素点。基于以上测定原理，在拍照图像的二维空间中，膨胀部位最高点的投影像素点到形状保持段的轮廓线之间的距离，即等同于三维空间中各个侧面相对于原始宽度的最大膨胀量，因此，本发明可通过计算膨胀部位最高点的投影像素点到形状保持段的轮廓线之间的距离来确定上/下半截试样的各个侧面的膨胀量，进而计算得到整个试样的侧膨胀值。
[0046] 基于以上说明，工业相机拍照获得的图像能够精确显现出上/下半截试样的各个侧面的轮廓，由于各个侧面的轮廓既涵盖了形状保持段的轮廓线，又涵盖了膨胀部位最高点的投影像素点，因此通过对其进行图像处理，可计算出膨胀部位最高点的投影像素点到形状保持段的轮廓线的距离，该距离等同于三维空间中各个侧面相对于原始宽度的最大膨胀量，据此可计算出侧膨胀值。
[0047] 在介绍了以上基本原理之后，下面具体介绍本发明的各种非限制性实施方式。
[0048] 本发明中，为了使拍照图像中形状保持段的轮廓线能尽可能真实地反映原始宽度，以保证计算结果的准确性，首先就需要使得工业相机拍照得到的图像，能准确、不变形地显现出上/下半截试样的各个侧面的轮廓。考虑到这些，本发明可以在图1所示系统的载物台上设置一夹具，以明确限定上/下半截试样在双远心镜头前的位置，如图3(a)所示，设置于载物台11上的夹具16呈U型，图3(b)为图3(a)中沿A-A剖面线得到的夹具16剖面示意图，夹具16的U型凹槽朝向平行光源，U型凹槽的内底面垂直于双远心镜头15与平行光源12构成的平行光路，如图3(c)所示，上/下半截试样静置于载物台上时，其缺口背面(即缺口面的背面)紧贴夹具的U型凹槽内底面。由于U型凹槽的内底面是与双远心镜头15和平行光源12构成的平行光路相垂直的，因此上/下半截试样的各个侧面就尽可能地投影于双远心镜头15中，在此情况下，工业相机拍照得到的图像就能准确、不变形地显现出上/下半截试样的各个侧面的轮廓，从而保证形状保持段的轮廓线能够真实地反映原始宽度。为了保证拍照时夹具不会遮挡上/下半截试样的形变保持段，夹具的厚度不得大于底部形变段的长度，即小于等于9mm。
[0049] 需要说明的是，具体实施时，为了方便进行测量，经调整将夹具设置在双远心镜头所摄
视野的正中央之后，就可以设置夹具的位置固定不变。
[0050] 为了确保上半截试样和下半截试样在双远心镜头中的投影不重叠，可令外侧的第一上半截侧面、第一下半截侧面分别贴靠夹具U型凹槽的两个内
侧壁，并如图3(d)所示在上半截试样和下半截试样之间设置一个隔离块，隔离块分别紧贴第二上半截侧面、第二下半截侧面，且隔离块的厚度小于等于夹具的厚度，以便拍照时夹具遮挡住隔离块而不会在图像中显现。
[0051] 本发明中，计算机的功能是对工业相机拍照得到的图片进行图像处理，并计算侧膨胀值。在实现以上功能的目标下，本发明对计算机所采用的图像处理方法、数据计算方法及其组成结构不作具体限定。即以下说明仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，选择其它任何图像处理方法均应包含在本发明的保护范围之内。
[0052] 在一种较佳的实施例中，计算机包括第一～第三图像处理器、第一～第五
数据处理器等功能部件，以上各功能部件分别按照如下步骤计算待测冲击试样的侧膨胀值：
[0053] 步骤S1，第一图像处理器对工业相机拍照得到的图像进行二值化处理，得到二值图像。
[0054] 具体的，通过二值化处理后的图像表现为非黑即白形式的二值图像，通过该二值图像能够清楚、容易地确定上半截试样和下半截试样的各个侧面的轮廓，尤其对于那些侧面不够平整，人眼较难确定膨胀部位最高点的冲击试样，通过处理后的二值图像能准确、简便地确定出膨胀部位最高点的投影像素点位置。
[0055] 步骤S2，第二图像处理器将二值图像划分为膨胀点计算区和基准线拟合区。
[0056] 其中，膨胀点计算区至少
覆盖上半截试样的膨胀段对应的图像区域以及下半截试样的膨胀段对应的图像区域，基准线拟合区至少覆盖上半截试样的形状保持段对应的图像区域以及下半截试样的形状保持段对应的图像区域。
[0057] 具体实施时，第二图像处理器可通过扫描整个二值图像，根据三维空间中膨胀段、形状保持段在上/下半截试样中所占的比例，在二值图像中确定膨胀段对应的图像区域和形状保持段对应的图像区域，进而划分膨胀点计算区和基准线拟合区。
[0058] 考虑到通过扫描整个二值图像来划分膨胀点计算区和基准线拟合区，需要占用较多的计算机内存，而所涉及的整个试样、上/下半截试样基本都符合GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试样方法》的规定，即整个试样的长度为55mm，上/下半截试样的长度约为27mm，按照前述介绍，膨胀段、形状保持段的长度也约为9mm(或根据实际情况设置的其他长度)，也就是说，二值图像中，膨胀段和形状保持段所对应的图像区域基本大小固定，因此，为了计算方便并减小内存占用量，在一种较佳的实施例中，第二图像处理器可依据预先设定的水平方向的辅助线将二值图像划分为膨胀点计算区和基准线拟合区。
[0059] 如图4所示，预先设定三条水平方向的辅助线：上水平辅助线E、中水平辅助线F、下水平辅助线G；其中，膨胀点计算区位于上水平辅助线E与中水平辅助线F之间，基准线拟合区位于中水平辅助线F与下水平辅助线G之间。上水平辅助线E、中水平辅助线F、下水平辅助线G的位置可以根据实际的测量经验设定，只要保证能够覆盖和区分膨胀点计算区、基准线拟合区即可。
[0060] 当在测量系统增设具有图3(a)-3(c)所示的夹具时，可利用夹具设定下水平辅助线，如图6所示，令夹具的厚度等于底部形变段的长度(约为9mm)，则工业相机拍照时，夹具就会恰好遮挡上/下半截试样的底部形变段，拍照得到的图像中，夹具以上的图像正好是基准线拟合区，此时可以令夹具的顶面的轮廓线所经过的直线作为下水平辅助线，再以下水平辅助线为基准，利用实际测量经验中上水平辅助线、中水平辅助线、下水平辅助线之间的位置关系，分别定位上水平辅助线、中水平辅助线。
[0061] 步骤S3，第三图像处理器对膨胀点计算区进行扫描，确定处于膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上的像素点，确定处于膨胀点计算区内、且位于下半截试样的轮廓线上的像素点；对基准线拟合区进行扫描，确定处于基准线拟合区内、且位于上半截试样的轮廓线上的像素点，确定处于基准线拟合区内、且位于下半截试样的轮廓线上的像素点。
[0062] 具体实施时，由于二值图像的很多区域都是上/下半截试样以外的背景区域，为了减少计算机的扫描工作量，提高扫描效率，在一种较佳的实施例中，本发明还可以再设定三条竖直方向的辅助线，用以将膨胀点计算区和基准线拟合区继续细化分成左、右两块。如图5所示，利用三条水平方向的辅助线：上水平辅助线E、中水平辅助线F、下水平辅助线G，以及三条竖直方向的辅助线：左竖直辅助线A、中竖直辅助线B、右竖直辅助线C，可将整个二值图像划分为四个区域，分别为区域①、区域②、区域③、区域④，令计算机在这四个区域中进行扫描，即可定位出相应区域中轮廓线上的像素点。
[0063] 其中，左竖直辅助线A、中竖直辅助线B、右竖直辅助线C的位置也可以根据实际的测量经验设定，只要保证能够将膨胀点计算区和基准线拟合区划分成左、右两块即可。
[0064] 当在测量系统增设具有图3(a)-3(c)所示的夹具时，可利用夹具设定下竖直辅助线的位置，例如，将处于外侧的第一上半截侧面、第一下半截侧面分别贴靠夹具U型凹槽的两个内侧壁，以夹具U型凹槽的两个内侧壁所在垂线向外扩展5mm作为左竖直辅助线和右竖直辅助线，而中竖直辅助线到左竖直辅助线和右竖直辅助线的距离相等。
[0065] 利用这种辅助线设计，可大大提高计算机的扫描效率，节省计算时间。
[0066] 步骤S4，第一数据处理器对处于基准线拟合区内、且位于上半截试样的轮廓线上的像素点进行直线拟合，得到分别对应第一上半截侧面和第二上半截侧面的两条直线及其直线方程，并对处于基准线拟合区内、且位于下半截试样的轮廓线上的像素点进行直线拟合，得到分别对应第一下半截侧面和第二下半截侧面的两条直线及其直线方程。
[0067] 基于前述介绍，由于上/下半截试样的形状保持段保持了原始宽度，因此拍照图像中形状保持段的轮廓线可作为计算侧膨胀值的基准线，但考虑到二值图像中形状保持段的轮廓线可能并非标准的直线，为了便于后续计算，本发明对形状保持段的轮廓线上的像素点进行直线拟合，利用拟合得到的直线作为计算侧膨胀值的基准线。
[0068] 具体实施时，基准线拟合区内、上半截试样的轮廓线上的像素点可分为两部分，分别对应于第一上半截侧面和第二上半截侧面，对这两部分中的像素点分别进行直线拟合，即可得到分别对应第一上半截侧面和第二上半截侧面的两条直线及其直线方程。同理，基准线拟合区内、下半截试样的轮廓线上的像素点也可分为两部分，分别进行直线拟合，即可得到分别对应第一下半截侧面和第二下半截侧面的两条直线及其直线方程。
[0069] 下面以上半截试样中的第一上半截侧面为例说明直线拟合的过程：
[0070] 具体实施该步骤时，需首先对工业相机拍照获得的整幅图像定义坐标轴，例如，以图像的左下
顶点作为原点，垂直穿过原点的坐标轴作为Y轴，水平穿过原点的坐标轴为X轴，在定义了坐标轴之后，就可以确定轮廓线上各个像素点的坐标值。
[0071] 假设基准线拟合区中、上半截试样的轮廓线上、且对应于第一上半截侧面的像素点坐标值为(xi,yi)，对所有满足条件(基准线拟合区中、上半截试样的轮廓线上、且对应于第一上半截侧面)的像素点(xi,yi)进行直线拟合得到的直线方程为y＝a+bx，其中，a、b为该直线方程的系数，则有：
[0072]
[0073] 上式中，
[0074]
[0075] 对上半截试样中的第二上半截侧面，以及下半截试样中的第一下半截侧面、第二下半截侧面，也可以通过上述步骤拟合相应的直线。
[0076] 步骤S5，第二数据处理器根据第一上半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上、且位于第一上半截侧面对应的直线左侧的像素点，确定为第一上半截侧面的候选膨胀像素点；根据第二上半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上、且位于第二上半截侧面对应的直线右侧的像素点，确定为第二上半截侧面的候选膨胀像素点；根据第一下半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于下半截试样的轮廓线上、且位于第一下半截侧面对应的直线左侧的像素点，确定为第一下半截侧面的候选膨胀像素点；根据第二下半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于下半截试样的轮廓线上、且位于第二下半截侧面对应的直线右侧的像素点，确定为第二下半截侧面的候选膨胀像素点。
[0077] 具体的，考虑到各个侧面的膨胀部位最高点位于上/下半截试样的膨胀段内，膨胀段对应的图像区域又处于膨胀点计算区中，因此膨胀部位最高点的投影像素点就可以从膨胀点计算区内、上/下半截试样的轮廓线上定位。
[0078] 由于膨胀部位最高点是上/下半截试样的各个侧面上相对于原始宽度最突出的位置，膨胀部位最高点的投影像素点应处于相应侧面对应的拟合直线的外侧，例如，图2(b)中，对于第一上半截侧面来说，其膨胀部位最高点的投影像素点就应处于该侧面对应的拟合直线的左侧，而对于第一下半截侧面来说，其膨胀部位最高点的投影像素点就应处于该侧面对应的拟合直线的右侧。考虑到这一点，本发明可利用已经拟合出的直线进一步缩小用于定位膨胀部位最高点的区域。
[0079] 下面仍以上半截试样中的第一上半截侧面为例说明确定候选膨胀像素点的过程：
[0080] 假设膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上像素点坐标值为(xj,yj)，第一上半截侧面对应的拟合直线方程为y-bx＝a，将满足条件(膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上)的所有像素点的坐标值(xj,yj)代入直线方程y-bx＝a中，若yj-bxj＝c，且c＜a，则该像素点位于拟合直线y-bx＝a的左侧，确定为候选膨胀像素点，若yj-bxj＝d，且d＞a，则该像素点位于拟合直线y-bx＝a的右侧，不为候选膨胀像素点。
[0081] 通过该步骤确定的候选膨胀像素点之中必有一个对应于该侧面的膨胀部位最高点。
[0082] 对上半截试样中的第二上半截侧面，以及下半截试样中的第一下半截侧面、第二下半截侧面，也可以通过上述步骤确定候选膨胀像素点。
[0083] 步骤S6，第三数据处理器计算每一个第一上半截侧面的候选膨胀像素点到第一上半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第一上半截侧面的最大膨胀量；计算每一个第二上半截侧面的候选膨胀像素点到第二上半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第二上半截侧面的最大膨胀量；计算每一个第一下半截侧面的候选膨胀像素点到第一下半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第一下半截侧面的最大膨胀量；计算每一个第二下半截侧面的候选膨胀像素点到第二下半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第二下半截侧面的最大膨胀量。
[0084] 具体的，步骤S5确定出的候选膨胀像素点有很多，膨胀部位最高点的投影像素点也在其中，计算候选膨胀像素点到拟合直线间的最大距离即为膨胀部位最高点的投影像素点到拟合直线(基准线)之间的距离，也就是相应侧面相对于原始宽度的最大膨胀量。
[0085] 下面仍以上半截试样中的第一上半截侧面为例说明确定最大膨胀量的过程：
[0086] 假设第一上半截侧面对应的候选膨胀像素点的坐标值为(xo,yo)，计算所有候选膨胀像素点(xo,yo)到拟合直线方程y＝a+bx对应的直线(基准线)的距离do，则有：
[0087]
[0088] 计算得到的距离最大值max(do)即为膨胀部位最高点的投影像素点到拟合直线(基准线)之间的距离，反映到三维空间中，该距离最大值max(do)即为第一上半截侧面相对于原始宽度的最大膨胀量。
[0089] 对上半截试样中的第二上半截侧面，以及下半截试样中的第一下半截侧面、第二下半截侧面，也可以通过上述步骤确定最大膨胀量。
[0090] 步骤S7，第四数据处理器比对第一上半截侧面的最大膨胀量和第一下半截侧面的最大膨胀量的大小，将其中的较大值确定为第一侧面的最大膨胀量；比对第二上半截侧面的最大膨胀量和第二下半截侧面的最大膨胀量的大小，将其中的较大值确定为第二侧面的最大膨胀量。
[0091] 步骤S8，第五数据处理器计算第一侧面的最大膨胀量与第二侧面的最大膨胀量之和，得到整个试样的侧膨胀值。
[0092] 假设第一上半截侧面、第二上半截侧面、第二下半截侧面、第一下半截侧面的最大膨胀量分别为P1、P2、P3、P4，则第一侧面的最大膨胀量为max(P1，P4)，第二侧面的最大膨胀量为max(P2，P3)；整个试样的侧膨胀值P＝max(P1，P4)+max(P2，P3)。
[0093] 示例性装置
[0094] 以下介绍根据本发明的基本原理设计形成的一具体实施例。需要注意的是，下述实施例仅是为了便于理解本发明的精神和原理而示出，本发明的实施方式在此方面不受任何限制。
[0095] 如图7所示为一个基于数字
图像分析的侧膨胀值光学测量系统，包括：载物台701、夹具702、平行光源703、工业相机704、计算机705、载物台
支撑架706、相机支撑架
707、光源支撑架708、镜头调整机构709、光源调整机构710、滑轨711。
[0096] 其中，工业相机704具有双远心镜头712，且双远心镜头712与平行光源703正对设置；载物台701设于平行光源703和双远心镜头712之间；夹具702呈U型，厚度为9mm，设置于载物台701上，夹具的U型凹槽内底面垂直于双远心镜头712与平行光源703形成的平行光路；载物台支撑架706的顶部固定连接载物台701，底部滑动连接滑轨711；相机支撑架707的顶部固定连接工业相机704，底部滑动连接滑轨711；光源支撑架708的顶部固定连接平行光源703，底部滑动连接滑轨711；镜头调整机构709连接双远心镜头712，用于调整镜头的方向，以便与平行光源703正对，构成平行光路；光源调整机构710连接平行光源703，用于调整光源的方向，以便与双远心镜头712正对，构成平行光路。计算机705通过以太网数据线连接工业相机704。
[0097] 执行测量时，上半截试样、下半截试样的断口均朝上、缺口均朝向平行光源703，缺口的背面均紧贴夹具702的U型凹槽内底面；启动平行光源703以发出平行光线，再启动工业相机704拍照，最后由计算机705对工业相机704拍照得到的图像进行处理，计算得到整个试样的侧膨胀值。
[0098] 相应的，本发明还提供一种基于投影和数字图像处理的侧膨胀值测量方法，该方法包括：
[0099] 步骤1，将相互匹配的上半截试样和下半截试样置于平行光源形成的平行光路中；其中，相互匹配的上半截试样和下半截试样由整个试样经夏比摆锤冲击试验形成，上半截试样和下半截试样的断口均朝上、缺口面均朝向平行光源、缺口背面均垂直于平行光路；
[0100] 步骤2，利用具有双远心镜头的工业相机对上半截试样和下半截试样拍照；其中，上半截试样和下半截试样在双远心镜头中的投影不重叠；
[0101] 步骤3，对拍照得到的图像进行图像处理，计算得到整个试样的侧膨胀值。
[0102] 其中，步骤3具体包括：
[0103] 步骤31，对拍照得到的图像进行二值化处理，得到二值图像；
[0104] 步骤32，将二值图像划分为膨胀点计算区和基准线拟合区；膨胀点计算区包括上半截试样的膨胀段对应的图像区域以及下半截试样的膨胀段对应的图像区域，基准线拟合区包括上半截试样的形状保持段对应的图像区域以及下半截试样的形状保持段对应的图像区域；其中，膨胀段为上/下半截试样中到其断口的垂直距离小于第一设定距离的部分，上/下半截试样中到其底部的垂直距离小于第二设定距离的部分为底部形变段，形状保持段为上/下半截试样中介于膨胀段和底部形变段之间的部分；
[0105] 步骤33，对膨胀点计算区进行扫描，确定处于膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上的像素点，确定处于膨胀点计算区内、且位于下半截试样的轮廓线上的像素点；对基准线拟合区进行扫描，确定处于基准线拟合区内、且位于上半截试样的轮廓线上的像素点，确定处于基准线拟合区内、且位于下半截试样的轮廓线上的像素点；
[0106] 步骤34，对处于基准线拟合区内、且位于上半截试样的轮廓线上的像素点进行直线拟合，得到分别对应第一上半截侧面和第二上半截侧面的两条直线及其直线方程，并对处于基准线拟合区内、且位于下半截试样的轮廓线上的像素点进行直线拟合，得到分别对应第一下半截侧面和第二下半截侧面的两条直线及其直线方程；
[0107] 步骤35，根据第一上半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上、且位于第一上半截侧面对应的直线左侧的像素点，确定为第一上半截侧面的候选膨胀像素点；根据第二上半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于上半截试样的轮廓线上、且位于第二上半截侧面对应的直线右侧的像素点，确定为第二上半截侧面的候选膨胀像素点；根据第一下半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于下半截试样的轮廓线上、且位于第一下半截侧面对应的直线左侧的像素点，确定为第一下半截侧面的候选膨胀像素点；根据第二下半截侧面对应的直线方程，将处于膨胀点计算区内、且位于下半截试样的轮廓线上、且位于第二下半截侧面对应的直线右侧的像素点，确定为第二下半截侧面的候选膨胀像素点；
[0108] 步骤36，计算每一个第一上半截侧面的候选膨胀像素点到第一上半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第一上半截侧面的最大膨胀量；计算每一个第二上半截侧面的候选膨胀像素点到第二上半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第二上半截侧面的最大膨胀量；计算每一个第一下半截侧面的候选膨胀像素点到第一下半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第一下半截侧面的最大膨胀量；计算每一个第二下半截侧面的候选膨胀像素点到第二下半截侧面对应的直线之间的距离，将计算得到的最大距离确定为第二下半截侧面的最大膨胀量；
[0109] 步骤37，比对第一上半截侧面的最大膨胀量和第一下半截侧面的最大膨胀量的大小，将其中的较大值确定为第一侧面的最大膨胀量；比对第二上半截侧面的最大膨胀量和第二下半截侧面的最大膨胀量的大小，将其中的较大值确定为第二侧面的最大膨胀量；
[0110] 步骤38，计算第一侧面的最大膨胀量与第二侧面的最大膨胀量之和，得到整个试样的侧膨胀值。
[0111] 综上所述，本发明实施例提供的基于数字图像分析的侧膨胀值光学测量系统及方法具有以下有益效果：
[0112] (1)利用平行光源和双远心镜头形成平行光路来模拟投影效果，实现了将上/下半截试样的各个侧面由三维空间精确、不变形地投影至二维空间，然后在二维图像中通过计算膨胀部位最高点的投影像素点到形状保持段的轮廓线之间的距离来确定上/下半截试样的的各个侧面的最大膨胀量，进而计算得到整个试样侧膨胀值，整个过程不需要人工判断，避免了人为因素的影响，计算结果准确程度高；
[0113] (2)对工业相机拍照得到的图像进行二值化处理，能够清楚、准确得到上/下半截试样的各个侧面的轮廓，尤其适用于那些侧面不够平整，人眼较难确定膨胀部位最高点的冲击试样，能准确、简便地定位出膨胀部位最高点；
[0114] (3)将上/下半截试样划分为底部形变段、形状保持段、膨胀段三个部分，利用形状保持段的轮廓线上的像素点拟合出的直线作为基准线，再利用拟合出的直线从膨胀点计算区内、且位于上/下半截试样的轮廓线上的像素点中确定出候选膨胀像素点，最后计算候选膨胀像素点到拟合直线之间的最大距离作为膨胀部位最高点的投影像素点到基准线的距离，整个过程不需要人工定位膨胀部位最高点，计算结果准确程度高；
[0115] (4)利用夹具保证待测冲击试样的侧面能够平行于平行光源和双远心镜头构成的平行光路，确保了将三维空间的待测冲击式样精确、不变形地投影至二维空间，保证了计算结果得准确性；另外，可利用夹具设置水平辅助线、竖直辅助线，减少了计算机扫面时占用的内存空间，提高了扫描效率，大幅度提高了图像处理速度和计算效率。
[0116] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0117] 本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过
电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
[0118] 本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元，或装置都可以通过通用处理器，数字
信号处理器，专用集成
电路(ASIC)，现场可编程
门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为
微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、
控制器、
微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如
数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字
信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
[0119] 本发明实施例中所描述的方法或
算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的
软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM
存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、
硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
[0120] 在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入
访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它
磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个
网站站点、
服务器或其它远程资源通过一个同轴
电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和
微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、
软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。
