(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
標線が付された試験片をカメラにより撮影し、標線を含む画像を画像処理することにより標線の位置を演算する材料試験機において、
前記標線は、白黒二値の画像からなる標線であり、
前記カメラにより撮影した画像データから前記標線のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成手段と、
前記関数作成手段により作成した関数ｆｋ  を１より大きな数で累乗して関数ｇｋ  を得る累乗手段と、
前記関数ｇｋ  の全域において、前記関数ｇｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｇｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記標線の位置を演算する位置演算手段と、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
【請求項２】
標線が付された試験片をカメラにより撮影し、標線を含む画像を画像処理することにより標線の位置を演算する材料試験機の標線測定方法において、
前記標線は、白黒二値の画像からなる標線であり、
前記標線が付された試験片をカメラで撮影することにより標線を含む画像データを得る撮影工程と、
前記撮影工程で得た画像データから前記標線のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成工程と、
前記関数作成工程において作成した関数ｆｋ  を１より大きな数で累乗して関数ｇｋ  を得る累乗工程と、
前記関数ｇｋ  の全域において、前記関数ｇｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｇｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記標線の位置を演算する位置演算工程と、
を備えたことを特徴とする材料試験機の標線測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試験片の伸びを測定するための材料試験機および材料試験機の標線測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試験片に引張荷重を付与して、その伸びを計測する材料試験機は、例えば、テーブル上にモータの回転により同期して回転自在に立設された一対のねじ棹と、それらのねじ棹にナットを介して上下動可能に支持されたクロスヘッドと、テーブルとクロスヘッドのそれぞれに連結されたつかみ具等の治具とから構成される。そして、試験片の両端をつかみ具に把持させた状態でクロスヘッドを移動させることにより、引張荷重を試験片に与える試験が実行される。
【０００３】
このような材料試験機においては、試験片の伸びを測定するために、試験片の表面に標線が形成されたシールが、所定の間隔で２枚貼着される。そして、この試験片の画像がカメラにより撮影される。ここで使用される標線としては、白地に黒の標線を使用したり、黒地に白の標線を使用する等のように、標線を二値画像として表現したものが使用される(特許文献１参照)。
【０００４】
この試験片の画像における一対の標線の位置情報に基づいて標線間の距離が測定され、この距離の変化量により、試験片に対する引張力の付与方向における試験片の変位量である伸びが測定される。また、試験片の両端縁の位置情報に基づいて両端縁間の距離が測定され、この距離の変化量により、試験片に対する引張力の付与方向と直交する方向における試験片の変位量である幅の変位量が測定される。
【０００５】
また、無彩色または有彩色の連続的な階調分布が所定の対称軸を挟んでいる画像からなる標線を測定し、互いに直交する関数を利用して標線の位置を演算する標線測定装置も提案されている(特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０９４７１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
標線として、無彩色または有彩色の連続的な階調分布が所定の対称軸を挟んでいる画像からなるものを使用する場合、標線自体の作成に手間がかかる。このため、一般的には、白黒二値の画像からなる標線が使用されている。
【０００８】
このため、従来の材料試験機においては、図１５に示すように、標線が付された試験片をカメラにより撮影し、撮影された画像データから標線のプロファイルを作成し、このプロファイルにおける増加部分と減少部分の曲線に接する直線を求め、これらの直線の交点Ａを標線の座標位置として特定していた。
【０００９】
しかしながら、このような手法をとった場合には、直線を求めるための元データとなるプロファイル部分の特定が難しいという問題がある。すなわち、このプロファイルの領域を小さくすると直線のバラツキが大きくなり、プロファイルの領域を大きくすると直線の特定が困難となる。
【００１０】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、標線のプロファイルの全域を利用して標線の位置を正確に測定することが可能な材料試験機および材料試験機の標線測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、標線が付された試験片をカメラにより撮影し、標線を含む画像を画像処理することにより標線の位置を演算する材料試験機において、前記標線は、白黒二値の画像からなる標線であり、前記カメラにより撮影した画像データから前記標線のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成手段と、前記関数作成手段により作成した関数ｆｋ  を１より大きな数で累乗して関数ｇｋ  を得る累乗手段と、前記関数ｇｋ  の全域において、前記関数ｇｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｇｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記標線の位置を演算する位置演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、標線が付された試験片をカメラにより撮影し、標線を含む画像を画像処理することにより標線の位置を演算する材料試験機の標線測定方法において、前記標線は、白黒二値の画像からなる標線であり、前記標線が付された試験片をカメラで撮影することにより標線を含む画像データを得る撮影工程と、前記撮影工程で得た画像データから前記標線のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する関数作成工程と、前記関数作成工程において作成した関数ｆｋ  を１より大きな数で累乗して関数ｇｋ  を得る累乗工程と、前記関数ｇｋ  の全域において、前記関数ｇｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として計算するとともに、前記関数ｇｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として計算し、これらのＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより前記標線の位置を演算する位置演算工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１および請求項２に記載の発明によれば、標線のプロファイルの全域を利用して標線の位置を測定することができ、標線の位置をより正確に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明に係る材料試験機の概要図である。
【図２】試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。
【図３】制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。
【図４】この発明に係る標線測定方法を利用して試験片１０の伸びを測定する材料試験の工程を示すフローチャートである。
【図５】試験片１０における標線１１の撮影状態を示す模式図である。
【図６】関数ｆｋ  と関数ｇｋ  とを示すグラフである。
【図７】関数ｍｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図８】関数ｆｋ  のグラフである。
【図９】関数ｇｋ  のグラフである。
【図１０】関数ｆｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図１１】関数ｇｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図１２】関数ｆｋ  のグラフである。
【図１３】関数ｇｋ  のグラフである。
【図１４】関数ｇｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【図１５】従来の標線の座標の測定方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。また、図２は、試験片１０とビデオカメラ２８の位置関係を説明するための平面概略図である。
【００１６】
この材料試験機は、テーブル１８と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部において回転可能に立設された図示しない一対のねじ棹と、これらのねじ棹に沿って移動可能なクロスヘッド２３と、このクロスヘッド２３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。
【００１７】
クロスヘッド２３は、一対のねじ棹に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹の下端部は負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０の動力源からの動力が、一対のねじ棹に伝達される構成となっている。一対のねじ棹が同期して回転することにより、クロスヘッド２３は、これら一対のねじ棹に沿って昇降する。
【００１８】
クロスヘッド２３には、試験片１０の上端部を把持するための上つかみ具２１が付設されている。一方、テーブル１８には、試験片１０の下端部を把持するための下つかみ具２２が付設されている。引っ張り試験を行う場合には、試験片１０の両端部をこれらの上つかみ具２１および下つかみ具２２により把持した状態で、クロスヘッド２３を上昇させることにより、試験片１０に試験力（引張荷重）を負荷する。
【００１９】
このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル２４によって検出され、制御回路３１を介して制御部３３に入力される。また、試験片１０は、ＣＣＤ素子を有するビデオカメラ２８により撮影され、その画像は制御部３３に入力される。
【００２０】
ビデオカメラ２８には、光学系を構成するレンズ２７が付設されている。これらのビデオカメラ２８およびレンズ２７は、支柱１９に配設されたアーム２９に支持されている。また、これらのビデオカメラ２８およびレンズ２７は、試験片１０の必要な領域が撮影可能となるように、支柱１９におけるアーム２９の固定角度および屈曲度を調整できる構成となっている。そして、図２に示すように、ビデオカメラ２８は、装置本体に対して斜め４５度程度傾いた状態で、上つかみ具２１および下つかみ具２２によりその両端が把持された試験片１０の表面に対して、レンズ２７の正面が正対する位置に配設される。
【００２１】
制御部３３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置およびＣＰＵ等を備えるコンピュータ等によって構成される。制御部３３には、液晶ディスプレイ等の表示装置である表示部３５、マウスおよびキーボード等を有する入力部３４およびビデオカメラ２８、制御回路３１が接続される。制御回路３１は、ロードセル２４からの試験力データ、クロスヘッド２３の位置情報を制御部３３に送信する。そして、制御部３３は、ビデオカメラ２８の撮影画像データを取り込んでデータ処理を実行し、試験片１０における標線間の距離の変位量や幅の変位量を演算するとともに、その結果を試験力やクロスヘッド２３の位置情報等とともに表示部３５に表示する。
【００２２】
図３は、制御部３３を構成する要素のうち、本願発明を実行するための主要部を示すブロック図である。この制御部３３は、後述する各工程を実行するための関数作成部６１、累乗部６２、位置演算部６３および伸び演算部６４を備える。
【００２３】
次に、上述した材料試験機において、この発明に係る標線測定方法を使用して試験片１０の伸びを測定する工程について説明する。図４は、この発明に係る標線測定方法を利用して試験片１０の伸びを測定する材料試験の工程を示すフローチャートである。また、図５は、試験片１０における標線１１の撮影状態を示す模式図である。
【００２４】
試験片１０の伸びを測定するために標線１１の位置を測定するには、最初に、標線１１が付された試験片１０をカメラで撮影することにより(ステップＳ１）、図５に示すように、標線１１を含む計算領域１２の画像データを取り込み、この画像データから標線１１のプロファイルＰＲを得る。
【００２５】
次に、撮影工程で得た計算領域の画像データから、図３に示す関数作成部６１により、標線１１のプロファイルを表す関数ｆｋ  を作成する(ステップＳ２)。この実施形態においては、データ数をｎ個として関数ｆｋ  （ｋ＝０，１，２，・・・ｎ−１）を求める。
【００２６】
そして、計算領域１２の画像データにおける標線１１の背景部分のノイズを抑えるために、図３に示す累乗部６２により、関数作成工程において作成した関数ｆｋ  を１より大きな数で累乗して関数ｇｋ  を得る(ステップＳ３)。この実施形態においては、下記の数式１により関数ｇｋ  を求めている。
【００２７】
【数１】
0005549530.tif 000002
【００２８】
図６は、上述した関数ｆｋ  と関数ｇｋ  とを示すグラフである。図６(ａ)は関数ｆｋ  を示し、図６(ｂ)は関数ｇｋ  を示している。これらの図からも明らかなように、関数ｇｋ  は、関数ｆｋ  に比べ標線１１のプロファイルのピーク値が強調されている。
【００２９】
次に、図３に示す位置演算部６３により、直交する２つの関数と関数ｇｋ  との相関をそれぞれ算出し、得られた２つの算出結果の比に基づいて標線１１の位置を演算する(ステップＳ４)。
【００３０】
より具体的には、最初に、関数ｇｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として数式２により計算するとともに、関数ｇｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として数式３により計算する。これは、関数ｇｋ  とｅｊ・（２πｋ／ｎ）との相関をとることと等価である。
【００３１】
【数２】
0005549530.tif 000003
【００３２】
【数３】
0005549530.tif 000004
【００３３】
そして、下記の数式４によりＸ相関ｘｇ  とＹ相関ｙｇ  との比をとってＸ相関とＹ相関のベクトル位相を求めることにより、標線の位置Ｐｇ  を求める。なお、数式４におけるＷは、計算領域１２の高さを示している。
【００３４】
【数４】
0005549530.tif 000005
【００３５】
以上の動作を図５に示す両方の標線１１に対して実行することにより、両方の標線１１の位置を求めた後に、図３に示す位置演算部６３により、両標線１１の位置の差分により標線１１間の距離を測定し、この距離の変化量に基づいて試験片１０の伸びを演算する(ステップＳ５）。
【００３６】
次に、上述した計算方法により標線の位置を演算できる理由について説明する。
【００３７】
まず、単位波形に対する位置計算を検討する。関数ｍｋ  （ｋ＝０，１，２・・・ｎ−1）を下記の数式５とする。
【００３８】
【数５】
0005549530.tif 000006
【００３９】
ｍｋ  とｅｊ・（２πｋ／ｎ）との相関をとる。すなわち、関数ｍｋ  とｃｏｓ（ｋ）との相関をＸ相関として数式６により計算するとともに、関数ｍｋ  とｓｉｎ（ｋ）との相関をＹ相関として数式７により計算する。
【００４０】
【数６】
0005549530.tif 000007
【００４１】
【数７】
0005549530.tif 000008
【００４２】
数式６および数式７に対して数式５を代入して計算すると下記の数式８および数式９となる。
【００４３】
【数８】
0005549530.tif 000009
【００４４】
【数９】
0005549530.tif 000010
【００４５】
そして、下記の数式１０により標線１１の重心位置Ｐｍ  を求めることができる。
【００４６】
【数１０】
0005549530.tif 000011
【００４７】
この数式１０より、標線１１の重心の位置Ｐｍ  は、数式５に示すａの位置にあることがわかる。
【００４８】
図７は、関数ｍｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。この図７においては、ｎ＝３０、ａ＝１０とした例を示している。
【００４９】
この図において数式１０は、数式８および数式９における角度位置に相当している。すなわち、（Ｘ，Ｙ）＝（１，０）を０ラジアンとして左回りに２πａ／ｎラジアンだけ回転したところが数式８および数式９に示すｋ＝ａとなる。実際に計算に使用する関数ｇｋ
は、単位波形の線形結合であり、図７の各方向への単位ベクトルの線形結合である。従って、関数ｇｋ  をＸＹ平面に投影したときの全ベクトルの総和の角度位置が標線１１部分の重心の位置に等しいことになる。
【００５０】
図８は関数ｆｋ  のグラフであり、図９は関数ｇｋ  のグラフである。
【００５１】
上述した関数ｆｋ  （ｋ＝０，１，２，・・・２８，２９）を図８に示すとおりとすると、この関数ｆｋ  と上述した数式１より求められる関数ｇｋ  は図９の通りとなる。これらのグラフからも明らかなように、関数ｆｋ  よりも関数ｇｋ  の方が標線１１が強調され、背景部分の影響が小さくなっている。
【００５２】
図１０および図１１は、これらの関数ｆｋ  および関数ｇｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。これらのグラフからも、関数ｆｋ  よりも関数ｇｋ  の方が標線１１が強調され、背景部分の影響が小さくなっていることが明らかとなる。そして、図１１からも明らかなように、標線１１が中央に対して対象な形をしていた場合には、その濃淡や外形にかかわらず、上述した手法により標線１１の重心位置を求めることが可能となることが理解できる。
【００５３】
次に、例えば標線１１を直接試験片１０に書き込んだ場合や試験片１０の伸長にともなって標線部分が変形した場合等において、標線１１が中央に対して非対称となった場合について検討する。
【００５４】
図１２は、標線１１が非対称であった場合の関数ｆｋ  のグラフであり、図１３はそのときの関数ｇｋ  のグラフである。また、図１４は、関数ｇｋ  を数式８および数式９によりＸＹ平面に投影したグラフである。
【００５５】
上述した関数ｆｋ  （ｋ＝０，１，２，・・・２８，２９）を図１２に示すとおりとすると、この関数ｆｋ  と上述した数式１より求められる関数ｇｋ  は図１３および図１４のとおりとなり、上述した標線１１が中央に対して対象となる場合と同様、標線１１の重心の位置を求めることが可能となる。
【符号の説明】
【００５６】
１０    試験片
１１    標線
１２    計算領域
１８    テーブル
１９    支柱
２１    上つかみ具
２２    下つかみ具
２３    クロスヘッド
２４    ロードセル
２７    レンズ
２８    ビデオカメラ
２９    アーム
３０    負荷手段
３１    制御回路
３３    制御部
３４    入力部  ３５    表示部
６１    関数作成部
６２    累乗部
６３    位置演算部
６４    伸び演算部
【図１】
0005549530.tif 000012
【図２】
0005549530.tif 000013
【図３】
0005549530.tif 000014
【図４】
0005549530.tif 000015
【図５】
0005549530.tif 000016
【図６】
0005549530.tif 000017
【図７】
0005549530.tif 000018
【図８】
0005549530.tif 000019
【図９】
0005549530.tif 000020
【図１０】
0005549530.tif 000021
【図１１】
0005549530.tif 000022
【図１２】
0005549530.tif 000023
【図１３】
0005549530.tif 000024
【図１４】
0005549530.tif 000025
【図１５】
0005549530.tif 000026