JP7470150B2 - リアルタイムビデオ伸び計 - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年７月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／０２９，６５０号の、米国特許法第１１９条（ｅ）の下の優先権を主張する。この仮特許出願の内容は、引用することによりその全体があらゆる目的で本明細書の一部をなす。

本開示は、ビデオ方法を用いることによる、歪みデータ及び関連データのリアルタイム測定方法に関する。

ビデオ伸び計測（extensometry）は、従来技術において既知であり、意図される目的のために十分に開発されている。一方、ビデオデバイスを用いて歪みを測定することの大きく制限される局面は、画像を高速で収集し、画像を画像処理エンジンに提供し、画像を処理して変位値又は歪み値を生成し、歪み値をソフトウェアが消費可能なフォーマットで出力し、これを、従来のリアルタイム方法（例えば、ロードセルが電気的に平衡状態のブリッジを有する）を介して収集された他のデータと同期させることである。

ビデオ処理伸び計の多くの製造者が存在する。これらを提供する主要な企業のうちの幾つかは、Shimadzo社、Zwick社及びImetrum社である。通常、これらの全てが、外部マシンビジョンカメラを利用し、ＰＣ又はビデオ処理ハードウェアに入力を行い、ハードウェアを用いてデータを電気信号に変換するか又は材料試験システムと互換性のあるソフトウェアインタフェースを有する方法を用いる。

従来技術は、ＩＰＶＥ及びＡＶＥ１を含む。これらはInstron社によって製造され、これらの意図される目的のために十分開発されている。これらのデバイスは、外部カメラ、ＰＣ及びアナログ出力を利用して画像を捕捉し、これらの画像から歪み値を処理する。歪みデータは、ＰＣ内のソフトウェアによって計算され、アナログ出力を介して出力される。これは図１に示される。

ビデオ画像から歪みを計算するための多くのアルゴリズムが存在し、各々が利点及び不利な点を有する。システムのほとんどに対する主な欠点は、これらのシステムが市販の高速マシンビジョンカメラを用い、高速バスを介して画像を処理システムに送信し、この画像をＰＣ又はマイクロコントローラ等の標準又は専用の処理システムを用いて操作し、その後、データを処理システム上のソフトウェアに内部的に、又はコンバータを介して電気信号に出力することである。通常、これらのシステムは、画像全体を消費し、ピクセルのアレイに対し機能して、歪み値又は変位値を生成する。このように歪み又は変位を計算することは、計算集約的であり、大規模なマイクロプロセッサシステムを必要とする。さらに、多くの材料試験の需要を満たすためにリアルタイムの挙動を保証するように、処理システムにおいてリアルタイムオペレーティングシステムが用いられる。歪みデータ又は変位データの計算後、このデータは、専用インタフェースを必要とし、あまり可搬性が高くないＰＣ上のソフトウェアに出力されるか、又はアナログデバイス若しくはエンコーダデバイスを介して出力される。これらのシステムは、時間レイテンシ、統合、及び必要な計算力に関して問題を有する。

したがって、本開示の目的は、リアルタイムビデオ伸び計に関して更なる改善を開発することである。

本開示の実施形態は、データフローにおける高周波数画像及び低レイテンシ時間を達成するために、画像ソース、データ処理及び電気出力を単一の処理基板上に組み合わせることによって、上記で特定した欠点に対処する。さらに、データ処理エンジン又はＦＧＰＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）は、画像をピクセル単位で処理し、中間歪み結果を更新して出力し、それによって、最終画像ピクセルの受信後に、最終伸び／歪み値が達成され、評価のために迅速に出力されるようにする。このハードウェア及びプロセスによって、リアルタイムビデオ伸び計が、従来の電気機械デバイス（クリップ式等）と類似したものになり、これらが接続され、材料試験システムによって同じ方式で用いられることが可能になる。高速リアルタイムビデオ処理の正味の結果として、大幅に改善された精度、はるかに高速な試料の伸長の追跡、及び非常に低いレイテンシのデータが得られ、これによってユーザーは、完全な範囲の試験基準を実行し、満たすことが可能になる。

リアルタイムビデオ伸び計は、画像入力、データ処理エンジン及び伸び／歪みデータ出力を単一のビデオ処理基板上に組み合わせて、入力及び出力データレイテンシを最小にし、処理速度を最大にする。ビデオ処理基板は、オペレーティングシステムに関連する外部レイテンシ及び処理時間問題も排除する。処理システムに対する改善の主な理由は、データ処理システムのＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）部分における全体アルゴリズムの実施である。設計及び実施は、入力からの全体データパスをハードウェアにおいて生じさせ、したがって、システム全体が決定的で高速になる。

本開示の更なる目的及び利点が、以下の説明から及び添付の図面から明らかとなるであろう。

従来技術の斜視図である。 本開示の装置のコンポーネントの斜視図である。 本開示の装置の概略図である。 本開示の装置のビデオ処理基板のブロック図である。

ここで、同様の符号が幾つかの図を通じて同様の要素を指す図面を詳細に参照すると、図１は、従来技術の伸び計１０００であることが見て取れる。この伸び計１０００は、外部カメラ、ＰＣ及びデータ通信を利用して画像を捕捉し、伸び／歪み値を生成する。伸び／歪みデータは、ＰＣにおいて、及びアナログ出力を介しての双方でソフトウェアによって計算される。より詳細には、エレクトロニクスハウジング１０１０が、プリント回路基板、カメラ（通常、偏光及び光フィルタを有する）、及び様々な視野のためのレンズを保持する。カメラによって受信される画像は、定密度空気管（ＣＤＡＴ：constant density air tube）１０２０を通じて取得される。統合照明ユニット１０３０は、定密度空気管（ＣＤＡＴ）１０２０の側面に固定される。さらに、２次元較正器具１０４０が設けられる。

図２は、本開示のリアルタイムビデオ伸び計１０の一実施形態の外観を示す。リアルタイムビデオ伸び計１０は、図３の試験フレーム１９０によって実施されるような試験下の試料（図３の要素２００及び試料２００に塗布されるか又は他の形で付けられるビデオ標的２０２を参照されたい）を照明するための、ＬＥＤアレイとして実施される統合照明ユニット１２を備える。リアルタイムビデオ伸び計１０は、プリント回路基板又はビデオ処理基板１５（図３及び図４も参照）と、偏光フィルタ１７（図３を参照）を有するカメラ又は画像センサー１６（図３も参照）とを備えるエレクトロニクスハウジング１４を更に備える。カメラ又は画像センサー１６は、或る範囲にわたる視界のための様々なレンズを含む。エレクトロニクスハウジング１４は、リアルタイムビデオ伸び計１０を較正するために様々なレンズ及びプレートへアクセスすることを可能にするためのレンズアクセス１８を更に備える。加えて、伸び計１０は、定密度空気管（ＣＤＡＴ）２０と、（ＬＥＤアレイとして実施される）統合照明ユニット１２上の９０度の偏光と、カメラ１６のレンズとを含む。従来技術のものに類似した２次元較正器具２１が更に用いられる。

図３に示すように、ビデオ処理基板１５は、（処理速度を増大させるための）フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）２２及びマイクロプロセッサ２４を備える。ビデオ処理基板は、仮想空気管を作成するために、定密度空気管（ＣＤＡＴ）２０のファン２０’を制御するためのライン１９を更に備える。リアルタイムビデオ伸び計１０は、イーサネット（登録商標）、アナログ、エンコーダ又はＳＰＩを含む標準的なインタフェースを利用して、材料試験機（試験フレーム１９０）及びソフトウェアに接続する。これによって、特殊な統合ソフトウェア又はハードウェアを用いる必要なく、デバイスにプラグインし、既存のシステムによってこのデバイスを用いることが可能になる。リアルタイムビデオ伸び計１０は、それぞれ、ライン３０２、３０４を通じて、材料試験機１９０に軸方向及び横方向のエンコーダ情報又はアナログ情報を提供する。材料試験機１９０は、ライン３０６を通じてリアルタイムビデオ伸び計１０にトリガー／同期情報を提供する。リアルタイムビデオ伸び計１０及び材料試験機１９０は、伸び／歪みデータを含むリアルタイム試験データを、イーサネット（登録商標）接続により構成することができるライン３０８、３１０を介して、外部コンピュータ４００（ラップトップとして示されるが、他の計算又は処理デバイスを実施することができることが構想される）と交換する。通常、リアルタイムビデオ伸び計１０は、伸び／歪みデータを材料試験機１９０に提供し、そして材料試験機は、応力及び伸び／歪みデータを外部コンピュータ４００に提供する。

図４は、本開示のリアルタイムビデオ伸び計１０の通常の実施形態の概観であるブロック図である。ビデオ画像は、基板上の画像センサー１６又は補助カメラリンクコネクタ入力４０（図３にも示される）を用いてシステムに入力される。収集される画像データは、完全に処理システム３０（限定ではないが、Ｚｙｎｃ ＸＣ７０２０ ＳｏＣ等）のプログラマブルロジック（図３のＦＰＧＡ２２を参照されたい）の中で処理システムによって消費される。ここでは、特殊なロジックを利用して、伸び／歪み値（すなわち、図３に示すような試料２００に付けられたビデオ標的２０２をビデオ監視することによって計算されるような標的間距離の変化又はパーセンテージ変化）の複数の軸を計算し、このデータを、基板上の軸方向又は横方向のデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）３２又は３４、エンコーダ３６又はＳＰＩインタフェース３８の電気出力を介して、最終的に図３のライン３０２、３０４を通って、材料試験機１９０（図３）に出力する。より詳細には、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）３２、３４は、２つの別個の（通常、軸方向及び横方向の、又はそうでなければ、互いに直交する）歪み又は変位信号が材料試験機１９０にリアルタイムで出力されることを可能にする、それぞれ軸方向及び横方向の歪み又は変位信号（通常、－１０ボルト～＋１０ボルトの範囲内）を提供する。エンコーダ３６は、２つの別個の歪み又は変位信号がリアルタイムで材料試験コントローラに出力されることを可能にする２つの直交エンコーダ出力を含むことができる。ＳＰＩインタフェース３８は、デジタル化された信号を任意の数のＰＣに通信し、材料試験機１９０にリアルタイムで更に出力する。

リアルタイムビデオ伸び計１０の更なる機能は、通常、ビデオ処理基板１５として実施される主要プリント回路基板によって実施される。

基板上のイメージャ及びレンズ（カメラ）１６は、処理システム３０に高速画像を提供するマシンビジョン画像センサーを実施する。

補助カメラリンクコネクタ入力４０は、標準的なコネクタを用いて市販のマシンビジョンカメラの使用を可能にする。これは、基板上のイメージャ及びレンズ（カメラ）１６の代わりに、又はこれと併せて用いることができる。加速度計４２は、アルゴリズム及び／又はイベント検出器において用いるために（通常、３次元全てにおける）加速を検出するようにレンズ１６に搭載される。

同期４４は、材料試験機１９０（図３を参照）等の外部デバイスが、後のアライメントのために、ライン３０６（図３を参照）を介して、外部コンピュータ又はＰＣ４００（図３を参照）に送信される画像にタイムスタンプを付与するための同期パルスを提供する。このタイムスタンプの付与により、画像からの時間依存の応力／歪み試験結果（処理後の結果とすることができる）の加算計算が可能になる。同様に、トリガー４６は、材料試験機１９０等の外部デバイスが、データ処理エンジン内のライン３０６（図３を参照）を介してイベントをトリガーし、高速画像バッファリング等の機能及び外部コンピュータ又はＰＣ４００（図３を参照）への送信を実行することを可能にする。これは、時間依存の応力／歪み試験結果のリアルタイム計算を可能にする。

ファン制御１９は、ＣＤＡＴ２０のファン２０’の速度制御を提供し、距離についてＣＤＡＴ２０を最適化する。ＬＥＤ制御４８は、２つの異なるカメラを用いて利用するためのＬＥＤ／プロジェクタアレイ制御の２つのバンクを含む。

ビデオＧｉｇＥブロック５０は、高速画像転送に専用のイーサネット（登録商標）接続を提供する。同様にユーザーＧｉｇＥブロック５２及びコントローラＧｉｇＥブロック５４は、処理システム３０及び材料試験機１９０のコントローラがイーサネット（登録商標）スイッチ５６を介して外部コンピュータ又はＰＣ４００と通信することを可能にするイーサネット（登録商標）接続を提供する。

ＵＳＢポート５８は、画像処理エンジンにデバッグ及びメッセージングを提供する。

ＤＤＲ３ＲＡＭ６０は、高速画像センサー１６によって捕捉された画像及び他のデータの記憶を可能にする内部メモリを提供する。さらに、幾つかの実施形態は、高速画像センサー１６から高速で長い持続時間の画像の記憶を可能にするための基板上メモリ接続を提供するＳＯＤＩＭＭ接続（図示されていない）を備えることができる。

本開示の実施形態は通常、以下の利点のうちの多くを有する。
１．高速のデータ入力、データ処理及びデータ出力。
２．マイクロプロセッサ又はＰＣシステムの副次的影響なしでの、リアルタイムの決定的動作のためのハードウェア（ＦＰＧＡ）ベースのアルゴリズム実装。
３．多数のハードウェア部品が共に統合されるのではなく、単一の基板。
４．カメラ、処理システム及び出力デバイスの大幅なコスト低減。これは、非常に高い特異性を依然として達成しながら、価格順応性を提供する。
５．スタンドアロンビデオデバイスが、伸び又は歪みを直接出力し、多くの既存のシステムにおいて用いられ得る。
６．スタンドアロン機能に起因する使用の容易性。これは標準的なクリップ式の伸び計と類似している。
７．デバイスは、閉ループ制御に用いることができるレートでデータを提供することができる。
８．データレートが増大したことにより、デバイスを高速用途で用いることができる。例えば、これは、正弦波形で実行される動的システムに関してデータを収集し制御を実行するのに用いることができる。

本開示の通常の実施形態の実質的な利点は、大幅に改善された精度、はるかに高速な試料の追跡、及び非常に低いレイテンシのデータであり、これによってユーザーは、完全な範囲の試験基準を実行し、満たすことが可能になる。

通常の試験手順が図３に示されている。ビデオ標的２０２を有する試料２００は、材料試験機１９０内に係合されている。試料２００が材料試験機１９０によって応力を生じる負荷にかけられる時点の近くで、コマンド信号がビデオ処理基板１５及び材料試験機１９０に送信され、外部コンピュータ４００に送信される。次に、リアルタイムビデオ伸び計１０は、ビデオ標的２０２間の絶対距離を捕捉し、ビデオ標的２０２の相対運動を監視して、伸び／歪みをリアルタイムで計算する。応力データ及び歪みデータが、リアルタイムビデオ伸び計１０、材料試験機１９０及び外部コンピュータ４００間で交換され、通常、外部コンピュータ４００のスクリーンを介して組織化され表示される。

このため、幾つかの上述した目的及び利点は、最も効果的に達成される。本明細書において、本発明の好ましい実施形態が開示され詳細に説明されたが、これによって本発明はいかなる意味においても限定されるものではないことが理解されるべきである。
上述の実施形態は下記のようにも記載され得るが下記には限定されない。
［構成１］
試験試料における伸び／歪みを測定するための伸び計であって、
応力を生じる負荷をかけられる試験試料の画像データを生成するための撮像デバイスと、
マイクロプロセッサ及びロジックデバイスを含む計算デバイスであって、前記ロジックデバイスが試験試料の画像データを受信し、試験試料における標的の移動を判断し、前記判断された標的の移動から伸び／歪みを求め、前記マイクロプロセッサ、前記ロジックデバイス、及び、前記マイクロプロセッサと前記ロジックデバイス間の通信パスが同一の回路基板上にある、計算デバイスと、
前記求められた伸び／歪みをリアルタイムで出力するための出力デバイスと、
を備える、伸び計。
［構成２］
トリガー又は同期信号を受信して動作又はタイムスタンプの付与を開始するための入力を更に含む、構成１に記載の伸び計。
［構成３］
伸び／歪みが２つの直交する方向において求められる、構成１に記載の伸び計。
［構成４］
伸び／歪みが軸方向及び横方向において求められる、構成１に記載の伸び計。
［構成５］
定密度空気管を更に備え、該定密度空気管を通じて前記撮像デバイスが前記試験試料を見る、構成１に記載の伸び計。
［構成６］
前記定密度空気管は、少なくとも１つのファンを備えることによって仮想空気管を作成する、構成５に記載の伸び計。
［構成７］
前記定密度空気管の前記少なくとも１つのファンは、前記同一の回路基板によって少なくとも部分的に制御される、構成６に記載の伸び計。
［構成８］
イーサネット（登録商標）接続を更に含む、構成１に記載の伸び計。
［構成９］
前記試験試料を照明するための照明デバイスを更に備える、構成１に記載の伸び計。
［構成１０］
前記照明デバイスは偏光を発する、構成１に記載の伸び計。
［構成１１］
応力を生じる負荷をかけられた試験試料の画像を受信するための補助カメラリンクコネクタ入力を更に含む、請求項１に記載の伸び計。

Claims (11)

1. 試験試料における伸び／歪みを測定するための伸び計であって、
   材料試験機によって応力を生じる負荷をかけられる試験試料の画像データを、前記材料試験機から入力されるトリガー又は同期信号に同期して生成するための撮像デバイスと、
   マイクロプロセッサ及びロジックデバイスを含む計算デバイスであって、前記ロジックデバイスが試験試料の画像データを受信し、試験試料における標的の移動を判断し、前記判断された標的の移動から伸び／歪みを求め、前記撮像デバイス、前記マイクロプロセッサ、前記ロジックデバイス、前記撮像デバイスと前記ロジックデバイス間の通信パス、及び、前記マイクロプロセッサと前記ロジックデバイス間の通信パスが同一の回路基板上にある、前記材料試験機を有するシステムにプラグイン可能な、計算デバイスと、
   前記求められた伸び／歪みを前記材料試験機にリアルタイムで出力するための出力デバイスと、
   を備える、伸び計。
2. 前記トリガー又は同期信号を受信して動作又はタイムスタンプの付与を開始するための入力を更に含む、請求項１に記載の伸び計。
3. 伸び／歪みが２つの直交する方向において求められる、請求項１に記載の伸び計。
4. 伸び／歪みが軸方向及び横方向において求められる、請求項１に記載の伸び計。
5. 定密度空気管を更に備え、該定密度空気管を通じて前記撮像デバイスが前記試験試料を見る、請求項１に記載の伸び計。
6. 前記定密度空気管は、少なくとも１つのファンを備えることによって仮想空気管を作成する、請求項５に記載の伸び計。
7. 前記定密度空気管の前記少なくとも１つのファンは、前記同一の回路基板によって少なくとも部分的に制御される、請求項６に記載の伸び計。
8. イーサネット（登録商標）接続を更に含む、請求項１に記載の伸び計。
9. 前記試験試料を照明するための照明デバイスを更に備える、請求項１に記載の伸び計。
10. 前記照明デバイスは偏光を発する、請求項９に記載の伸び計。
11. 応力を生じる負荷をかけられた試験試料の画像を受信するための補助カメラリンクコネクタ入力を更に含む、請求項１に記載の伸び計。

Images