基于结构光的二维DIC光学引伸计离面补偿装置及方法与流程

本发明涉及实验力学、光学检测领域，更为具体地说，涉及一种基于结构光的二维dic(digitalimagecorrelation，数字图像相关)光学引伸计离面补偿装置及方法。

背景技术：

经过近40年的研究，使用两个相机的3d-dic有了很大的发展，在理论和技术上都已经较为成熟。但是3d-dic仍然存在一些固有的缺点，例如相对复杂的光学系统、双目相机相应点的错误匹配、昂贵的硬件成本以及繁琐的相机标定等。为降低硬件成本，一些学者将2d-dic技术和条纹投影技术结合在一起,使用条纹投影仪代替其中一个照相机来实现3d-dic。但是条纹投影方法需要耗时且复杂的解相位过程，严重降低了检测效率。2d-dic方法具有实验设备简单、成本低、无需标定的优点，因此在诸如材料参数估计和结构健康监测等面内变形测量领域，2d-dic方法仍然发挥着不可替代的作用。

2d-dic方法的基本原理是用固定相机捕获平面试件变形前后的数字图像，通过匹配变形前后的图像，可以获得试件的测量面的像素变形信息。因此，2d-dic方法只能测量平面试件的面内位移。当测量面发生离面位移(包括离面平移和离面旋转)或相机光轴与测量面非垂直安装时，2d-dic方法将产生伪应变，使得最终测量精度偏低。因此校正离面位移和光轴非垂直安装所产生的伪应变，减少其对测量精度的影响显得极其重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置及方法，有效解决现有技术存在的技术问题，在获得试件的测量面的应变数据的同时，能够对离面位移和光轴非垂直安装所产生的伪应变进行补偿，提高了测量精度。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置，包括：

标定板，所述标定板包括具有预设图形标记点的标定面；

试件，所述试件的测量面喷涂有底漆及散斑；

光源装置，所述光源装置用于照射所述标定面和所述测量面；

结构光投影装置和相机，所述结构光投影装置用于投射结构光至所述标定面，并由所述相机获取所述标定面的标定图像和所述结构光投射至所述标定面相应光条的标定光条图像后，所述结构光投影装置投射所述结构光至所述测量面，且由所述相机获取所述测量面的散斑图像和所述结构光投射至所述测量面相应光条的光条图像；

以及，图像处理装置，所述图像处理装置用于根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，并将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，进而补偿伪应变。

可选的，所述图像处理装置包括标定单元，所述标定单元用于根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及所述相机的内参和外参及结构光平面方程，所述标定单元包括：

第一获取模块，所述第一获取模块用于获取所述标定图像和所述标定光条图像，其中，所述标定图像和所述标定光条图像分别包括在所述结构光投射至所述标定面且任意移动所述标定板时相应的第一标定子图像至第m标定子图像和第一标定光条子图像至第m标定光条子图像，m为不小于3的整数；

相机标定模块，所述相机标定模块用于通过张正友标定法处理所述标定图像而标定所述相机的内参和外参，且根据所述外参获得标定面平面方程；

以及，结构光标定模块，所述结构光标定模块用于根据所述标定光条图像获取所述结构光的投影平面方程，且根据所述标定面平面方程和所述投影平面方程得到所述结构光投射至所述标定面的光条的三维位置，并将任意移动所述标定板时相应的不同三维位置的光条进行拟合得到所述结构光平面方程。

可选的，所述图像处理装置包括离面位移测量单元，所述离面位移测量单元用于将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，所述离面位移测量单元包括：

第二获取模块，所述第二获取模块用于获取所述光条图像，其中，所述光条图像包括对所述试件逐步施加载荷时相应的第一光条子图像至第n光条子图像和未施加载荷时相应的第零光条子图像，n为不小于2的整数；

计算模块，所述计算模块用于将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移。

可选的，所述图像处理装置将所述光条图像代入所述结构光平面方程且基于光学三角测量法获取所述测量面的离面位移。

可选的，所述底漆为白色底漆、所述散斑为红色散斑、所述光源装置为蓝色光源装置及所述结构光为红色结构光；

其中，所述标定图像和所述散斑图像为所述相机的蓝色通道提取的图像，所述标定光条图像和所述光条图像为所述相机的红色通道捕获的图像。

可选的，所述结构光为相交结构光。

相应的，本发明还提供了一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿方法，包括：

提供具有预设图形标记点的标定面的标定板和测量面喷涂有底漆及散斑的试件；

控制光源装置照射所述标定面，同时控制结构光投影装置投射结构光至所述标定面，并由相机获取所述标定面的标定图像和所述结构光投射至所述标定面相应光条的标定光条图像；

将所述测量面放置于所述光源装置照射光路及所述结构光投影装置投射所述结构光的光路上，且由所述相机获取所述测量面的散斑图像和所述结构光投射至所述测量面相应光条的光条图像；

根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，并将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，进而补偿伪应变。

可选的，根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，包括：

获取所述标定图像和所述标定光条图像，其中，所述标定图像和所述标定光条图像分别包括在所述结构光投射至所述标定面且任意移动所述标定板时相应的第一标定子图像至第m标定子图像和第一标定光条子图像至第m标定光条子图像，m为不小于3的整数；

通过张正友标定法处理所述标定图像而标定所述相机的内参和外参，且根据所述外参获得标定面平面方程；

根据所述标定光条图像获取所述结构光的投影平面方程，且根据所述标定面平面方程和所述投影平面方程得到所述结构光投射至所述标定面的光条的三维位置，并将任意移动所述标定板时相应的不同三维位置光条进行拟合得到所述结构光平面方程。

可选的，将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，包括：

获取所述光条图像，其中，所述光条图像包括对所述试件逐步施加载荷时相应的第一光条子图像至第n光条子图像和未施加载荷时相应的第零光条子图像，n为不小于2的整数；

将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移。

可选的，根据所述光条图像获取所述测量面的离面位移，包括：

将所述光条图像代入所述结构光平面方程且基于光学三角测量法获取所述测量面的离面位移。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置及补偿方法，包括：标定板，所述标定板包括具有预设图形标记点的标定面；试件，所述试件的测量面喷涂有底漆及散斑；光源装置，所述光源装置用于照射所述标定面和所述测量面；结构光投影装置和相机，所述结构光投影装置用于投射结构光至所述标定面，并由所述相机获取所述标定面的标定图像和所述结构光投射至所述标定面相应光条的标定光条图像后，所述结构光投影装置投射所述结构光至所述测量面，且由所述相机获取所述测量面的散斑图像和所述结构光投射至所述测量面相应光条的光条图像；以及，图像处理装置，所述图像处理装置用于根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，并将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，进而补偿伪应变。本发明提供的技术方案，能够对离面位移和光轴非垂直安装所产生的伪应变进行补偿，提高了测量精度。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿方法的流程图；

图3为基于标定面的线结构光标定示意图；

图4为彩色相机不同通道获取图像的相应示意图；

图5为由离面平移和离面旋转引起的伪应变示意图。

具体实施方式

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。

正如背景技术所述，2d-dic方法的基本原理是用固定相机捕获平面试件变形前后的数字图像，通过匹配变形前后的图像，可以获得试件的测量面的像素变形信息。因此，2d-dic方法只能测量平面试件的面内位移。当测量面发生离面位移(包括离面平移量和离面旋转角)或相机光轴与测量面非垂直安装时，2d-dic方法将产生伪应变，使得最终测量精度偏低。因此校正离面位移和光轴非垂直安装所产生的伪应变，减少其对测量精度的影响显得极其重要。

基于此，本发明实施例提供了一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置及补偿方法，有效解决现有技术存在的技术问题，在获得试件的测量面的应变数据的同时，能够对离面位移和光轴非垂直安装所产生的伪应变进行补偿，提高了测量精度。

为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图5对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置的结构示意图，其中，光学引伸计离面补偿装置包括：

标定板100，所述标定板100包括具有预设图形标记点的标定面.

试件200，所述试件200的测量面喷涂有底漆及散斑。

光源装置300，所述光源装置300用于照射所述标定面和所述测量面。

结构光投影装置400和相机500，所述结构光投影装置400用于投射结构光至所述标定面，并由所述相机500获取所述标定面的标定图像和所述结构光投射至所述标定面相应光条的标定光条图像后，所述结构光投影装置400投射所述结构光至所述测量面，且由所述相机500获取所述测量面的散斑图像和所述结构光的投射至所述测量面相应光条的光条图像。其中，标定图像及标定光条图像均由相机的不同颜色通道同时获得。及散斑图像和光条图像亦即由相机的不同颜色通道同时获得。

以及，图像处理装置600，所述图像处理装置600用于根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，并将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，进而补偿伪应变。同时，本发明实施例提供的图像处理装置能够采用二维数字图像相关法处理所述散斑图像得到测量面的应变数据。本发明实施例提供的标定面的预设图形标记点可以为圆形标记点、棋盘格标记点等，以及，标记板可以为陶瓷等使标定面光滑平整的材质，对此本发明不做具体限制。

需要说明的是，本发明实施例提供的相机采集的标定面和测量面的图像，其中，在标定面图像中提取标定图像和标定光条图像，在测量面图像中提取散斑图像和光条图像。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述图像处理装置包括标定单元，所述标定单元用于根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到所述相机的内参和外参及结构光平面方程，所述标定单元包括：

第一获取模块，所述第一获取模块用于获取所述标定图像和所述标定光条图像，其中，所述标定图像和所述标定光条图像分别包括在所述结构光投射至所述标定面且任意移动所述标定板时相应的第一标定子图像至第m标定子图像和第一标定光条子图像至第m标定光条子图像，m为不小于3的整数。

相机标定模块，所述相机标定模块用于通过张正友标定法处理所述标定图像而标定所述相机的内参和外参，且根据所述外参获得标定面平面方程。

以及，结构光标定模块，所述结构光标定模块用于根据所述标定光条图像获取所述结构光的投影平面方程，且根据所述标定面平面方程和所述投影平面方程得到所述结构光投射至所述标定面的光条的三维位置，并将任意移动所述标定板时相应的不同三维位置的光条进行拟合得到所述结构光平面方程。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述图像处理装置包括离面位移测量单元，所述离面位移测量单元用于将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，所述离面位移测量单元包括：

第二获取模块，所述第二获取模块用于获取所述光条图像，其中，所述光条图像包括对所述试件逐步施加载荷时相应的第一光条子图像至第n光条子图像和未施加载荷时相应的第零光条子图像，n为不小于2的整数。

计算模块，所述计算模块用于将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述图像处理装置将所述光条图像代入所述结构光平面方程且基于光学三角测量法获取所述测量面的离面位移。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述底漆为白色底漆、所述散斑为红色散斑、所述光源装置为蓝色光源装置及所述结构光为红色结构光；

其中，所述标定图像和所述散斑图像为所述相机的蓝色通道提取的图像，所述标定光条图像和所述光条图像为所述相机的红色通道捕获的图像。以及，本发明实施例提供的所述结构光为相交结构光，其中，相交结构光可以为十字形结构光等，对此本发明不做具体限制。

相应的，本发明实施例还提供了一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿方法，参考图2所示，为本发明实施例提供的另一种基于结构光的二维dic补偿方法的流程图，补偿方法包括：

s1、提供具有预设图形标记点的标定面的标定板和测量面喷涂有底漆及散斑的试件；

s2、控制光源装置照射所述标定面，同时控制结构光投影装置投射结构光至所述标定面，并由相机获取所述标定面的标定图像和所述结构光投射至所述标定面相应光条的标定光条图像。

s3、将所述测量面放置于所述光源装置照射光路及所述结构光投影装置投射所述结构光的光路上，且由所述相机获取所述测量面的散斑图像和所述结构光投射至所述测量面相应光条的光条图像。其中，光源装置和结构光投影装置对标定面进行照射标定完毕后固定不动，对此将标定板取出而将试件测量面放置在光源装置和结构光投影装置的光路上。

s4、根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，并将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，进而补偿伪应变。

在本发明一实施例中，本发明提供的根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，包括：

获取所述标定图像和所述标定光条图像，其中，所述标定图像和所述标定光条图像分别包括在所述结构光投射至所述标定面且任意移动所述标定板时相应的第一标定子图像至第m标定子图像和第一标定光条子图像至第m标定光条子图像，m为不小于3的整数。

通过张正友标定法处理所述标定图像而标定所述相机的内参和外参，且根据所述外参获得标定面平面方程。

根据所述标定光条图像获取所述结构光的投影平面方程，且根据所述标定面平面方程和所述投影平面方程得到所述结构光投射至所述标定面的光条的三维位置，并将任意移动所述标定板时相应的不同三维位置光条进行拟合得到所述结构光平面方程。

在本发明一实施例中，本发明提供的将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到所述光条图像数据，且根据所述光条图像数据获取所述测量面的离面位移，包括：

获取所述光条图像，其中，所述光条图像包括对所述试件逐步施加载荷时相应的第一光条子图像至第n光条子图像和未施加载荷时相应的第零光条子图像，n为不小于2的整数。

将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移。

在本发明一实施例中，本发明提供的根据所述光条图像获取所述测量面的离面位移，包括：

将所述光条图像代入所述结构光平面方程且基于光学三角测量法获取所述测量面的离面位移。

下面结合附图及具体示例对本发明提供的技术方案进行更为详细的描述。为了避免结构光相应图像与标定图像和散斑图像之间相互干扰，本发明采用红色结构光和蓝色照明装置，以及试件的测量面喷涂白色底漆及红色散斑；同时采用彩色相机进行图片拍摄，以通过彩色相机的不同通道获取结构光相应图像、标定图像和散斑图像。以及，本发明采用线结构光投影装置投射十字形结构光。本发明实施例提供的光学引伸计离面补偿装置及方法包括有相机及结构光的标定、离面位移的测量和伪应变(或称之为虚应变等)的补偿。

相机及结构光的标定原理包括：

步骤1，将线结构光投影装置投射的十字形结构光平面与具有统一标记点的标定板的标定面相交放置，蓝色光源装置提供照明光源，使得标定面上出现十字形结构光平面与标定面相交的十字形光条。

步骤2，彩色相机拍摄具有十字形光条的图片。其中，在保证十字形结构光平面与标定面始终相交的基础上，任意移动标定板并拍摄第一图片至第m图片。其中，第一图片至第m图片包括标定图像的第一标定子图像至第m标定子图像，及第一图片至第m图片还包括标定光条图像的第一标定光条子图像至第m标定光条子图像。

步骤3，由彩色相机的蓝色通道提取标定图像并通过张正友标定法标定相机的内参(焦距和主点)和外参(标定面相对于相机的位置)，并根据外参获得标定面平面方程。

步骤4，通过彩色相机的红色通道捕获的十字形光条(标定光条图像)求解出十字形光条的投影平面方程(如图3所示的基于标定面的线结构光标定示意图，图中以三个标定面为例进行说明，相机500光学中心和标定面移动(如标定面a1，a2，a3……am)时获得的不同空间位置的光条l1，l2，l3……lm形成投影平面β1，β2，β3……βm)，结合标定面a1，a2，a3……am相应平面方程和投影平面β1，β2，β3……βm相应平面方程，可以得到结构光投射至标定板的光条的三维位置，这些任意移动标定板时相应位于不同空间位置的光条均属于结构光平面，故而对任意移动标定板时相应位于不同三维位置的光条进行拟合可以获得结构光平面方程，从而完成十字形结构光平面的标定。

离面位移测量过程包括：

步骤1，将试件的测量面放置于蓝色光源装置和十字形结构光投影装置的光路上，并在测量面上产生相交的十字形光条。

步骤2，在保证十字形结构光平面与测量面相交基础上，对试件逐步施加载荷使其发生变形，同时通过彩色相机拍摄相应第一图片至第n图片；以及通过彩色相机拍摄未施加载荷时第零图片。其中，第一图片至第n图片包括有逐步施加载荷时光条图像的第一光条子图像至第n光条子图像，以及，第零图片包括未施加载荷时相应的第零光条子图像为试件变形前的参考图像。同时，第零图片至第n图片还包括对应的第零散斑子图像至第n散斑子图像。如图4所示的彩色相机不同通道获取图像的相应示意图，图4(a)所示的光条图像(十字形结构光)由彩色相机的红色通道捕获，及图4(b)所示的散斑图像由彩色相机的蓝色通道捕获。

步骤3，采用二维dic算法处理由彩色相机的蓝色通道捕获的散斑图像，得到散斑图像的应变数据(即每一散斑子图像的应变数据，应变数据或称之为像素变形数据等)。以及，将彩色相机的红色通道捕获的光条图像代入结构光平面方程且基于光学三角测量法测量试件的测量面的离面位移(即基于每一光条子图像和光学三角测量法得到的离面平移量z0，z1，z2……zn和离面旋转角θ0，θ1，θ2……θn)。

伪应变补偿过程如下：

根据获得的测量面的离面位移且结合二维dic测量中离面位移产生的伪应变数学模型即可补偿离面位移(包括离面平移量和离面旋转角)和相机光轴非垂直安装产生的伪应变，其中，相机光轴非垂直安装可以作为离面旋转角的特殊情况进行补偿。

具体结合图5所示，为由离面平移和离面旋转引起的伪应变示意图，设f为相机的焦距，z为相机的物距，(x，y)为成像平面上的坐标，(x，y)为测量面上的坐标(即(x，y)为物体平面尺寸)，yp(z+δz)、yθ(z)和yp(z)为成像位置(可以使用针孔相机成像模型确定)。当试件的测量面具有离面平移量δz时，即使试件本身不变形，成像平面上的像点也会改变，引入均匀的虚拟位移u(x，y)，v(x，y)和伪应变εx(x，y)，εy(x，y)：

式中，u(x，y)，v(x，y)为分别为x和y轴的虚拟位移，εx(x，y)，εy(x，y)分别为x和y轴的伪应变。

当测量面绕x轴旋转θ时，得到的虚拟位移u(x，y)，v(x，y)和伪应变εx(x，y)，εy(x，y)如下：

式中，u(x，y)，v(x，y)，εx(x，y)，εy(x，y)，f，z，δz，(x，y)，(x，y)解释如上式，不再赘述，θ为绕x轴的离面旋转角。从式中可以看出，绕x轴的离面旋转在x和y方向上引入了不相等的负法向应变，其是旋转角度θ，焦距f和旋转轴的偏离位置y的函数。其中，如果考虑绕y轴的离面旋转，也可以得出类似的结果。此外，当测量面与相机光轴未垂直安装时，即使没有离面旋转(即θ保持不变)，也会产生伪应变。因此，相机光轴非垂直安装可以作为离面旋转的特殊情况进行补偿。

因此，当获得测量面的离面平移量δz和离面旋转角θ时，可以根据所建立的伪应变数学模型补偿二维dic测量中由离面位移(包括离面平移和离面旋转)和相机光轴非垂直安装产生的伪应变。

具体根据以下公式补偿离面平移量产生的伪应变：

式中，εx，εy分别为x轴和y轴的伪应变，z为相机的物距，n为图像编号。

以及，根据以下公式补偿由离面旋转角和相机光轴非垂直安装导致的伪应变。当θ0＝θn≠0，表示由纯相机非垂直安装引起的伪应变；当θn≠θ0＝0，表示纯离面位移角引起的伪应变：

式中，εx，εy分别为x轴和y轴的伪应变，f为相机的焦距，y为测量面通过针孔相机成像模型确定的图像坐标y，θ为绕x轴的离面旋转角，n为图像编号。

本发明实施例提供了一种基于结构光的二维dic光学引伸计离面补偿装置及方法，包括：标定板，所述标定板包括具有预设图形标记点的标定面；试件，所述试件的测量面喷涂有底漆及散斑；光源装置，所述光源装置用于照射所述标定面和所述测量面；结构光投影装置和相机，所述结构光投影装置用于投射结构光至所述标定面，并由所述相机获取所述标定面的标定图像和所述结构光投射至所述标定面相应光条的标定光条图像后，所述结构光投影装置投射所述结构光至所述测量面，且由所述相机获取所述测量面的散斑图像和所述结构光投射至所述测量面相应光条的光条图像；以及，图像处理装置，所述图像处理装置用于根据所述标定图像和所述标定光条图像，对所述相机和结构光进行标定得到相机的内参和外参及结构光平面方程，并将所述光条图像代入所述结构光平面方程得到离面位移，进而补偿伪应变。本发明提供的技术方案，能够对离面位移和光轴非垂直安装所产生的伪应变进行补偿，提高了测量精度。

以及，本发明实施例提供的技术方案无需粘贴额外的补偿试件以对测试试件变形造成干扰，且可以对试件加载过程中产生的离面位移进行实时补偿。本发明提供的技术方案操作简单，且涉及结构器件简单，无需精密位移装置等辅助元件，易于实现且降低了实验成本。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。