用于提高激光干涉条纹实时相移帧率的快速处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于提高激光干涉条纹实时相移帧率的快速处理方法，属于光电 检测领域。
【背景技术】
[0002] 近二十年来，各种光学干涉技术，例如，散斑干涉、云纹干涉等技术，已成为变形场 测量的重要方法。它们基于光学干涉的原理，具有很高的灵敏度，可以测量受力物体表面的 位移和位移导数。由于它具有全场测量、光路简单、调节方便、对环境要求低等特点，因此被 广泛用于各类精密测量中。
[0003] 传统的光学干涉仪，通常以干涉条纹图的形式给出测量结果。由于受到各类噪声 的影响，其信噪比很差。为了对结果进行定量分析，通常需要进行复杂的人工处理，比如确 定条纹中心线、为条纹定级等。相移技术的引入，提高了干涉条纹的测量精度，实现了干涉 条纹的自动化处理。该方法通过在检测过程中引入多幅已知相移量的干涉条纹，使用相移 算法求解代表物面变形的位相。
[0004] 相移法的引入，简化了干涉条纹的定量分析，并提高了测量精度以及结果的信噪 比。但是，由于相移法在执行过程中，需要进行大量的计算。同时为了提高相移图像的质量 而运用的滤波方法也需消耗时间。传统的处理方法难以实现干涉条纹位相的实时显示，限 制了该方法实际应用的潜力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种用于提高激光干涉条纹实时 相移帧率的快速处理方法。该方法既充分发挥了传统相移技术的优点，又能实时地计算和 显示干涉条纹的位相。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种用于提高激光干涉条纹实时相移帧率的快速处理方法，操作步骤包括：
[0008] 1)在初始时刻，对被测物体采集四幅干涉图像，它们依次间隔有π /2相移量，运 用四步相移法对上述四幅干涉图像进行解调获得被测物体初始时刻的位相结果；
[0009] 2)为提高求解位相的信噪比，使用均值滤波算法对步骤1)中得到的初始位相图 进tx滤波；
[0010] 3)在测量过程中，利用压电相移器以给定的频率持续间隔31 /2相移量，并实时采 集被测物体加载以后的四幅干涉图；
[0011] 4)运用图像分区方式，对步骤3)中采集到的四幅加载后的干涉图像沿高度方向 由上至下进行四等分，在对图像进行分区时，各区域之间需要保留相交部分；
[0012] 5)根据图像的四个分区，将加载后的干涉图像一一对应，并运用四步相移法计算 出被测物体各个分区的位相结果，同时使用步骤2)的均值滤波算法对被测物体四个分区 的位相图进行滤波。计算机通过并行计算，同时进行四个分区的四步相移计算和滤波处 理；
[0013] 6)将步骤5)中计算出的被测物体四个区域的相位图按照步骤4)的分区方式进行 逆向拼接，形成一幅完整的被测物体加载后的位相图；
[0014] 7)将步骤6)计算出的被测物体加载后的位相图减去步骤2)中初始时刻的位相 图，得到被测物由于加载引起的位相图像；
[0015] 8)在测量过程中不断重复步骤3)到步骤7)的过程，即实现实时位相检测。
[0016] 所述步骤1)在初始时刻，对被测物体采集四幅干涉图像，它们分别如下表示：
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021] 其中，（X，y)是图像的空间坐标，fi(x, y), i = 0, 1，2, 3是初始时刻采集到的四幅 干涉图像，它们依次有^1/2的相移量，3〇^7)，13(17)分别表示干涉图像的背景和幅值， 是初始时刻的干涉位相，其通常是随机噪声；
[0022] 运用四步相移法，计算出被测物体初始时刻的位相结果：
[0023]
[0024] 所述步骤2)为提高求解位相的信噪比，使用均值滤波算法对步骤1)中得到的 %(x, W进行普通均值滤波，滤波处理后的位相结果冗(U)如下表示：
[0025]
[0026] 其中你表示被测物体初始时刻的经过滤波的位相结果，F{}表示均值滤波运 算，该算法的特点在于，算法执行的时间几乎与滤波窗口 NXN的尺寸无关。
[0027] 所述步骤3)在测量过程中，相移器发出以2π为周期、依次间隔为π/2的相移 量，并同步采集被测物体一个相移周期内的四幅干涉图像，在测量过程中，如果采集图像的 速度远大于物体变形的速度，则认为所采集到的4幅干涉图之间，由物体变形所引起的位 相变化是相同的，当前时刻采集的的4幅干涉图，表达为：
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 其中gl(x，y)，i = 0, 1，2, 3 ···表示被测物体变形后当前时刻采集到的四幅干 涉图像，翁(*，为表示被测物体加载后的位相，△舛A V)表示当前时刻相对于起始时刻的位 相变化，该位相也就是所要检测的目标量，与物体变形相对应。
[0034] 所述步骤4)是将测量过程中存储的4幅相移图g。(X，y)，gi (X，y)，g2 (X，y)，g3 (X，y )进行分区，为了能对分区处的边界进行滤波处理，注意在对图像进行分区时，各分区之间 需保留相交地带，具体分区如下：
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 其中一表示将变形后采集到的干涉图像进行分区；
[0040] 所述步骤5)是根据上述图像分区，依次运用四步相移法，计算出被测物体四个分 区加载后的位相结果：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] 其中奶,Π% .V)，供;：(x，.1')肩4(.W)代表四个分区各自的位相结果。
[0046] 同时为提高求解位相的信噪比，使用步骤2)中的均值滤波算法对步骤上述 得到的池科办，減％(.ν·，.ν)肩. 4(λ·,分进行均值滤波处理，经过滤波后的位相结果
I如下表示：
[0047] CN 105136055 A 1冗 P月卞> 4/7 页
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 计算机通过并行计算，同时进行四个分区的四步相移计算和滤波处理。其中
t表示四个分区经过滤波后的位相结果；
[0052] 所述步骤6)是将上述得到的四个分区的位相结果根据步骤4)的分区方式进行逆 向拼接，最终得到的位相结果为：
[0053]
[0054] 其中{}表示将四个分区的位相结果根据步骤4)的分区方式进行逆向拼接。
[0055] 所述步骤7)是将被测物体加载后的位相结果减去初始时刻的位相结果，得到物 体由于加载引起的位相差:
[0056]
[0057] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出优势和显著进步：
[0058] 本方法利用压电相移器产生四步相移，摄像机同步采集多幅相移散斑图像，通过 对加载后的散斑图像进行特殊的分区处理，运用并行计算方法进行四步相移和均值滤波计 算，进而求解出干涉条纹的位相图，快速解算出包含在条纹图中代表被测物体变形的位相 信息。该方法结合并行计算方法，提高了四步相移和均值滤波的计算效率，使得位相图像的 显示速率较传统相移方法提高了 3 - 4倍，真正做到了实时相移。同时均值滤波方法的引入 有效抑制了环境噪声、显著提高图像对比度，实现了被测物体实时的位相解算。
【附图说明】
[0059] 图1是本发明用于提高激光干涉条纹实时相移帧率的快速处理方法的图像分区 示意图。
[0060] 图2是本发明用于干涉条纹的并行计算方法的流程示意图。
[0061] 图3是实施例中的周边固支圆盘实物照片。
[0062] 图4是周边固支圆盘在初始时刻采集的四幅依次具有π /2相移量的剪切散斑干 涉图像。
[0063] 图5是周边固支圆盘经过四步相移和均值滤波得到的初始时刻的位相结果。
[0064] 图6是周边固支圆盘在加载后中一个相移周期内采集的四幅依次具有π/2相移 量的剪切散斑干涉图像。
[0065]图7是周边固支圆盘在加载后中采集的四幅散斑图像经过分区后的情形。
[0066] 图8是周边固支圆盘经过四步相移和均值滤波，并通过图像拼接处理的加载后中 位相结果。
[0067] 图9是将周边固支圆盘加载后的位相结果减去初始时刻的位相结果得到的圆盘 由于加载引起的位相差值。
【具体实施方式】
[0068] 本发明的优选实例结合附图详述如下：
[0069] 如图1和图2所示，一种用于提高激光干涉条纹实时相移帧率的快速处理方法，采 用剪切电子散斑测量周边固定圆盘在其中心受到集中载荷下的变形，检测过程为：
[0070] 1)将周边固定的圆盘（如图3所示），放在剪切散斑干涉的光路。
[0071] 2)在圆盘受力之前，先用摄像机采集四幅依次具有间隔π/2相移量的剪切散斑 图像，相移通过压电陶瓷来实现。初始时刻的干涉图如图4所示，上述四幅散斑图表示为：
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076] 其