一种基于半子区分割法的数字图像相关方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适于两种变形模式交界附近变形测量的数字图像相关方法，特别 是涉及一种基于半子区分割法的数字图像相关方法。
【背景技术】
[0002] 数字图像相关方法是一种光学测量方法，通过对变形前、后物体表面的两幅散斑 图进行相关处理来实现物体表面的位移和应变测量。该方法具有显著的优点：非接触、精度 高、全场测量和对测量环境无特别要求等。目前，该方法已成为岩石力学、材料力学、实验力 学等领域的先进观测手段。
[0003] 数字图像相关方法根据物体表面散斑图像在变形前、后的相关性来确定物体上点 的位移和应变。为了计算一点的位移和应变，在变形前图像上以该点坐标为中心选取方形 图像子区称为样本子区，在变形后图像上选取的相同尺寸的图像子集称为目标子区，二者 的中心点坐标之差为点的位移。使用中心差分方法，根据位移场可以得到应变场。
[0004] 影响数字图像相关方法精度的因素有图像质量、亚像素插值方法、相关搜索方法、 变形模式等。在理想的情况下，位移精度可高达0.01像素左右。在传统的数字图像相关方 法中，一般认为样本子区内各点的位移均可用同一函数表示，即变形模式只有一种。在变形 较均匀时，应变是常数，位移为坐标的一阶函数，变形模式只有一种。而当变形不均匀时，子 区内的变形可能比较复杂，变形模式可能不只一种。为了减小子区内变形的非均匀性，可以 减小子区的尺寸，但是，这会受到搜索精度降低的威胁。甚至，当变形增大至一定程度后发 展出裂纹时，在裂纹附近的子区内，连续变形变成非连续变形，变形模式更加复杂。此外，当 测点在模型边界时，子区内包含无效区域和有效区域，两种区域的变形模式也不相同。在这 些条件下，方形子区内并非只有一种变形模式，如果使用传统数字图像相关方法进行搜索， 会带来较大误差。
[0005] 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于子区分割法的数字图像相关方法。首 先，使用亚像素数字图像相关方法计算测点，当测点位于两种变形模式交界附近时，计算的 测点的相关性较差，将其挑选出来。然后，以每个结果较差的测点为中心选取方形样本子 区，利用过子区中心点的一条线段将子区分割成两个半子区，使用整像素数字图像相关方 法，搜索不同分割角度时所有半子区的最佳目标子区，获得粗略的测点位移和分割角度。最 后，以粗略的测点位移和分割角度为初值，利用亚像素数字图像相关方法和凸函数求极值 的方法，精细搜索测点位移和分割角度。当计算的分割角度接近真实值时，可以得到一个仅 包含一种变形模式的半子区，因此，可以得到精度较高的位移场。本发明的优越性在于，可 以对两种变形模式交界附近的测点的位移场进行搜索，提高了数字图像相关方法的适用范 围。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有数字图像相关方法不能计算两种变形模式交界附近变形的问题，本 发明提供了一种基于半子区分割法的数字图像相关方法，该方法可以计算传统数字图像相 关方法不能计算的以下三种情况的测点：（1)位于模型边界上的点；（2)附近包含2种均匀 变形的点；（3)位于裂纹附近的点。这3种测点的共同特点是：以测点为中心选取的样本子 区内包含2种变形模式。
[0007] 本发明的特征在于，包括： 在变形前图片上布置一定数量的测点，以测点为中心选取方形的样本子区，利用亚像 素数字图像相关方法，获取包含两种变形模式的变形后图片的变形场，并挑选出结果较差 的测点； 以每个结果较差的测点为中心选取方形样本子区，利用过子区中心点的一条线段将子 区分割成两个半子区，设置多个分割线段的角度，使用整像素数字图像相关方法，搜索不同 分割角度时所有半子区的最佳目标子区，获得粗略的测点位移和分割角度； 以粗略的测点位移和分割角度为初值，利用亚像素数字图像相关方法和凸函数求极值 的方法，精细搜索测点位移和分割角度。
[0008] 进一步地，其中， 所述包含两种变形模式的图片如图1的示意图所示，1为变形前图像，2为包含两种变 形模式的变形后图像，在变形过程中，变形前图像1中包含两种变形模式。其中，在该示意 图中，变形模式设定为：区域I中，变形模式为水平剪切；在区域II中，变形模式为垂直剪 切。在区域I、区域II，以及在两个区域的交界上的子区1-1、1-2及1-3,其在变形后图像2 中分别为子区2-U2-2及2-3。
[0009] 在传统的数字图像相关方法中，一般认为子区的变形模式只有1种，因此，对于子 区1-1和1-2的中心点M和φ可以搜索到子区2-1和2-2的中心点"i和" 2。但是，由 于子区1-3的变形模式有2种，因此，通常不能搜索到子区2-3的中心点"3。
[0010] 进一步地，其中， 在变形前图片上布置一定数量的测点，以测点为中心选取方形的样本子区，利用亚像 素数字图像相关方法，获取包含两种变形模式的变形后图片的变形场，并挑选出结果较差 的测点进一步为： 首先，在变形前图片上，按照水平成行，垂直成列的等间距排列方式布置一定数量的测 点。然后，以测点为中心选取方形的样本子区，采用亚像素数字图像相关方法，通过计算样 本子区与变形后图像中的目标子区的相关性，搜索测点的变形场，包括位移场和应变场。亚 像素数字图像相关方法的精度须较高，在0. 01像素左右。最后，根据数字图像相关方法计 算的相关系数的分布情况，挑选出相关性明显小于大多数的测点，准备重新进行计算。这些 测点的相关性较差，表明测点可能位于两种变形模式交界附近。
[0011] 进一步地，其中，以每个结果较差的测点为中心选取方形样本子区，利用过子区中 心点的一条线段将子区分割成两个半子区进一步为： 首先，对以每个结果较差的测点为中心选取方形样本子区进行分析。如图2所示，两 个区域的交界上的子区1-3包含3-1和3-2两个区域，在这2个区域内，均仅有1种变形模 式。理想的分割方法是将子区完全分成3-1和3-2。子区中心点尸。所在的子区3-1称为主 子区，另一个子区3-2称为副子区。使用亚像素数字图像相关方法，通过搜索主子区的目标 子区可以获得测点忍的位移及测点周围的应变。
[0012] 理想的分割方法虽然较好，但实现的过程却比较复杂，原因有2个：首先，分割线 的方程至少有2个参数，这给求解带来了困难；其次，主子区包含原子区的中心点，而副子 区不包含，则两种子区的搜索方式不相同，这也增加了计算难度。
[0013] 为了简化子区分割过程，本发明提出的方法如图3所示，过包含2种变形模式的子 区1-3的中心点忍做分割线4,当分割线的倾角比较合理时，可以得到1个仅包含1种变形 模式的主子区5-1和1个副子区5-2。使用数字图像相关方法，通过搜索主子区可以获得测 点忍的位移及测点周围的应变。为了方便计算，半子区的灰度矩阵是采用下列方法得到的： 将方形子区中在分割线某一侧的像素的灰度设为无效值，将改变后的方形子区的灰度矩阵 作为半子区的灰度矩阵。
[0014] 本发明的子区分割线过子区中心点，有2个显著的优点：①分割线仅有1个待定 参数(分割线倾角），易于求解；②主、副子区均包含原子区中心点，且主、副子区的像素数相 同，求解过程相同，这也简化了求解过程。
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