专利名称：一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量微小位移的数字散斑相关测量方法。具体的说是涉及一种基 于相位涡旋特征参数来实现对被测物体微小位移的数字散斑相关测量。
背景技术：
激光散斑是指当激光照射在粗糙物体表面上时，在反射场或透射场形成的看似杂 乱无章而又符合统计规律的明暗相间的斑点。散斑携带了被测物体的信息，通过对散斑场 的分析可以得到被测物体的变化信息。数字散斑相关测量方法是二十世纪80年代初由日 本的I. Yamaguchi和美国的W. H. Peters及W. F. Ranson等人提出的，用于测量物体面内 位移的非接触式光学测量方法；它具有光路简单、全场测量、非接触及对测量环境要求低 等优点；因而在无损检测领域得到了广泛的应用。经文献检索，专利“飞秒激光散斑相关 法测量微小位移的装置和方法”(授权号为ZL200610026621，授权日为2008. 04. 02)，通过 对物体变形前后两幅散斑光强图的相关运算能够实现亚像素位移的精度测量，其不足之 处是该方法需要飞秒激光系统，由于该系统昂贵且不易维护，限制了其实际应用范围；专 利“骨小梁的提取与力学性能测量方法及其测量装置”(公开号为CN101158679，
公开日
为2008. 04. 09)，公开了一种利用数字散斑相关方法对骨小梁的力学性能进行测量的方法 及装置，该专利是数字散斑相关测量方法的新应用，而没有关注该方法本身的测量准确性 及精度；专利“一种多功能薄膜力学性能检测装置”(公开号为CN101788427A，
公开日为 2010. 07. 28)，该装置采用数字散斑相关方法测量薄膜变形，结合鼓泡法和改良移层法，可 获得薄膜与涂层的力学性能；该装置也是利用散斑强度图直接进行相关搜索，而没有考虑 图像受噪声污染等影响因素。分析可知，在现有公开的文献资料中，在对数字散斑相关测量方法及其应用研究 方面，大都采用实验获得的散斑光强图像进行直接相关搜索来进行测量，而实际测量中散 斑图中背景噪声及高频噪声的存在降低了数字散斑相关测量方法的准确性和可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法，它 能够有效消除背景噪声和高频噪声的影响，可快速、准确的实现亚像素精度的测量。本发明是利用数字散斑相关测量光路获得被测物体移动前和移动后两个状态的 散斑光强图像，然后利用拉盖尔-高斯复数滤波器对这两幅图像进行滤波获得光强复数信 号；分别提取出它们的实部零值线与虚部零值线，通过实部零值线与虚部零值线的交叉点 得到被测物体移动前、后两个状态的相位涡旋分布；计算出每个相位涡旋的拓扑电荷特征 参数，获得两幅散斑图像的拓扑电荷分布数据矩阵；最后，对这两个拓扑电荷分布数据矩阵 进行相关运算，得到被测物体的位移信息。本发明的方法，主要包括如下步骤(1)用CXD相机记录被测物体移动前和移动后的散斑光强图I1U, y)、I2 (X，y)，为保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为4 6Pixels，散斑图像应大于 512X512Pixels ；将两幅散斑光强图存储进计算机进行后续处理；(2)用拉盖尔-高斯复数滤波器，对移动前和移动后的散斑光强图IiO^y^IJx， y)进行滤波，得到它们的光强复数信号分布Z1 (χ,力、^(Xj);拉盖尔-高斯复数滤波器的 带宽应等于散斑图中散斑颗粒的平均直径；(3)然后，提取出物体移动前光强复数信号/,(X，_y)的实部与虚部零值线，通过实部 与虚部零值线的交叉点得到物体移动前散斑场的相位涡旋分布；再提取出物体移动后光强 复数信号的实部与虚部零值线，通过实部与虚部零值线的交叉点得到物体移动后散 斑场的相位涡旋分布；(4)通过移动前相位涡旋分布计算出拓扑电荷分布数据矩阵qi(x，y)，再通过移动 后相位涡旋分布计算出拓扑电荷分布数据矩阵q2(x，y)；(5)在移动前拓扑电荷分布数据矩阵Ci1 (x，y)中，以数据中心点为中心选择大小在 41X41 61X61Pixels间的子区作为搜索区域，然后，利用标准化协方差相关函数，在被 测物体移动后的拓扑电荷分布数据矩阵q2(x，y)中以数据中心点为起点，在X，y方向进行 相关搜索；当相关系数最大时，停止搜索，得到散斑场在x，y方向的位移(μ，ν)，成像光路 的放大倍数为Μ，则被测物体的位移量为(μ/Μ，ν/Μ)。本发明的工作原理是在数字散斑相关测量中，利用CCD相机记录物体移动前和移动后两幅散斑光强灰 度图，分别用I1(XdhI2O^y)来表示；然后存储进计算机进行相关运算。在移动前的散斑 图I1(Xd)中以中心点P点为中心取大小为mXm的子区A作为相关搜索区域；当被测物体 发生移动后，子区A移至子区B的位置，P点移动到P'点。由统计学知，A与B这两个样本 空间的相关系数最大。因此，可以利用下式的标准化自协方差相关函数来求其相关系数，
MM_—
Σ Σ [i^,y)-lmJ_i2{x+M,y+y)-hm]
C(//’v)= , X-M y-M,(1)
vr^ 7MM,MM,V J
J ΣΣ Σ [I2(x+M,y+V)-T2m]2
y x=-M y=-M\ x=-M y--M其中，(μ , V)为从P点搜索P'点时在X，y方向上移动的位移，c(y，V)为改 点的相关系数，I1(x,y),I2(x+y,y+v)分别为移动前和移动后散斑图像中各像素点灰度，
分别为相关搜索子区A，B的平均灰度值；根据相关系数的最大值来确定子区B的位 置，最终得到散斑场移动后P'点在x，y方向的位移(μ，ν)；公式⑴中，m = 2M+l。而在散斑测量中，当光场的复振幅为零时，其实部和虚部在空间该点同时为零，在 该点产生相位奇异现象，称为散斑相位涡旋。相位涡旋携带了散斑场的变化信息，因此，本 发明提出利用相位涡旋作为特征因子来实现散斑相关测量。在数字散斑相关测量中，CCD相 机记录的散斑图是光强分布图，丢失了相位信息；本发明首先通过拉盖尔-高斯复数滤波 器将光强I U，y)分布复原为复数信号分布，
权利要求
1.一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法，其特征在于包括如下步骤(1)用CCD相机记录被测物体移动前和移动后的散斑光强图I1(XdhI2O^y),将两幅 散斑光强图像存储进计算机进行后续处理；(2)用拉盖尔-高斯复数滤波器，对移动前和移动后的散斑光强图I1(^y)U2(Iy)进 行滤波，得到光强复信号分布{x,y)、I2 {x,y)；(3)然后，提取出物体移动前光强复信号/,(X,的实部与虚部零值线，通过实部与虚部 零值线的交叉点得到物体移动前散斑场的相位涡旋分布；再提取出物体移动后光强复信号 A(U)的实部与虚部零值线，通过实部与虚部零值线的交叉点得到物体移动后散斑场的相 位涡旋分布；(4)通过移动前相位涡旋分布计算出拓扑电荷分布数据矩阵Ci1(X，y)，再通过移动后相 位涡旋分布计算出拓扑电荷分布数据矩阵q2(x，y)；(5)在移动前拓扑电荷分布数据矩阵qi(x，y)中，以数据中心点为中心选择合适大小的 子区作为搜索区域，然后，利用标准化协方差相关函数，在被测物体移动后的拓扑电荷分布 数据矩阵q2(x，y)中以数据中心点为起点，在χ，y方向进行相关搜索；当相关系数最大时， 停止搜索，得到散斑场在χ，y方向的位移(μ，ν)；成像光路的放大倍数为Μ，则被测物体 的位移量为(μ /Μ，ν /M)。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于测量中应用的散斑图中散斑颗粒的平 均直径为4 6Pixels ；散斑图像大于512X512Pixels。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于测量中使用的拉盖尔-高斯复数滤波 器的带宽应等于散斑图中散斑颗粒的平均直径。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于进行相关搜索时选择的子区大小应为 41X41 61X61Pixels。
全文摘要
本发明公开了一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法。首先，利用数字散斑相关测量光路获得被测物体移动前、后两个状态的散斑光强图像；然后利用拉盖尔-高斯复数滤波器对这两幅图像进行滤波获得光强复数信号；分别提取出它们的实部零值线与虚部零值线的交叉点，得到被测物体移动前、后两个状态的相位涡旋分布；计算出相应的拓扑电荷分布数据矩阵；最后，对这两个数据矩阵进行相关运算，得到被测物体的位移信息。该方法能有效消除背景噪声及高频噪声对相关测量可靠性的影响，测量精度可达到亚像素级；并且具有简单易行、快速准确的特点，可广泛应用于无损检测等领域。
文档编号G01B11/02GK102135413SQ20101060560
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者台玉萍, 李新忠, 李立本, 杜凯, 杨传径, 甄志强, 陈庆东, 魏荣慧 申请人:河南科技大学