实验散斑场的优化制备方法与流程

本发明属于光测力学技术领域，涉及一种适用于数字图像相关方法中的数字化、可控的散斑场生成办法。

背景技术：

数字图像相关方法是一种新型的非接触式光学测量方法，现被应用于多个学科领域。其以附着在被测物体表面随机分布的散斑作为载体，通过追踪散斑、分析其变形前后的概率相关性，来确定物体的运动和变形特征。因此，制作高质量的散斑是数字图像相关方法精确测量的前提。

而在实际应用中，由于不同方法或不同人员制作得到的散斑存在较大差异，进而导致实际散斑场的质量不同，使数字图像相关的计算结果出现差异：相同的变形量在随机散斑场下表现出不一致的变形场信息。现有的随机散斑制作方法，如人工喷涂哑光白漆、黑漆，喷枪喷涂碳粉、白粉等涂料，记号笔点等，都会制作的随机散斑无重复性、精度不可以控制以及制作过程繁琐等不同因素，无法得到学术界和工业界的认可。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供了一种能够解决散斑精度在实际应用中精度和一致性较差问题，实现可控制的转移高质量实验散斑场，可重复、精度可控、制作简单的实验散斑场的优化制备方法。

技术方案：本发明的实验散斑场的优化制备方法，包括以下步骤：

(1)按如下方法，对数字散斑场的随机上限rand进行优化：

a)固定散斑直径d值不变，改变随机上限rand，生成不同rand值对应的数字散斑场，且同一rand值重复生成S个数字散斑场，S≥5，并计算每个数字散斑场的平均灰度梯度MIG和自相关系数C，分别得到S组rand-MIG曲线和S组rand-C曲线；

b)计算S个平均灰度梯度MIG的方差σ_MIG和S个自相关系数C的方差σ_c，得到rand-σ_MIG曲线和rand-σ_c曲线；

c)分别找出S组rand-MIG曲线中平均灰度梯度MIG取最大值时对应的随机上限rand值rand₁，S组rand-C曲线中自相关系数C取最大值时对应的随机上限rand值rand₂；分别找出rand-σ_MIG曲线中方差σ_MIG取最小值时对应的随机上限rand值rand₃，rand-σ_c曲线中方差σ_c取最小值时对应的随机上限rand值rand₄，得到优化的rand值为(rand₁+rand₂+rand₃+rand₄)/4；

(2)按如下方法，对数字散斑场的参数d进行优化：

a)固定随机上限rand为步骤(1)中优化的rand值，改变散斑直径d，生成不同d值对应的数字散斑场，并计算每个数字散斑场平均灰度梯度MIG，得到d-MIG曲线；

b)找出所述步骤a)的曲线d-MIG中平均灰度梯度MIG取最大值时对应的d，为优化的d值；

(3)由所述步骤(1)中优化的rand值和步骤(2)中优化的d值生成优化的数字散斑场；

(4)将所述步骤(3)中生成的优化的数字散斑场输出为矢量图，输出的散斑物理尺寸为D，其中，D由公式D＝W×d/Rs确定，式中W为待测量区域的长边边长，Rs为相机测量该边长方向的分辨率；

(5)根据实验的测量条件，将所述步骤(4)中输出的矢量图制作到待测量试件表面，作为实验散斑场。

进一步的，本发明方法中，步骤(1)、(2)和(3)中均按如下步骤生成数字散斑场：

1)根据n＝int(w²/(2π×d²))计算边长为w的数字散斑场的散斑个数n，按照下式计算所有散斑中心点的坐标，生成散斑中心间隔为的规则排列散斑场：

$x_i^{\′}=\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d\×\left(\mathrm{mod}\right(i/\sqrt{n}\left)\right),y_i^{\′}=\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d\×\left(\mathrm{int}\right(i/\sqrt{n})+1),i\∈\[1,n\]$

其中，（x′_i，y′_i)为第i个散斑中心点的坐标，和分别为的余数和整数，d为散斑直径；

2)按照下式计算所有散斑中心点的坐标，生成数字散斑场：

$x_i=x_i^{\′}\±\frac{1}{2}\×f(0,rand)\×\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d,y_i=y_i^{\′}\±\frac{1}{2}\×f(0,rand)\×\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d,i\∈\[1,n\]$

其中，(x_i，y_i)为数字散斑场中第i个散斑中心点的坐标，f(0，rand)表示区间为(0，rand)的伪随机函数，rand为随机上限，rand∈(0，1]，数字散斑场的第i个散斑中心点与规则散斑场的第i个散斑中心点对应。

进一步的，本发明方法中，步骤(1)、(2)中，采用sobel算子计算数字散斑场的平均灰度梯度MIG，采用互相关函数计算数字散斑场的自相关系数C。

进一步的，本发明方法中，步骤(5)中将矢量图制作到待测量试件表面的方法是指能够将图案间接转移到目标物体上、并且不改变物体原有特征的一切转移方法。

本发明方法根据待测试件、实验环境等选择合适的制备方法：

按照试件大小和相机、镜头的分辨率确定测量视场，从而选择合适的散斑物理尺寸；进一步了解待测试件的形状、加载温度等信息，结合每种转移方法的制作精度和使用环境，选择合适的数字散斑转移方法，为了使转移得到的实验散斑场与数字散斑场具有一致的散斑信息。本发明中提供的能够成功完成散斑转移任务的制备方法包括：转印(水转印、热转印等)、激光切割、丝网印刷、光敏印章、镂空模板等间接散斑制备技术，此处列出的多种技术能够将计算机生成的散斑场图案复制到不同状况下的待测量试件的表面。

本发明方法实现高质量的数字散斑转移，为数字图像相关方法提供高质量的实验散斑场：

本发明方法将计算机可控的高质量数字散斑直接转移到试件表面，且转移方法不改变散斑场的数字信息，从而预备出高质量的实验散斑场，这种方法无疑是数字图像相关方法中简便制作高精度、一致性散斑最直接可靠的方法。

本发明方法制备的实验散斑场和被转移的数字散斑场信息一致，能够实现此目的散斑制备方法有转印(水转印、热转印等)、激光切割、丝网印刷、光敏印章、镂空模板等，且不限于以上几种制备方法；高质量的数字散斑场通过散斑转移技术，制作形成高质量的实验散斑场，使得数字图像相关方法的精度计算机可控。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明采用数字散斑场作为制作实验散斑场的基础。数字散斑场由计算机生成，数字散斑的随机性、颗粒大小可以控制。传统的散斑场是实验人员随机制作的，未对散斑随机性、颗粒大小做定量控制，导致每次制作散斑场都不一致。因此相对于实验人员随机喷制的散斑场，由数字散斑场制作出的实验散斑场在随机性和颗粒大小方面可以控制，使得每次实验能够得到精度相同、一致性好的实验散斑场；

(2)本发明采用的制作实验散斑场的数字散斑场是经过优化的。计算机控制生成的数字散斑场的参数随机上限rand和散斑直径d，计算多组散斑场的平均灰度梯度MIG和自相关系数C，优化的rand和d能够使得MIG和C取得稳定的最大值。传统的散斑场由于实验人员制作的随机性导致其不具备定量或定性分析MIG和C的特点。

(3)本发明采用转移的办法将优化的数字散斑场间接复制到试件表面，作为实验散斑场。转移之前可根据测量区域大小输出对应的数字散斑场矢量图，得到的实验散斑场中的散斑通过相机采集后，得到固定像素尺寸的散斑点。而传统的实验散斑场难以制作出固定大小的散斑点。

(4)本发明采用转移的办法将优化的数字散斑场间接复制到试件表面，作为实验散斑场。传统的实验散斑场是直接在试件表面进行操作，难以控制实验散斑场的制作质量，导致浪费试件、重新制作等问题；且每次制作都存在散斑场差异，导致实验散斑场可重复性差。而采用转移的方法将数字散斑场间接复制到待测试件表面，得到的实验散斑场与数字散斑场一致，不仅排除了实验人员操作的随机性使得实验散斑场效果更好，还能够达到多个试件可制作相同实验散斑场的效果，比传统方法的可重复性更强；数字化转移过程使得实验散斑制作简单、紧凑，能够满足学术研究和工业测量测量可靠性需求。

附图说明

图1本发明的具体操作流程图；

图2本发明的优化散斑场：图2a为规则排列的散斑场，图2b为本发明提供的一类高质量散斑场，该类散斑场的参数为：随机性上限rand等于0.7，散斑颗粒直径d为4个像素

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的流程图，该流程图主要被分为(1)(2)(3)三个部分，可按照如下操作步骤实现精度可控、操作简单的可重复实验散斑场制备：

(1)计算机生成高质量的数字散斑场：

a.数字散斑场的生成：

首先，对任意给定的散斑大小d，可按照下式给出富含d、rand等参数信息的规则排列的散斑场(如图2a)：

$x_i^{\′}=\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d\×\left(\mathrm{mod}\right(i/\sqrt{n}\left)\right),y_i^{\′}=\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d\×\left(\mathrm{int}\right(i/\sqrt{n})+1),i\∈\[1,n\]$

其中，（x′_i，y′_i)为规则排列散斑场的第i个散斑中心点坐标，和分别为的余数和整数，即n个散斑点依照从左到右、从上到下的顺序排列，n＝int(w²/(2π×d²))，为散斑总个数，w为散斑场的边长。由上述公式生成的规则排列散斑场的散斑中心间隔为

其次，对任意给定的散斑大小d、随机性上限rand，按照下式计算所有散斑中心点的坐标，生成数字散斑场，如图(如图2b)：

$x_i=x_i^{\′}\±\frac{1}{2}\×f(0,rand)\×\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d,y_i=y_i^{\′}\±\frac{1}{2}\×f(0,rand)\×\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d,i\∈\[1,n\]$

其中，(x_i，y_i)为数字散斑场中第i个散斑中心点的坐标，f(0，rand)表示区间为(0，rand)的伪随机函数，rand为随机上限，rand∈(0，1]，数字散斑场的第i个散斑中心点与规则散斑场的第i个散斑中心点对应。

b.数字散斑场的优化：

根据生成的数字散斑场的平均灰度梯度MIG和自相关系数C，来综合评价散斑场质量。计算中，采用索贝尔(sobel)算子计算数字散斑场的平均灰度梯度MIG，采用互相关函数计算数字散斑场的自相关系数C。优化d和rand，使得平均灰度梯度MIG和自相关系数C取得稳定的最大值。具体方法如下：

首先，对数字散斑场的随机上限rand进行优化：

a)固定散斑直径d值不变，改变随机上限rand，生成不同rand值对应的数字散斑场，且同一rand值重复生成S个数字散斑场，S≥5，并计算每个数字散斑场的平均灰度梯度MIG和自相关系数C，分别得到S组rand-MIG曲线和S组rand-C曲线；

b)计算S个平均灰度梯度MIG的方差σ_MIG和S个自相关系数C的方差σ_c，得到rand-σ_MIG曲线和rand-σ_c曲线；

c)分别找出S组rand-MIG曲线中平均灰度梯度MIG取最大值时对应的随机上限rand值rand₁，S组rand-C曲线中自相关系数C取最大值时对应的随机上限rand值rand₂；分别找出rand-σ_MIG曲线中方差σ_MIG取最小值时对应的随机上限rand值rand₃，rand-σ_c曲线中方差σ_c取最小值时对应的随机上限rand值rand₄，得到优化的rand值为(rand₁+rand₂+rand₃+rand₄)/4；

其次，对数字散斑场的参数d进行优化：

a)固定随机上限rand为步骤(1)中优化的rand值，改变散斑直径d，生成不同d值对应的数字散斑场，并计算每个数字散斑场平均灰度梯度MIG，得到d-MIG曲线；

b)找出所述步骤a)的曲线d-MIG中平均灰度梯度MIG取最大值时对应的d，为优化的d值；

c.高质量数字散斑场的生成：

将优化的d和rand值，代入下式，生成优化的数字散斑场，即是高质量的数字散斑场：

$x_i^{\′}=\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d\×\left(\mathrm{mod}\right(i/\sqrt{n}\left)\right),y_i^{\′}=\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d\×\left(\mathrm{int}\right(i/\sqrt{n})+1),i\∈\[1,n\]$

$x_i=x_i^{\′}\±\frac{1}{2}\×f(0,rand)\×\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d,y_i=y_i^{\′}\±\frac{1}{2}\×f(0,rand)\×\sqrt{\mathrm{\π}/2}\×d,i\∈\[1,n\]$

本发明提供的高质量散斑场是按照上式，对图2a中给一个随机性上限rand等于0.7后形成的，散斑大小d为4像素，满足此特征的高质量散斑场如图2b所示。此图代表着有相同特征的一类散斑场，不限制散斑场颜色、不限制随机性上限rand值的微小变化、不限制牺牲数字图像计算精度换来的随机性上限rand值的变化等；

(2)根据待测试件、实验环境等选择合适的制备方法：

按照试件大小和相机、镜头的分辨率确定测量视场，从而选择合适的散斑物理尺寸；进一步了解待测试件的形状、加载温度等信息，结合每种转移方法的制作精度和使用环境，选择合适的数字散斑转移方法，为了使转移得到的实验散斑场与数字散斑场具有一致的散斑信息。本发明中提供的能够成功完成散斑转移任务的制备方法包括：转印(水转印、热转印等)、激光切割、丝网印刷、光敏印章、镂空模板等间接散斑制备技术，此处列出的多种技术能够将计算机生成的散斑场图案复制到不同状况下的待测量试件的表面。

(3)实现高质量的数字散斑转移，为数字图像相关方法提供高质量的实验散斑场：

a.将优化的数字散斑场输出为矢量图，输出的散斑物理尺寸为D，其中，D由公式D＝W×d/Rs确定，式中W为待测量区域的长边边长，Rs为相机测量该边长方向的分辨率；

b.采用转移的方法，将上述输出的矢量图制作到待测量试件表面，作为本发明最终的高质量实验散斑场。

本发明提出的一种实验散斑场优化的优化制备方法，可以解决因随机制作的散斑无重复性、精度不可以控制以及制作过程繁琐等因素导致的数字图像相关方法测量精度和一致性较差等问题。与传统散斑制作技术相比，本发明给出的数字散斑场的制作方法具有可重复性、精度可控、过程简单紧凑等特点，能够使数字图像相关更好的获得学术界和工业界认可。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。