一种基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法

本发明属于光测实验力学，特别涉及一种基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法。

背景技术：

1、圆柱结构作为一种基本的几何结构，在航空航天、船舶、电力、交通等诸多领域中都得到了广泛的应用，众多大型核心工业设备也都有圆柱结构作为关键组成部件。以航天工程中的姿轨控动力系统为例，其中包含了大量的薄壁管路，如液路环管等，这些均属于圆柱结构，在飞行过程中会受到冲击载荷等恶劣力学环境的作用，可能导致结构发生破坏，甚至引发大型事故。因此，对圆柱结构表面三维应变场进行快速而高精度的测量，对保障工业设备的安全可靠运行具有重要意义。

2、目前，应变的测量方法主要有接触式和非接触式两类。在传统的接触式测量方法中，需要在被测物体表面粘贴应变片等元件实现应变的测量，该方法存在着较大的局限性，如：信息量有限，只能测到少量局部的点；贴片位置需要表面处理后进行粘贴，操作繁琐；应变片对环境变化较为敏感等。在非接触式测量方法中，三维数字相关图像算法作为代表，虽然实现了应变场的非接触式测量，但由于需要大量的相关函数计算与搜索，其计算效率较低；同时，其测量曲面的三维应变场时，需要进行大量的切平面最小二乘求解，带来了较高的计算复杂度，不利于实际运用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有应变测量技术的缺点，解决目前非接触式方法在测量曲面三维应变场时的计算复杂度高、精度低的问题，本发明聚焦于圆柱结构，提供一种基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，该方法具有计算复杂度低、测量效率和精度高的优势，广泛适用于工业中的各类圆柱结构部件。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，包括以下步骤：

4、步骤1：对高分辨率双目相机系统进行标定，获取双目相机的内、外参数矩阵，并采集圆柱结构变形前后的数字图像；

5、步骤2：选取表面感兴趣区域并划分测量网格点，通过立体匹配与时序匹配获取变形前后网格点的像素坐标，根据双目相机内、外参数矩阵计算各网格点在相机坐标系下的三维坐标以及三维位移；

6、步骤3：通过构造误差函数并对其进行非线性优化，建立以圆柱底面中心为原点、以圆柱中心轴为z轴的圆柱标准坐标系；

7、步骤4：根据相机坐标系与圆柱标准坐标系之间的变换关系，获取各网格点在圆柱标准坐标系下的三维坐标和三维位移；

8、步骤5：分别以每一网格点为中心，选择计算窗口，在圆柱标准坐标系下建立切平面内的局部坐标系，将计算窗口内各点在圆柱标准坐标系下的三维坐标和三维位移映射到局部坐标系；

9、步骤6：对每一计算窗口进行局部最小二乘拟合，获取中心网格点柯西应变，实现圆柱结构表面三维应变场测量。

10、与现有非接触式三维应变测量方法相比，本发明的优点体现在：

11、(1)本发明是一套完整的针对圆柱结构表面的三维应变场测量方法，不依赖于双目相机在标定和三维重建过程中的坐标系选取，广泛适用于工业中各类圆柱结构部件的表面应变场测量。

12、(2)计算复杂度低、测量效率高。有效利用了圆柱结构表面的几何特征，避免了采用一般曲面的应变求解方法对圆柱表面应变进行求解，减少了不必要的计算量。

13、(3)测量精度高。通过建立圆柱标准坐标系，使各网格点处的切平面具有简单的解析表达式，避免了在一般曲面的应变场测量方法中通过逐点最小二乘拟合求解切平面造成的累加误差。

技术特征：

1.一种基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，所述步骤2中，采用极线约束与sift特征匹配相结合的方法进行立体匹配，过程如下：

3.根据权利要求1所述基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，所述步骤2中，进行立体匹配后，采用虚拟特征点跟踪的多尺度光流算法进行时序匹配，过程如下：

4.根据权利要求1所述基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，所述步骤3中，采用非线性优化方法获取圆柱标准坐标系的原点坐标以及三个坐标轴的方向向量；

5.根据权利要求1所述基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，所述步骤4中，对每一网格点在相机坐标系下的三维坐标pi＝(xi，yi，zi)与三维位移di＝(ui，vi，wi)，根据相机坐标系与所建立的圆柱标准坐标系之间的变换关系，采用如下计算方法获取各网格点在圆柱标准坐标系下的三维坐标和三维位移

6.根据权利要求1所述基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，所述步骤5中，以圆柱标准坐标系下每一网格点为中心，根据位移场平滑要求，选择矩形计算窗口；对于每一计算窗口，在矩形窗口中心网格点处的切平面内建立局部坐标系，根据圆柱标准坐标系与圆柱体的特殊几何关系，局部坐标系的两方向向量与切平面的法向量nn有解析表达式：

7.根据权利要求1所述基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，其特征在于，所述步骤6中，对于每一计算窗口，设在局部坐标系内的局部位移场ulocal、vlocal满足二维一次多项式：

技术总结
本发明提出一种基于计算机视觉的圆柱结构表面三维应变场测量方法，对双目相机系统进行标定，并采集圆柱结构变形前后图像；选取圆柱结构表面感兴趣区域并划分测量网格点，通过立体匹配与时序匹配获取各网格点在相机坐标系下的三维坐标以及三维位移；通过非线性优化，建立以圆柱底面中心为原点、以中心轴为z轴的圆柱标准坐标系，获取各网格点在圆柱标准坐标系下的三维坐标和三维位移；分别以每一网格点为中心，选择计算窗口，在标准坐标系下建立切平面内的局部坐标系，将计算窗口内各点的三维坐标和三维位移映射到局部坐标系，并对每一窗口进行局部最小二乘拟合获取中心网格点应变，实现三维应变场测量。本发明计算复杂度低，测量效率和精度高。

技术研发人员：徐自力,张一鸣,李广,辛存,王珺,闫松
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13