一种基于数字散斑的高速三维应变测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于应变测量技术领域，更具体地，设及一种基于数字散斑的高速=维应 变测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着材料科学和测量技术的飞速发展，高速应变测量技术在许多领域有着越来越 广泛的应用前景。在实验力学领域，可利用该技术对板料进行高速拉伸测试，进而得到板 料在高速拉伸状态下的应变信息及力学参数，该对于材料的疲劳实验有着重要意义；在车 辆工程领域，可利用该技术对汽车碰撞实验过程中，车体的高速变形信息进行测量和监控， 帮助相关技术人员改善结构设计并提高车辆的安全性能；在航空航天领域，可利用该技术 测量风洞实验中飞机外壳、机翼等的变形数据，也可W用来分析航空发动机叶片在高速运 行时的形变和振动信息，帮助技术人员快速找到问题，改善设计，缩短研发周期并提高稳定 性。因此，高速应变测量技术对于许多行业都有着巨大的帮助与促进作用。
[0003] 现有的高速应变测量技术主要分为接触式和非接触式测量。接触式测量中，电阻 应变计是最为常用的应变测量方法，其测量精度较高，设备成熟。然而，应变计只能测量单 向的应变数据，若要获得密集、多向的应变数据便需要粘贴非常多的应变计，操作繁琐，而 且在高速运动状态下，粘贴的应变计容易脱落造成测量失败。非接触式测量中，光学测量方 法最具有代表性，主要分为干设法和非干设法两大类。干设法又包括；云纹相干法、全息相 干法等。干设法一般需要建立一个复杂精密的干设光路W及干设光源，对于振动信息非常 敏感，因此，其并不适用于高速=维应变测量。非干设法具有代表性的是网格法，是通过采 集变形过程中的图像，并分析图像的特征信息进而获得变形数据，无需复杂光路且对于测 量环境要求低。然而，该方法需要在被测物表面刻画精细标准的网格或者栅线，在实际应用 中具有一定的局限性，此外，对于高速形变的物体，普通的图像传感器无法获取清晰同步的 散斑图像，成为限制高速=维应变测量的壁垒。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于数字散斑的高速= 维应变测量方法，能测量高速应变、振动等信息，并获得高精度的结果。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种高速=维应变测量方法，其特征在于，包括如 下步骤：
[0006] (1)在被测物表面制备随机的散斑图案；
[0007] (2)利用第一和第二图像传感器从不同角度拍摄标定物体，提取得到的两个标定 物体图像上的特征点，根据特征点与其在世界坐标系中对应点的关系，计算第一和第二图 像传感器的内参数W及第一和第二图像传感器间的位置转换关系；
[000引其中，世界坐标系的原点为标定物体上的任一固定点，X轴和Y轴在原点所在的标 定物体表面且相互垂直，Z轴垂直于X轴和Y轴；图像传感器的内参数包括焦距、主点位置 和崎变参数；
[0009] (3)利用第一和第二图像传感器从不同角度拍摄被测物，分别计算得到的两个被 测物图像的散斑质量评价参数Qi和Q2,将其与阔值Q进行比较，若Q且QQ，则判定 散斑质量合格，顺序执行步骤（4);否则返回步骤（1)，并调整步骤（1)中的散斑制作工艺， 同时调整步骤（2)中第一和第二图像传感器的位置关系；
[0010] (4)利用第一和第二图像传感器从不同角度同步采集被测物图像；
[0011] 妨将第一和第二图像传感器采集的被测物图像分别记为左图像和右图像，获取 同一时刻采集的左图像和右图像对应点的匹配关系，根据第一和第二图像传感器间的位置 转换关系，得到被测物形变过程中的=维数据；
[0012] (6)根据多个时刻被测物形变过程中的=维数据，比较各个时刻的=维形貌变化， 获得全场=维应变分区图。
[0013] 优选地，所述步骤（3)中，标记得到的两个被测物图像中的任意一个为R，按如下 方法计算R的散斑质量评价参数斯：
[0014] (A1)计算R中散斑颗粒的平均尺寸A=S/N，其中，S为R中散斑颗粒的总面积，N 为R中散斑颗粒的总数；
[0015] (A2)计算R的灰度梯度均值
【主权项】
1. 一种高速三维应变测量方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 在被测物表面制备随机的散斑图案； (2) 利用第一和第二图像传感器从不同角度拍摄标定物体，提取得到的两个标定物体 图像上的特征点，根据特征点与其在世界坐标系中对应点的关系，计算第一和第二图像传 感器的内参数以及第一和第二图像传感器间的位置转换关系； 其中，世界坐标系的原点为标定物体上的任一固定点，X轴和Y轴在原点所在的标定物 体表面且相互垂直，Z轴垂直于X轴和Y轴；图像传感器的内参数包括焦距、主点位置和畸 变参数； (3) 利用第一和第二图像传感器从不同角度拍摄被测物，分别计算得到的两个被测物 图像的散斑质量评价参数％和Q 2，将其与阈值Q进行比较，若Q1S Q且Q 2多Q，则判定散斑 质量合格，顺序执行步骤（4);否则返回步骤（1)，并调整步骤（1)中的散斑制作工艺，同时 调整步骤（2)中第一和第二图像传感器的位置关系； (4) 利用第一和第二图像传感器从不同角度同步采集被测物图像； (5) 将第一和第二图像传感器采集的被测物图像分别记为左图像和右图像，获取同一 时刻采集的左图像和右图像对应点的匹配关系，根据第一和第二图像传感器间的位置转换 关系，得到被测物形变过程中的三维数据； (6) 根据多个时刻被测物形变过程中的三维数据，比较各个时刻的三维形貌变化，获得 全场三维应变分区图。
2. 如权利要求1所述的高速三维应变测量方法，其特征在于，所述步骤（3)中，标记得 到的两个被测物图像中的任意一个为R，按如下方法计算R的散斑质量评价参数Q K: (Al)计算R中散斑颗粒的平均尺寸A = S/N，其中，S为R中散斑颗粒的总面积，N为R 中散斑颗粒的总数； (A2)计算R的灰度梯度均值
其中，W和H分别为以像素为单位的 R的宽度和高度，h代表R中第i行第j列的像素点，
的灰度梯度矢量的模，fu(XiP和fvUiP分别为X u在R的像素点的行所在方向u和列所在 方向V的灰度的导数； (A3)根据R中散斑颗粒的平均尺寸和R的灰度梯度均值，计算R的散斑质量评价参数 Qk= α ·Α+β ·Β，其中，α为尺寸系数，β为灰度系数。
3. 如权利要求1或2所述的高速三维应变测量方法，其特征在于，所述步骤（5)中，按 如下方法获取同一时刻采集的左图像和右图像对应点的匹配关系： (BI)选取左图像上的像素点P(X(l，yci)，以P为中心选取子集，子集的边长为 2M+1，子集中的像素点坐标为（x，y)，计算得到左图像子集的归一化最小平方距离
，其中，I (x，y)表示左图像上坐标为（x，y)的像素点的 灰度值，1">是左图像子集中像素点的灰度均值，
出2)令？〇^7(|)在右图像上对应的像素点为？'〇^+|(|，7(|+11。)，以？'为中心，以与左 图像的子集同样大小的窗口在右图像上选取子集，得到右图像子集的归一化最小平方距离
，其中，和η 〇分别为P'点相对于P点的横纵坐 标偏移，Γ (X'，y'）表示右图像上像素坐标为（X'，y'）的像素点的灰度值，（X'，y'）为右图 像上与左图像上坐标为（x，y)的像素点对应的像素点的坐标，I'm是右图像子集中像素点的 灰度均值，
其中，Δχ = x-x。，Ay = y-y。，ξ χ、ξ y、！^和η y为左图像子集和右图像子集内像素 点的灰度差异的一阶梯度，ξχχ、lxy、lyy、nxx、n xy和n yy为左图像子集和右图像子集内 像素点的灰度差异的二阶梯度； (B3)根据左图像子集的归一化最小平方距离和右图像子集的归一化最 小平方距离，计算优化目标函数 X=-M V=-M
，计算得到C(P)为最小值时Itl和n ^ 的值，确定P'（X。+ I a, yQ+ n 〇)的位置； (B4)改变像素点P的位置，重复执行上述步骤（BI)至（B3)，得到左图像与右图像对应 点的匹配关系。
【专利摘要】本发明公开了一种基于数字散斑的高速三维应变测量方法。采用高速图像采集系统进行高速形变物体的采集，利用图像的散斑颗粒均值或者灰度梯度评价散斑图像质量，确保测量过程中，图像具有高相关性，高质量，有效提高测量的准确性；在此基础上，根据快速获取的变形物体图像序列对变形过程中的被测物体进行实时连续的三维重建和应变测量，从而最终实现对高速形变物体的三维应变测量。
【IPC分类】G01B11-25, G01B11-16
【公开号】CN104864819
【申请号】CN201510025233
【发明人】李中伟, 刘行健, 钟凯
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年1月19日