一种大视场视频引伸计拼接方法和系统与流程

1.本发明涉及机械加工测量技术领域，尤其涉及一种大视场视频引伸计拼接方法和系统。


背景技术：

2.材料的力学性能是结构设计的基础，在工程应用中至关重要。应力和应变是评定材料力学性能的主要参数。这些参数通常通过力学实验测得。测量试样表面应变的方法分为接触式测量和非接触式测量两种。
3.传统的接触式测量方法，比如应变片和夹持式引伸计。应变片粘贴在试件表面通过拉伸变形获得实时应变，然而应变片不能适用材料大变形测量。夹持式引伸计将两个刀口安装在试件表面以测量应变，然而刀口与试件在拉伸过程中会产生打滑而降低测量精度，由于机械安装位置的限制，测量范围也非常有限。
4.非接触式测量方法，比如视频引伸计。视频引伸计通过光电测量与图像处理技术，跟踪试件表面特征点的位移变化来测量应变，具有无损、自动、高效、可同时测量纵向和横向应变的优点。然而，对于弹性变形范围较大的材料(比如橡胶、塑料等)或者当被测结构尺寸较大时，现有的方法和技术不能适用。
5.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

6.为克服现有技术的不足，本发明提出一种大视场视频引伸计的拼接方法和系统，可以测量大变形范围的材料应变。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明公开了一种大视场视频引伸计拼接方法，包括以下步骤：
9.s1：配置线性排列的多个相机，每相邻的两个所述相机在待测试样上的视野存在重叠区域；
10.s2：在所述待测试样上配置多个标志点和包含多个特征点的特征图案，通过采集图像计算全部所述标志点的三维坐标以建立世界坐标系；
11.s3：分别标定各个所述相机的内参数；
12.s4：分别计算各个所述相机的相机坐标系与所述世界坐标系的变换矩阵；
13.s5：拉伸所述待测试样，并通过各个所述相机同步采集所述待测试样在拉伸变形过程中的图像序列；
14.s6：选取拉伸初始状态的图像作为基准状态，在基准状态的图像中选取两个待测点，两个所述待测点为标记点和/或特征点，并在采集到所述待测点的对应相机所采集的图像序列中，对所述待测点的图像坐标进行追踪，其中所选取的两个待测点在拉伸变形过程
中的移动方向相反；
15.s7：利用所述相机的相机坐标系与所述世界坐标系的变换矩阵，对所述待测点进行三维重建，再将所述待测点重投影到相邻的下一个所述相机的相机坐标系下，在该相邻的下一个所述相机所采集的图像中找到与重投影的所述待测点的点距在预设阈值之内的待测拼接点；
16.s8：将步骤s7找到的所述待测拼接点作为该相邻的下一个所述相机的待测点，并在该相邻的下一个所述相机所采集的图像序列中，对所述待测点的图像坐标进行追踪，并返回步骤s7，直到追踪到各个所述相机的所采集的图像序列的最后一个状态；
17.s9：根据步骤s6和步骤s8对所述待测点的图像坐标的追踪结果，计算所述待测点的位移变化量，并根据所述待测点的位移变化量计算所述待测试样的应变。
18.优选地，步骤s1中每相邻的两个所述相机在待测试样上的视野存在的重叠区域至少占所述相机的图像幅面宽度的1/5。
19.优选地，步骤s6中选取的两个所述待测点在基准状态下均能够被多个所述相机中位于中间的同一相机采集到。
20.优选地，步骤s1中配置的所述相机的数量为n，n为大于1的奇数，且步骤s6中选取的两个所述待测点在基准状态下均能够被多个所述相机中的最中间的相机采集到。
21.优选地，步骤s6和步骤s8中对所述待测点的图像坐标进行追踪包括：采用同名点追踪法来确定所述待测点的图像坐标。
22.优选地，步骤s7具体包括：
23.s71：通过相机投影几何原理，计算所述待测点的三维坐标：
[0024][0025]
式中，(xc,yc,zc)为所述待测点在相机坐标系下的坐标，(x,y)为所述待测点的图像坐标，f为焦距；
[0026]
s72：将所述待测点的三维坐标转换到世界坐标系下：
[0027][0028]
式中，wp(xw,yw,zw)为所述待测点在世界坐标系下的三维坐标，为所述待测点在当前相机坐标系下的三维坐标，为当前相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵；
[0029]
s73：将世界坐标系下的所述待测点的三维坐标重投影到相邻的下一个所述相机的相机坐标系下，通过步骤s71中的公式计算所述待测点在该相邻的下一个所述相机下的图像坐标；
[0030]
s74：在该相邻的下一个所述相机下设定检测的预设阈值ε，检测该相邻的下一个所述相机下中备选的待测点，如果备选的待测点满足则确定该备选的待测点为待测拼接点，其中，(x
′
,y
′
)为步骤s73中计算得到的所述待测点在该相邻的
下一个所述相机下的图像坐标，(x
″
,y
″
)为备选的待测点在该相邻的下一个所述相机下的图像坐标。
[0031]
优选地，步骤s9具体包括：
[0032]
s91：根据下式计算两个所述待测点的位移变化量分别为(d
x
,dy)和(d
′
x
,d
′y)：
[0033][0034][0035]
式中，
[0036]
其中(un(t0),vn(t0))、(un′
(t0),vn′
(t0))分别为第n相机下初始时刻t0两个所述待测点的像素坐标，(un(ti),vn(ti))、(un′
(ti),vn′
(ti))分别为第n相机下初始时刻ti两个所述待测点的像素坐标，n为所述相机的数量，n为大于1的奇数；
[0037]
s92：根据下式计算所述待测试样的横向应变ε
x
和纵向应变εy：
[0038][0039][0040]
式中，(u1(t0),v1(t0))、(u1′
(t0),v1′
(t0))分别为步骤s6中采集到所述待测点的对应相机下初始时刻t0两个所述待测点的像素坐标。
[0041]
本发明还公开了一种大视场视频引伸计拼接系统，包括：
[0042]
第一单元：配置线性排列的多个相机，每相邻的两个所述相机在待测试样上的视野存在重叠区域；
[0043]
第二单元：在所述待测试样上配置多个标志点和包含多个特征点的特征图案，通过采集图像计算全部标志点的三维坐标以建立世界坐标系；
[0044]
第三单元：分别标定各个所述相机的内参数；
[0045]
第四单元：分别计算各个所述相机的相机坐标系与所述世界坐标系的变换矩阵；
[0046]
第五单元：拉伸所述待测试样，并通过各个所述相机同步采集所述待测试样在拉伸变形过程中的图像序列；
[0047]
第六单元：选取拉伸初始状态的图像作为基准状态，在基准状态的图像中选取两个待测点，两个所述待测点为标记点和/或特征点，并在采集到所述待测点的对应相机所采集的图像序列中，对所述待测点的图像坐标进行追踪，其中所选取的两个待测点在拉伸变形过程中的移动方向相反；
[0048]
第七单元：利用所述相机的相机坐标系与所述世界坐标系的变换矩阵，对所述待测点进行三维重建，再将所述待测点重投影到相邻的下一个所述相机的相机坐标系下，在相邻的下一个所述相机所采集的图像中找到与重投影的所述待测点的点距在预设阈值之
内的待测拼接点；
[0049]
第八单元：将所述第七单元找到的所述待测拼接点作为该相邻的下一个所述相机的待测点，并在该相邻的下一个所述相机所采集的图像序列中，对所述待测点的图像坐标进行追踪，并返回所述第七单元，直到追踪到各个所述相机的所采集的图像序列的最后一个状态；
[0050]
第九单元：根据所述第六单元和所述第八单元对所述待测点的图像坐标的追踪结果，计算所述待测点的位移变化量，并根据所述待测点的位移变化量计算所述待测试样的应变。
[0051]
优选地，所述第六单元中选取的两个待测点在基准状态下均能够被多个所述相机中位于中间的同一相机采集到。
[0052]
本发明另外还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使处理器实现上述的大视场视频引伸计拼接方法的步骤。
[0053]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的大视场视频引伸计的拼接方法和系统，通过具有重叠视野的多个相机，并选取特定的标记点作为待测点进行拼接，从而可以进行大幅面应变场景测量，适用于变形范围较大的材料或者当待测试样的结构尺寸较大的情况，使用范围广泛，测量高效，精度高，不会对材料造成损失破坏；而且结构装置简单，操作方便，成本较低，易于推广。
附图说明
[0054]
图1是本发明优选实施例的大视场视频引伸计拼接方法流程图；
[0055]
图2是本发明具体实施例的实验场景示意图；
[0056]
图3是本发明优选实施例的大视场视频引伸计拼接系统示意图。
具体实施方式
[0057]
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0058]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
[0059]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0060]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0061]
如图1所示，本发明优选实施例公开了一种大视场视频引伸计的拼接方法，包括以下步骤：
[0062]
s1：配置线性排列的多个相机，每相邻的两个相机在待测试样上的视野存在重叠区域；
[0063]
其中每相邻的两个相机在待测试样上的视野存在的重叠区域至少占所述相机的图像幅面宽度的1/5，配置的相机的数量为n，n优选为大于1的奇数，更优选为大于3的奇数，在实际情况中，可以根据待测试样的拉伸弹性来配备相应数量的相机，以使得在待测试样拉伸的整个过程中选为待测点的两个标记点从始至终都在多个相机所组成的整体视野范围内，例如对于橡胶等弹性模量较小的材料可以相应增加配备相机的数量，对于弹性模量较大的材料可以相应减少配备相机的数量。
[0064]
在一个具体的实施例中，实验测量示意图如图2所示，其中的硬件装置主要由5个cmos相机、5个相机支架、1个控制箱和1台计算机组成。图2中示意出了线性排列的相机(包括第1相机11、第2相机12、第3相机13、第4相机14、第5相机15)，待测试样20在多个相机所组成的整体视野范围内。
[0065]
s2：在待测试样上配置多个标志点和包含多个特征点的特征图案，通过采集图像计算全部标志点的三维坐标以建立世界坐标系；
[0066]
如图2所示，在待测试样20的测量区域内随机粘贴若干个圆形的标记点30，采用摄影测量的方法和设备，计算多个标记点30的三维坐标，利用六点法则建立世界坐标系。具体而言，将待测试样20放置在工作台或者地面，在其四周随机摆放若干个编码点和两个标尺，利用单反相机从不同方位采集试样图像，采用基于摄影测量的三维重建算法，得到所有标记点的三维坐标，选取其中6个标记点，通过坐标转换建立世界坐标系。
[0067]
s3：分别标定各个相机的内参数；
[0068]
相机采集不同方位的标定板图像，采用光束平差的相机标定算法，分别标定所有相机的内参数。
[0069]
s4：分别计算各个相机的相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵；
[0070]
根据相机内参数与标记点检测结果，利用相机投影几何原理，计算各个相机的相机坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵。
[0071]
具体而言，世界坐标系下空间点与图像坐标系下的像点之间的坐标转换关系，如式(1)所示：
[0072][0073]
式中，r为相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵，t为相机坐标
系到世界坐标系的平移矩阵，(xc,yc,zc)为标记点在相机坐标系下的坐标，(xw,yw,zw)为标记点在世界坐标系下的坐标，(x,y)为标记点的图像坐标，f为焦距。
[0074]
因为相机内参数和标记点三维坐标已知，方程有6个未知数，所以至少需要3个标记点进行计算，采用迭代算法求解该非线性方程，分别计算所有相机的相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵。
[0075]
s5：拉伸待测试样，并通过各个相机同步采集待测试样在拉伸变形过程中的图像序列；
[0076]
在拉伸待测试样开始时，计算机通过硬触发方式控制所有相机同步采集待测试样在拉伸变形过程中的图像序列。
[0077]
s6：选取拉伸初始状态的图像作为基准状态，在基准状态的图像中选取两个待测点，两个待测点为标记点和/或特征点，并在采集到待测点的对应相机所采集的图像序列中，对待测点的图像坐标进行追踪，其中所选取的两个待测点在拉伸变形过程中的移动方向相反；
[0078]
在一些实施例中，选取的两个待测点在基准状态下均能够被多个相机中位于中间的同一相机采集到。在进一步具体的实施例中，选取的两个待测点在基准状态下均能够被多个相机中的最中间的相机采集到，例如图2所示，选取的两个待测点31、32作为两个待测点，两个待测点31、32在拉伸的初始状态下都是位于位于最中间的相机11所采集的视野范围内，也即在基准状态下，相机11采集的图像中同时包含待测点31、32。
[0079]
其中对待测点的图像坐标进行追踪具体采用同名点追踪法来确定待测点的图像坐标。
[0080]
s7：利用相机的相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵，对待测点进行三维重建，再将待测点重投影到相邻的下一个相机的相机坐标系下，在该相邻的下一个相机所采集的图像中找到与重投影的待测点的点距在预设阈值之内的待测拼接点；
[0081]
具体地，利用相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵，对待测点进行三维重建，将待测点的三维坐标转换到世界坐标系下。采用重投影原理，计算待测点在相邻的下一相机状态下的图像坐标，同时在相邻的下一相机状态设定检测范围阈值，检测备选的待测点，判断备选的待测点与重投影的待测点的点距是否小于阈值来确定待测拼接点。
[0082]
进一步地，步骤s7具体包括：
[0083]
s71：通过相机投影几何原理，计算待测点的三维坐标，如式(2)：
[0084][0085]
式中，(xc,yc,zc)为待测点在相机坐标系下的坐标，(x,y)为待测点的图像坐标，f为焦距；
[0086]
s72：通过式(3)将待测点的三维坐标转换到世界坐标系下：
[0087][0088]
式中，wp(xw,yw,zw)为待测点在世界坐标系下的三维坐标，为待测点在当前相机坐标系下的三维坐标，为当前相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵；
[0089]
s73：将世界坐标系下的待测点的三维坐标重投影到相邻的下一个所述相机的相机坐标系下，通过式(2)计算待测点在该相邻的下一个相机下的图像坐标；
[0090]
s74：在该相邻的下一个所述相机下设定检测的预设阈值ε，检测该相邻的下一个所述相机下中备选的待测点，通过式(4)判断备选的待测点是否为待测拼接点：
[0091][0092]
式中，(x
′
,y
′
)为步骤s73中计算得到的待测点在该相邻的下一个所述相机下的图像坐标，(x
″
,y
″
)为备选的待测点在该相邻的下一个相机下的图像坐标。
[0093]
并将该相邻的下一个相机中初始时刻的待测拼接点即为(u(t0),v(t0))。
[0094]
s8：将步骤s7找到的待测拼接点作为该相邻的下一个所述相机的待测点，并在该相邻的下一个相机所采集的图像序列中，对待测点的图像坐标进行追踪，并返回步骤s7，直到追踪到各个相机的所采集的图像序列的最后一个状态；
[0095]
其中对待测点的图像坐标进行追踪具体采用同名点追踪法来确定待测点的图像坐标。
[0096]
s9：根据步骤s6和步骤s8对待测点的图像坐标的追踪结果，计算待测点的位移变化量，并根据待测点的位移变化量计算待测试样的应变。
[0097]
具体地，步骤s9具体包括：
[0098]
s91：根据式(5)和式(6)计算两个所述待测点的位移变化量分别为(d
x
,dy)和(d
′
x
,d
′y)：
[0099][0100][0101]
式中，
[0102]
其中(un(t0),vn(t0))、(un′
(t0),vn′
(t0))分别为第n相机下初始时刻t0两个待测点的像素坐标，(un(ti),vn(ti))、(un′
(ti),vn′
(ti))分别为第n相机下初始时刻ti两个待测点
的像素坐标，n为相机的数量，n为大于1的奇数；
[0103]
s92：根据式(7)和式(8)计算所述待测试样的横向应变ε
x
和纵向应变εy：
[0104][0105][0106]
其中，根据变形方向相反的两个待测点的位移变化量得到待测试样变形的横向伸长量δl
x
＝d
x
+d
′
x
和纵向变形量δly＝dy+d
′y，(u1(t0),v1(t0))、(u1′
(t0),v1′
(t0))分别为多个相机中的最中间的相机(即图2中的第一相机11)下初始时刻t0两个待测点的像素坐标。
[0107]
如图3所示，本发明的另一实施例公开了一种大视场视频引伸计拼接系统，包括：
[0108]
第一单元：配置线性排列的多个相机，每相邻的两个相机在待测试样上的视野存在重叠区域；
[0109]
第二单元：在待测试样上配置多个标志点和包含多个特征点的特征图案，通过采集图像计算全部标志点的三维坐标以建立世界坐标系；
[0110]
第三单元：分别标定各个相机的内参数；
[0111]
第四单元：分别计算各个相机的相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵；
[0112]
第五单元：拉伸待测试样，并通过各个相机同步采集待测试样在拉伸变形过程中的图像序列；
[0113]
第六单元：选取拉伸初始状态的图像作为基准状态，在基准状态的图像中选取两个待测点，两个所述待测点为标记点和/或特征点，并在采集到待测点的对应相机所采集的图像序列中，对待测点的图像坐标进行追踪，其中所选取的两个待测点在拉伸变形过程中的移动方向相反；
[0114]
第七单元：利用相机的相机坐标系与世界坐标系的变换矩阵，对待测点进行三维重建，再将待测点重投影到相邻的下一个相机的相机坐标系下，在相邻的下一个相机所采集的图像中找到与重投影的待测点的点距在预设阈值之内的待测拼接点；
[0115]
第八单元：将第七单元找到的待测拼接点作为该相邻的下一个相机的待测点，并在该相邻的下一个相机所采集的图像序列中，对待测点的图像坐标进行追踪，并返回第七单元，直到追踪到各个相机的所采集的图像序列的最后一个状态；
[0116]
第九单元：根据第六单元和第八单元对待测点的图像坐标的追踪结果，计算待测点的位移变化量，并根据待测点的位移变化量计算待测试样的应变。
[0117]
本发明的另一优选实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使处理器实现上述的大视场视频引伸计拼接方法的步骤。
[0118]
本发明优选实施例提出的大视场视频引伸计的拼接方法和系统，可以适用于变形范围较大的材料或者当待测试样的结构尺寸较大的情况，使用范围广泛，测量高效，精度高，不会对材料造成损失破坏；而且结构装置简单，操作方便，成本较低，易于推广。
[0119]
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
[0120]
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。