專利名稱：一種基于相位渦旋的數字散斑相關測量方法
技術領域：
本發明涉及一種測量微小位移的數字散斑相關測量方法。具體的說是涉及一種基 于相位渦旋特征參數來實現對被測物體微小位移的數字散斑相關測量。
背景技術：
激光散斑是指當激光照射在粗糙物體表面上時，在反射場或透射場形成的看似雜 亂無章而又符合統計規律的明暗相間的斑點。散斑攜帶了被測物體的信息，通過對散斑場 的分析可以得到被測物體的變化信息。數字散斑相關測量方法是二十世紀80年代初由日 本的I. Yamaguchi和美國的W. H. Peters及W. F. Ranson等人提出的，用于測量物體面內 位移的非接觸式光學測量方法；它具有光路簡單、全場測量、非接觸及對測量環境要求低 等優點；因而在無損檢測領域得到了廣泛的應用。經文獻檢索，專利“飛秒激光散斑相關 法測量微小位移的裝置和方法”(授權號為ZL200610026621，授權日為2008. 04. 02)，通過 對物體變形前后兩幅散斑光強圖的相關運算能夠實現亞像素位移的精度測量，其不足之 處是該方法需要飛秒激光系統，由于該系統昂貴且不易維護，限制了其實際應用范圍；專 利“骨小梁的提取與力學性能測量方法及其測量裝置”(公開號為CN101158679，
公開日
為2008. 04. 09)，公開了一種利用數字散斑相關方法對骨小梁的力學性能進行測量的方法 及裝置，該專利是數字散斑相關測量方法的新應用，而沒有關注該方法本身的測量準確性 及精度；專利“一種多功能薄膜力學性能檢測裝置”(公開號為CN101788427A，
公開日為 2010. 07. 28)，該裝置采用數字散斑相關方法測量薄膜變形，結合鼓泡法和改良移層法，可 獲得薄膜與涂層的力學性能；該裝置也是利用散斑強度圖直接進行相關搜索，而沒有考慮 圖像受噪聲污染等影響因素。分析可知，在現有公開的文獻資料中，在對數字散斑相關測量方法及其應用研究 方面，大都采用實驗獲得的散斑光強圖像進行直接相關搜索來進行測量，而實際測量中散 斑圖中背景噪聲及高頻噪聲的存在降低了數字散斑相關測量方法的準確性和可靠性。
發明內容
本發明要解決的技術問題提供一種基于相位渦旋的數字散斑相關測量方法，它 能夠有效消除背景噪聲和高頻噪聲的影響，可快速、準確的實現亞像素精度的測量。本發明是利用數字散斑相關測量光路獲得被測物體移動前和移動后兩個狀態的 散斑光強圖像，然后利用拉蓋爾-高斯復數濾波器對這兩幅圖像進行濾波獲得光強復數信 號；分別提取出它們的實部零值線與虛部零值線，通過實部零值線與虛部零值線的交叉點 得到被測物體移動前、后兩個狀態的相位渦旋分布；計算出每個相位渦旋的拓撲電荷特征 參數，獲得兩幅散斑圖像的拓撲電荷分布數據矩陣；最后，對這兩個拓撲電荷分布數據矩陣 進行相關運算，得到被測物體的位移信息。本發明的方法，主要包括如下步驟(1)用CXD相機記錄被測物體移動前和移動后的散斑光強圖I1U, y)、I2 (X，y)，為保證測量精度，應使散斑圖中的散斑顆粒的平均直徑為4 6Pixels，散斑圖像應大于 512X512Pixels ；將兩幅散斑光強圖存儲進計算機進行后續處理；(2)用拉蓋爾-高斯復數濾波器，對移動前和移動后的散斑光強圖IiO^y^IJx， y)進行濾波，得到它們的光強復數信號分布Z1 (χ,力、^(Xj);拉蓋爾-高斯復數濾波器的 帶寬應等于散斑圖中散斑顆粒的平均直徑；(3)然后，提取出物體移動前光強復數信號/,(X，_y)的實部與虛部零值線，通過實部 與虛部零值線的交叉點得到物體移動前散斑場的相位渦旋分布；再提取出物體移動后光強 復數信號的實部與虛部零值線，通過實部與虛部零值線的交叉點得到物體移動后散 斑場的相位渦旋分布；(4)通過移動前相位渦旋分布計算出拓撲電荷分布數據矩陣qi(x，y)，再通過移動 后相位渦旋分布計算出拓撲電荷分布數據矩陣q2(x，y)；(5)在移動前拓撲電荷分布數據矩陣Ci1 (x，y)中，以數據中心點為中心選擇大小在 41X41 61X61Pixels間的子區作為搜索區域，然后，利用標準化協方差相關函數，在被 測物體移動后的拓撲電荷分布數據矩陣q2(x，y)中以數據中心點為起點，在X，y方向進行 相關搜索；當相關系數最大時，停止搜索，得到散斑場在x，y方向的位移(μ，ν)，成像光路 的放大倍數為Μ，則被測物體的位移量為(μ/Μ，ν/Μ)。本發明的工作原理是在數字散斑相關測量中，利用CCD相機記錄物體移動前和移動后兩幅散斑光強灰 度圖，分別用I1(XdhI2O^y)來表示；然后存儲進計算機進行相關運算。在移動前的散斑 圖I1(Xd)中以中心點P點為中心取大小為mXm的子區A作為相關搜索區域；當被測物體 發生移動后，子區A移至子區B的位置，P點移動到P'點。由統計學知，A與B這兩個樣本 空間的相關系數最大。因此，可以利用下式的標準化自協方差相關函數來求其相關系數，
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)為從P點搜索P'點時在X，y方向上移動的位移，c(y，V)為改 點的相關系數，I1(x,y),I2(x+y,y+v)分別為移動前和移動后散斑圖像中各像素點灰度，
分別為相關搜索子區A，B的平均灰度值；根據相關系數的最大值來確定子區B的位 置，最終得到散斑場移動后P'點在x，y方向的位移(μ，ν)；公式⑴中，m = 2M+l。而在散斑測量中，當光場的復振幅為零時，其實部和虛部在空間該點同時為零，在 該點產生相位奇異現象，稱為散斑相位渦旋。相位渦旋攜帶了散斑場的變化信息，因此，本 發明提出利用相位渦旋作為特征因子來實現散斑相關測量。在數字散斑相關測量中，CCD相 機記錄的散斑圖是光強分布圖，丟失了相位信息；本發明首先通過拉蓋爾-高斯復數濾波 器將光強I U，y)分布復原為復數信號分布，
權利要求
1.一種基于相位渦旋的數字散斑相關測量方法，其特征在于包括如下步驟(1)用CCD相機記錄被測物體移動前和移動后的散斑光強圖I1(XdhI2O^y),將兩幅 散斑光強圖像存儲進計算機進行后續處理；(2)用拉蓋爾-高斯復數濾波器，對移動前和移動后的散斑光強圖I1(^y)U2(Iy)進 行濾波，得到光強復信號分布{x,y)、I2 {x,y)；(3)然后，提取出物體移動前光強復信號/,(X,的實部與虛部零值線，通過實部與虛部 零值線的交叉點得到物體移動前散斑場的相位渦旋分布；再提取出物體移動后光強復信號 A(U)的實部與虛部零值線，通過實部與虛部零值線的交叉點得到物體移動后散斑場的相 位渦旋分布；(4)通過移動前相位渦旋分布計算出拓撲電荷分布數據矩陣Ci1(X，y)，再通過移動后相 位渦旋分布計算出拓撲電荷分布數據矩陣q2(x，y)；(5)在移動前拓撲電荷分布數據矩陣qi(x，y)中，以數據中心點為中心選擇合適大小的 子區作為搜索區域，然后，利用標準化協方差相關函數，在被測物體移動后的拓撲電荷分布 數據矩陣q2(x，y)中以數據中心點為起點，在χ，y方向進行相關搜索；當相關系數最大時， 停止搜索，得到散斑場在χ，y方向的位移(μ，ν)；成像光路的放大倍數為Μ，則被測物體 的位移量為(μ /Μ，ν /M)。
2.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于測量中應用的散斑圖中散斑顆粒的平 均直徑為4 6Pixels ；散斑圖像大于512X512Pixels。
3.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于測量中使用的拉蓋爾-高斯復數濾波 器的帶寬應等于散斑圖中散斑顆粒的平均直徑。
4.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于進行相關搜索時選擇的子區大小應為 41X41 61X61Pixels。
全文摘要
本發明公開了一種基于相位渦旋的數字散斑相關測量方法。首先，利用數字散斑相關測量光路獲得被測物體移動前、后兩個狀態的散斑光強圖像；然后利用拉蓋爾-高斯復數濾波器對這兩幅圖像進行濾波獲得光強復數信號；分別提取出它們的實部零值線與虛部零值線的交叉點，得到被測物體移動前、后兩個狀態的相位渦旋分布；計算出相應的拓撲電荷分布數據矩陣；最后，對這兩個數據矩陣進行相關運算，得到被測物體的位移信息。該方法能有效消除背景噪聲及高頻噪聲對相關測量可靠性的影響，測量精度可達到亞像素級；并且具有簡單易行、快速準確的特點，可廣泛應用于無損檢測等領域。
文檔編號G01B11/02GK102135413SQ20101060560
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者臺玉萍, 李新忠, 李立本, 杜凱, 楊傳徑, 甄志強, 陳慶東, 魏榮慧 申請人:河南科技大學