專利名稱：一種工程結構三維變形無線光學測量系統及其測量方法
技術領域：
本發明屬于工程結構變形測量技術領域，用于光測力學領域中工程結構與材料變形的測量，為一種工程結構三維變形無線光學測量系統及其測量方法。
背景技術：
對結構或者材料表面在某種原因作用下產生的變形，很多工程領域都可能遇到。 近年來，基于數字圖像分析的光學測試技術發展很快，如激光干涉技術、數字全息技術、散斑干涉技術、柵線投影技術等。一般都是通過CCD攝像機獲取物件變形前后或不同變形時刻特征點的圖像，攝取的視頻信號傳入控制計算機并形成數據文件。一般CCD雖然精度高， 但速度慢，無法用來拍攝移動的物件，也無法使用閃光燈。同時在測量現場需要有許多連接線，特別是在三維結構或大型構件變形測量時，現場布線更多。
發明內容
本發明要解決的問題是現有光測力學領域中工程結構與材料變形的測量，速度慢，無法拍攝移動的物件，也無法使用閃光燈，不能保證光測的有效性；同時在測量現場需要有許多連接線，特別是在三維結構或大型構件變形測量時，現場布線更多，測量裝置復雜，容易受到場地限制。本發明的技術方案為一種工程結構三維變形無線光學測量系統，包括光源、三個無線圖像發送端和無線圖像接收端，光源照射工程結構待測變形位置，以工程結構待測變形位置為中心建立三維坐標系，三個無線圖像發送端分別固定設置在三維坐標系的X、y、Z 軸上，無線圖像發送端獲取工程結構待測變形位置的圖像，通過無線傳輸發送至無線圖像接收端。無線圖像發送端包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、圖像數據發射模塊和發送端電源模塊，圖像采集模塊為CMOS圖像傳感器，無線圖像接收端包括圖像數據接收模塊、圖像數據處理與變形計算模塊和接收端電源模塊，圖像采集模塊將獲取的圖像輸入圖像處理模塊，圖像處理模塊的輸出輸入圖像數據發射模塊，圖像數據發射模塊與圖像數據接收模塊分別對應設有ZigBee發模塊，進行無線連接，圖像數據接收模塊將接收的數據輸入圖像數據處理與變形計算模塊，發送端電源模塊和接收端電源模塊分別向無線圖像發送端和無線圖像接收端提供電源。進一步的，無線圖像發送端和無線圖像接收端均設有USB接口，無線圖像接收端還設有GPRS通信模塊，所述GPRS通信模塊作為輸出端。上述的工程結構三維變形無線光學測量系統的測量方法為調整光源，使工程結構待測變形位置對應無線圖像發送端的面暴露在光源中，無線圖像發送端獲取包含工程結構待測變形位置的圖像信號，發送給無線圖像接收端，無線圖像接收端在圖像信號中，對于變形測量前的圖像，以工程結構待測變形位置為中心選定子區域，作為測量的參考子區域 f，在測量工程結構表面變形過程中，放置在X、y、Z三個方向的無線圖像發送端固定不動，隨著工程結構的變形，無線圖像發送端實時記錄不同變形時刻工程結構待測變形位置的表面圖像，變形停止后，在由所述不同變形時刻的表面圖像獲得的變形工程結構的散斑場中尋找與參考子區域f相對應的子區域，記為變形子區域g，提取變形子區域g中工程結構待測變形位置相對參考子區域f的變形量，即得到工程結構待測變形位置變形前后位置之間的關系，實現變形測量。作為優選方式，無線圖像發送端和無線圖像接收端分別進行圖像處理工作，無線圖像發送端的圖像處理工作為將獲取的圖像文件形成數據文件，得到數字圖像進行發送; 無線圖像接收端的圖像處理工作為對于接收的數字圖像，其記錄的是離散的灰度信息，由離散的灰度信息對工程結構待測變形位置的變形量的計算。采用亞像素位移測量算法計算變形量，令f(x，y)、g(x' ,y')分別表示變形前、 變形后的子區圖像，根據變形及數字圖像的基本假設，當圖像子區足夠小且物體作微小位移時，則該子區可看成作近似剛體運動，此時有f(x, y) = g(x'，y' )(1)其中 χ' = x+u+Δχ, y' = y+v+ Δ y(2)式中，u、v分別為變形前圖像中待測位移點(x，y)在變形后圖像中的整像素位移； Δχ、Ay分別為X、y方向整像素位移對應的亞像素位移，將式(2)對Δ χ、Δ y進行一階泰勒展開并舍去高階小量，可得g (x+u+Ax, y+v+Ay)= g (x+u, y+v) + Δ xggx (χ+u, y+v) + Δ yggy (χ+u, y+v)(3)其中，gx、gy為灰度的一階梯度，利用基于梯度的亞像素位移算法求解亞像素位移
的關鍵是灰度梯度gx、gy的計算，將灰度梯度算法取為
權利要求
1.一種工程結構三維變形無線光學測量系統，其特征是包括光源O)、三個無線圖像發送端(3)和無線圖像接收端，光源(2)照射工程結構待測變形位置(1)，以工程結構待測變形位置(1)為中心建立三維坐標系，三個無線圖像發送端C3)分別固定設置在三維坐標系的x、y、z軸上，無線圖像發送端(3)獲取工程結構待測變形位置(1)的圖像，通過無線傳輸發送至無線圖像接收端G)。
2.根據權利要求1所述的一種工程結構三維變形無線光學測量系統，其特征是無線圖像發送端C3)包括圖像采集模塊(5)、圖像處理模塊(6)、圖像數據發射模塊(7)和發送端電源模塊(13)，圖像采集模塊( 為CMOS圖像傳感器，無線圖像接收端(4)包括圖像數據接收模塊(14)、圖像數據處理與變形計算模塊(1 和接收端電源模塊(13’)，圖像采集模塊(5)將獲取的圖像輸入圖像處理模塊(6)，圖像處理模塊(6)的輸出輸入圖像數據發射模塊(7)，圖像數據發射模塊(7)與圖像數據接收模塊(14)分別對應設有ZigBee模塊，進行無線連接，圖像數據接收模塊(14)將接收的數據輸入圖像數據處理與變形計算模塊(15)， 發送端電源模塊(13)和接收端電源模塊(13’ )分別向無線圖像發送端(3)和無線圖像接收端⑷提供電源。
3.根據權利要求1或2所述的一種工程結構三維變形無線光學測量系統，其特征是無線圖像發送端⑶和無線圖像接收端⑷均設有USB接口(12)，無線圖像接收端(4)還設有GPRS通信模塊(17)，所述GPRS通信模塊(17)作為輸出端。
4.權利要求1-3任一項所述的工程結構三維變形無線光學測量系統的測量方法，其特征是調整光源O)，使工程結構待測變形位置(1)對應無線圖像發送端(3)的面暴露在光源中，無線圖像發送端(3)獲取包含工程結構待測變形位置(1)的圖像信號，發送給無線圖像接收端G)，無線圖像接收端(4)在圖像信號中，對于變形測量前的圖像，以工程結構待測變形位置(1)為中心選定子區域，作為測量的參考子區域f，在測量工程結構表面變形過程中，放置在x、y、z三個方向的無線圖像發送端(3)固定不動，隨著工程結構的變形，無線圖像發送端(3)實時記錄不同變形時刻工程結構待測變形位置(1)的表面圖像，變形停止后，在由所述不同變形時刻的表面圖像獲得的變形工程結構的散斑場中尋找與參考子區域 f相對應的子區域，記為變形子區域g，提取變形子區域g中工程結構待測變形位置(1)相對參考子區域f的變形量，即得到工程結構待測變形位置(1)變形前后位置之間的關系，實現變形測量。
5.根據權利要求4所述的工程結構三維變形無線光學測量系統的測量方法，其特征是無線圖像發送端(3)和無線圖像接收端(4)分別進行圖像處理工作，無線圖像發送端(3) 的圖像處理工作為將獲取的圖像文件形成數據文件，得到數字圖像進行發送；無線圖像接收端的圖像處理工作為對于接收的數字圖像，其記錄的是離散的灰度信息，由離散的灰度信息對工程結構待測變形位置(1)的變形量的計算。
6.根據權利要求5所述的工程結構三維變形無線光學測量系統的測量方法，其特征是采用亞像素位移測量算法計算變形量，令f(x，y) >g(x' ,ι')分別表示變形前、變形后的子區圖像，根據變形及數字圖像的基本假設，當圖像子區足夠小且物體作微小位移時，則該子區可看成作近似剛體運動，此時有f(x,y) = g(x'，y' )(1)其中 χ' = x+u+Δχ,y' = y+v+ Δ y(2)式中，u、v分別為變形前圖像中待測位移點(x，y)在變形后圖像中的整像素位移；Δχ、 Ay分別為x、y方向整像素位移對應的亞像素位移，將式( 對Δχ、Ay進行一階泰勒展開并舍去高階小量，可得
全文摘要
一種工程結構三維變形無線光學測量系統及其測量方法，系統包括光源、三個無線圖像發送端和無線圖像接收端，光源照射工程結構待測變形位置，以工程結構待測變形位置為中心建立三維坐標系，三個無線圖像發送端分別固定設置在三維坐標系的x、y、z軸上，無線圖像發送端獲取工程結構待測變形位置的圖像，基于ZigBee協議通過無線傳輸發送至無線圖像接收端。本發明在待測工程結構表面確定工程結構待測變形位置，由無線圖像發送端獲取待測變形位置變形前后以及不同時刻的圖像并形成數據文件，由無線圖像接收端采用亞像素位移測量算法計算變形量并將結果遠程發送；系統結構簡單，適應性好，精度高。
文檔編號G01B11/16GK102175169SQ20111005346
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者吳明贊, 康新 申請人:南京理工大學