一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，第一步，散斑和標記制備；第二步，雙目相機標定；第三步，散斑圖像采集；第四步，指定圖像子區；第五步，圖像相關匹配；第六步，三維坐標重建；第七步，變形量計算。通過上述操作步驟，本發明的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，可以準確測量材料在拉伸實驗過程中的變形量，具有操作方便、非接觸測量、測量結果準確可靠等特點。
【專利說明】一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械加工測量【技術領域】，涉及一種視覺引伸計的實現方法，特別是涉及一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法。
【背景技術】
[0002]隨著加工制造業的不斷發展，對加工材料的性能要求越來越高，相應地，材料性能的檢測手段也越來越先進。對變形量的測量由過去的機械式測量發展為光學非接觸測量。機械接觸式的刀口引伸計在測量材料拉伸過程中的變形量時，刀口與被測件之間的摩擦會產生相對運動(打滑)，影響了測量結果的準確性。非接觸式的視頻引伸計是在光電器件和光電測量技術以及圖像處理技術不斷發展完善的基礎上產生的，它利用圖像分析方法，跟蹤物體表面圖像子區域的運動形態，推算物體變形的位移和應變，具有非接觸性、高精度、光路簡單，受環境影響小，自動化程度高等優點。然而在有些方面還有待進一步完善，首先，引伸計測量應變量的核心是試樣與標記的光強度反差，反差越大，引伸計的跟蹤效果越好，由于試樣材料和顏色的多樣性，給不同標記的制作帶來很大難度。另外，就是標記的精確跟蹤，尤其是對于大變形材料，變形后標記和初始標記有很大的變化，這就要求更高的圖像匹配和檢測算法。
【發明內容】
[0003]為了克服現有技術的不足，滿足實際使用的要求，本發明提供了一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，可以準確測量材料在拉伸實驗過程中的變形量。
[0004]為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的:
[0005]一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0006]第一步，散斑及標記制備:在被測試樣表面的測量區域制作散斑，并在試樣表面采用黑色十字線標記出兩個計算點(即為被測點)；
[0007]第二步，雙目相機標定:從不同方位拍攝表面印制有圓形標志點的平面標靶，根據采集的標靶圖像，采用光束平差算法對雙目相機進行整體一次性標定，計算得到兩相機的外部參數、內部參數以及鏡頭畸變參數；
[0008]第三步，散斑圖像采集:啟動材料拉伸設備以拉伸被測試樣，同時控制兩相機同步拍攝以獲取被測試樣在拉伸變形過程中的圖像序列；
[0009]第四步，指定圖像子區:選取一個變形狀態下的被測試樣的圖像作為基礎狀態，在基礎狀態的左相機圖像中根據第一步標記的計算點指定一個方形圖像子區，圖像子區的中心即為待測點中心；
[0010]第五步，圖像相關匹配:根據第四步中所指定的圖像子區，采用數字圖像相關算法對同一時刻左右相機采集的圖像進行匹配；對于左相機圖像上待測的某一圖像子區，在右相機圖像上搜索與其對應于同一空間計算點的圖像子區；
[0011]第六步，三維坐標重建:根據第二步的相機標定結果和第五步的圖像相關匹配結果，采用三角測量法，對左右相機圖像對應的圖像子區的中心點進行三維重建，從而獲得計算點(被測點)的三維坐標信息。
[0012]第七步，變形量計算:根據第六步的三維重建結果，通過跟蹤被測試樣表面被測點的運動計算被測點在每個變形狀態的三維位移，并通過兩計算點的點間距變化來計算應變。
[0013]本發明方法具有以下優點:
[0014](I)由于本方法使用的是光學測量的方式，所以是一種非接觸測量方法。
[0015](2)由于本方法中數字散斑圖案噴涂工作簡單，變形計算完全自動化，因此，測量效率較高。
[0016](3)由于本方法使用散斑圖像作為測量依據，所以測量范圍可根據實際需求進行設定，適用范圍大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1本發明操作步驟流程圖
[0018]圖2本發明方法實驗裝置簡圖
[0019]圖3本發明方法散斑制備后的試樣
[0020]圖4本發明方法計算點標記簡圖
[0021]圖5本發明方法指定計算點截圖
[0022]圖6被測點位移時間變化曲線圖
[0023]圖7應變時間變化曲線圖
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0025]本發明提出一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，具體操作步驟如圖1所示。其中所采用的硬件裝置結構如圖2所示，主要由2個CCD相機、2個LED光照燈、I個控制器和I臺計算機等組成。
[0026]第一步，散斑及標記制備:在被測試樣表面的測量區域制作散斑，并在試樣表面采用黑色十字線標記出兩個計算點(即為被測點)。優選地，制備要求:(a)噴涂在試樣表面的散斑顆粒應隨機分布；(b)散斑對比度明顯，應大于預定閾值；(c)散斑制備范圍應大于所測量變形區域；(d)根據測量幅面和相機分辨率設定散斑顆粒尺寸，以圖3所示的散斑為參考；(e)計算點標記時應清楚明顯,如圖4所示。
[0027]第二步，雙目相機標定:從不同方位拍攝表面印制有圓形標志點的平面標靶，然后，根據采集的標靶圖像，采用光束平差算法對雙目相機進行整體一次性標定，計算得到兩相機的外部參數、內部參數以及鏡頭畸變參數。
[0028]第三步，散斑圖像采集:啟動材料拉伸設備以拉伸被測試樣，同時控制兩相機同步拍攝以獲取被測試樣在拉伸變形過程中的圖像序列。優選地，圖像采集要求:(a)左右相機應同步拍攝；(b)所采集的圖像應清晰，圖像中散斑特征明顯，對比度應大于預定閾值；(c)在拍攝過程中左右相機相對位置應保持不變，否則會影響第六步三維坐標重建精度。
[0029]第四步，指定圖像子區:選取一個變形狀態下的被測試樣的圖像作為基礎狀態，在基礎狀態的左相機圖像中根據第一步標記的計算點指定一個方形圖像子區，圖像子區的中心即為待測點中心。所述方形圖像子區大小應根據散斑顆粒尺寸和相機分辨率設置。
[0030]第五步，圖像相關匹配:根據第四步中所指定的圖像子區，采用數字圖像相關算法對同一時刻左右相機采集的圖像進行匹配；對于左相機圖像上待測的某一圖像子區，在右相機圖像上搜索與其對應于同一空間計算點的圖像子區。
[0031]具體而言，假設圖像子區中有N個像素點，像素灰度受到獨立同分布的噪聲干擾，參考圖像子區與待匹配圖像子區間的相似程度可通過下式衡量:
[0032](
【權利要求】
1. 一種基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其特征在于，包括下述步驟: 第一步，散斑及標記制備:在被測試樣表面的測量區域制作散斑，并在試樣表面采用黑色十字線標記出兩個計算點(即為被測點)； 第二步，雙目相機標定:從不同方位拍攝表面印制有圓形標志點的平面標靶，根據采集的標靶圖像，采用光束平差算法對雙目相機進行整體一次性標定，計算得到兩相機的外部參數、內部參數以及鏡頭畸變參數； 第三步，散斑圖像采集:啟動材料拉伸設備以拉伸被測試樣，同時控制兩相機同步拍攝以獲取被測試樣在拉伸變形過程中的圖像序列； 第四步，指定圖像子區:選取一個變形狀態下的被測試樣的圖像作為基礎狀態，在基礎狀態的左相機圖像中根據第一步標記的計算點指定一個方形圖像子區，圖像子區的中心即為待測點中心； 第五步，圖像相關匹配:根據第四步中所指定的圖像子區，采用數字圖像相關算法對同一時刻左右相機采集的圖像進行匹配；對于左相機圖像上待測的某一圖像子區，在右相機圖像上搜索與其對應于同一空間計算點的圖像子區； 第六步，三維坐標重建:根據第二步的相機標定結果和第五步的圖像相關匹配結果，采用三角測量法，對左右相機圖像對應的圖像子區的中心點進行三維重建，從而獲得計算點(被測點)的三維坐標信息。 第七步，變形量計算:根據第六步的三維重建結果，通過跟蹤被測試樣表面被測點的運動計算被測點在每個變形狀態的三維位移，并通過兩計算點的點間距變化來計算應變。
2.如權利要求1所述的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其中，所述第一步中制備的散斑滿足:(a)散斑顆粒隨機分布；(b)優選的，散斑對比度大于預定閾值；(C)散斑制備范圍大于所測量變形區域。
3.如權利要求2所述的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其中，根據測量幅面和相機分辨率設定散斑顆粒尺寸。
4.如權利要求1所述的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其中，所述第四步中根據散斑顆粒尺寸和相機分辨率設置所述方形圖像子區的大小。
5.如權利要求1所述的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其中，所述第五步中，假設像素灰度受到獨立同分布的噪聲干擾，則參考圖像子區與待匹配圖像子區間的相似程度通過下式衡量:
6.如權利要求5所述的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其中，考慮待匹配圖像子區的變形，整個圖像子區中的點在變形前后的映射關系通過一階位移函數表示:
7.如權利要求1所述的基于數字散斑的視覺引伸計實現方法，其中，所述第七步中，變形前后被測點的三維坐標在同一坐標系進行重建，假設某一被測點在變形時刻ti的三維坐標為(X(ti)，Y(ti)，Z(ti))，則相應的位移(Dx，DY，Dz)通過下式進行計算:
【文檔編號】G01B11/16GK103575227SQ201310443338
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】唐正宗, 李磊剛, 盧崗 申請人:西安新拓三維光測科技有限公司