一種基于數字散斑的陣列式高速攝像系統的像差修正方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陣列式高速攝像系統的像差修正方法，屬于實驗固體力學動態測試技術和數字圖像技術領域。
【背景技術】
[0002]高速攝像技術與光測力學相結合在實驗動態斷裂力學、材料的動態力學性能測量等方面已經起到了重要的應用。盡管對陣列式高速攝像系統的設計及應用等方面進行了大量的研究，但是缺乏對多因素耦合造成的像差問題的影響研究，這些缺點很大程度上阻礙了該項技術在力學動態測試方面的發展及其在工程應用的拓展。亟待針對數字式陣列高速攝像系統固有的像差問題提出一種簡單有效地像差修正的方法，使動態力學實驗測試結果更為精確。
[0003]陣列式高速攝像系統的像差來源很多，首先很難保證每個CCD的對焦完全一致，所以即使是定焦鏡頭，其對焦的細微差別也會帶來類似于應變的放縮誤差;其次，視場也不能保證完全一致，這會引入類似于剛體位移的誤差;再者，是由每個CCD的光軸不完全平行所帶來的類似于畸變的誤差。由于高速攝像系統的精度要求較高，所以上面的提到的誤差都不可能通過手工調節消除，只能通過數學方法將該誤差修正。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種基于數字散斑的陣列式高速攝像系統的像差修正方法，對不同位置CCD相機采集的圖像進行像差的修正，使其能對材料動態力學行為和性能進行精確測量。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]—種基于數字散斑相關技術的陣列式高速攝像系統的像差修正方法，一種基于數字散斑相關技術的陣列式高速攝像系統的像差修正方法，該方法采用的數字式陣列高速攝像系統，該所述系統主要包括:mXn陣列光源系統1、第一成像透鏡2、第二成像透鏡3、時序同步延遲控制系統4、mXn陣列CCD相機系統5、交換機6和計算機7，其中m2 2,n > 2；由mXn陣列光源系統I發出的光經第一成像透鏡2折射變為平行光，穿過試件10后再經過第二成像透鏡3匯聚，最終由m Xη陣列CCD相機系統)接收成像，通過交換機6將采集的圖像傳輸至計算機7;本系統的時序控制由時序同步延遲控制系統4完成;其特征在于:該方法包括如下步驟:
[0007]I)對m X η陣列CCD相機系統不同位置CCD相機進行編號，第I行，第I列的CCD相機編號為0，0號相機未加載狀態下采集的圖像是基準圖像;之后按照逐行順序編號將所有相機編為Ι-j，其中j=mXn-l ；
[0008]2)未加載時利用mXη陣列CCD相機系統拍攝一組初始散斑圖像，以尾號I編號，，即0-1，1-1，2-1，……，j_l，共計m Xη幅初始圖像，加載時保持光學系統不變，利用每個CCD相機再拍攝一組不同時刻散斑圖像，以尾號2編號，S卩0-2，1-2，2-2，……，j-2，共計mXn幅實驗圖像，尾號前邊數字代表相機編號；
[0009]3)通過二維數字相關運算計算0-1與1-1號圖像初始散斑圖像的相關位移場U0;
[0010]4)運用傅里葉變換的相移方法，對I號相機的實驗前后的圖像1-1及1-2進行逐點的亞像素平移，得到I次修正后的圖像1-1-1及1-2-1，通過多次的相移算法，即通過調整圖像的頻域特征實現亞像素平移，實現整個區域的亞像素平移，Lfv表示修正前后的圖像矩陣，則:
[0011]f7 =F_1[F(f).e2lti(v/+u,).e—2i]
[0012]其中F’F—1表示傅里葉變換與逆變換，/,Y則表示U1中的豎直及水平兩個方向的位移場的對稱變換，i為復數符號；
[0013]5)通過二維數字相關運算計算修正后的1-1-1號圖像與0-1號圖像的相關位移場Ul，如果位移場Ui中的最大位移值Ui(max)與最小位移值Ui(min)的差值遠小于實驗的理論位移場U，即:
[0014]Ui(max)-Ui(min)〈〈U
[0015]貝Ijl號相機與O號相機的像差基本已消除，如果不滿足iMmaxhlMminKOJ，則以U1代替Uo重復3)、4)、5)步驟進行迭代修正，如此重復直到滿足Uk(max)-Uk(min)〈〈U，k代表迭代修正次數，取值為k = 0，I，2，…，則I號相機采集的實驗前后的散斑圖像經過修正最終變為散斑圖l-1-k及l-2-k;
[0016]6)對2-j號相機實驗前后的圖像重復3)、4)、5)步驟進行迭代修正，從而消除Ι-j號相機采集的圖像與O號相機采集的圖像的像差；
[0017]優選地，mX η陣列光源系統采用3 X 3的LED光源系統。
[0018]本發明具有以下優點及突出性的而技術效果:本發明針對數字陣列式高速攝像系統固有的像差問題，基于數字圖像相關處理的基本方法，對多種誤差因素耦合下的數字圖像像差進行了分析，提出并實現了一種對不同位置CCD相機采集的圖像像差的迭代修正，解決了由各個相機對焦、位置差異等因素引起的像差，從而使實驗結果更為精確。本發明具有更好的普適性與精確度。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明所采用的數字式陣列高速攝像系統結構原理示意圖。
[0020]圖2是本發明陣列CCD相機位置及對應的相機編號。
[0021 ]圖3是本發明中單個CCD相機的像差修正方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖進一步說明本發明的具體結構、工作原理、工作過程，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0023]圖1是本發明所采用的數字式陣列高速攝像系統結構原理示意圖，該系統主要包括:mXn陣列光源系統1、第一成像透鏡2、第二成像透鏡3、時序同步延遲控制系統4、mXn陣列C⑶相機系統5、交換機6和計算機7，其中m2 2，n 2 2;由mXn陣列光源系統I發出的光經第一成像透鏡2折射變為平行光，穿過試件10后再經過第二成像透鏡3匯聚，最終由mXn陣列CCD相機系統)接收成像，通過交換機6將采集的圖像傳輸至計算機7。本系統的時序控制由時序同步延遲控制系統4完成，落錘8通過沖擊頭9對試件10施加沖擊載荷，沖擊頭9的沖擊端部布置一信號線，落錘8自身連接一信號線，落錘8與沖擊頭9接觸時產生回路，誘發一個脈沖信號觸發時序同步延遲控制系統4工作，隨后時序同步延遲控制系統4產生從9個通道輸出的、各通道獨立可變時序脈沖信號觸發3*3陣列CCD相機系統5工作，完成圖像的采集。
[0024]圖2是本發明陣列CCD相機位置及對應的相機編號。第I行，第I列的CCD相機編號為0，0號相機未加載狀態下采集的圖像是基準圖像;之后按照逐行順序編號將所有相機編為1-」，其中」=111\11-1。
[0025]本發明提供的方法包括如下步驟:
[0026]I)對m X η陣列CCD相機系統不同位置CCD相機進行編號，第I行，第I列的CCD相機編號為0，0號相機未加載狀態下采集的圖像是基準圖像;之后按照逐行順序編號將所有相機編為ι-j，其中j=m