CN102175169B - 一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法，系统包括光源、三个无线图像发送端和无线图像接收端，光源照射工程结构待测变形位置，以工程结构待测变形位置为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端分别固定设置在三维坐标系的x、y、z轴上，无线图像发送端获取工程结构待测变形位置的图像，基于ZigBee协议通过无线传输发送至无线图像接收端。本发明在待测工程结构表面确定工程结构待测变形位置，由无线图像发送端获取待测变形位置变形前后以及不同时刻的图像并形成数据文件，由无线图像接收端采用亚像素位移测量算法计算变形量并将结果远程发送；系统结构简单，适应性好，精度高。

Description

一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于工程结构变形测量技术领域，用于光测力学领域中工程结构与材料变形的测量，为一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法。

背景技术

对结构或者材料表面在某种原因作用下产生的变形，很多工程领域都可能遇到。近年来，基于数字图像分析的光学测试技术发展很快，如激光干涉技术、数字全息技术、散斑干涉技术、栅线投影技术等。一般都是通过CCD摄像机获取物件变形前后或不同变形时刻特征点的图像，摄取的视频信号传入控制计算机并形成数据文件。一般CCD虽然精度高，但速度慢，无法用来拍摄移动的物件，也无法使用闪光灯。同时在测量现场需要有许多连接线，特别是在三维结构或大型构件变形测量时，现场布线更多。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有光测力学领域中工程结构与材料变形的测量，速度慢，无法拍摄移动的物件，也无法使用闪光灯，不能保证光测的有效性；同时在测量现场需要有许多连接线，特别是在三维结构或大型构件变形测量时，现场布线更多，测量装置复杂，容易受到场地限制。

本发明的技术方案为：一种工程结构三维变形无线光学测量系统，包括光源、三个无线图像发送端和无线图像接收端，光源照射工程结构待测变形位置，以工程结构待测变形位置为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端分别固定设置在三维坐标系的x、y、z轴上，无线图像发送端获取工程结构待测变形位置的图像，通过无线传输发送至无线图像接收端。

无线图像发送端包括图像采集模块、图像处理模块、图像数据发射模块和发送端电源模块，图像采集模块为CMOS图像传感器，无线图像接收端包括图像数据接收模块、图像数据处理与变形计算模块和接收端电源模块，图像采集模块将获取的图像输入图像处理模块，图像处理模块的输出输入图像数据发射模块，图像数据发射模块与图像数据接收模块分别对应设有ZigBee发模块，进行无线连接，图像数据接收模块将接收的数据输入图像数据处理与变形计算模块，发送端电源模块和接收端电源模块分别向无线图像发送端和无线图像接收端提供电源。

进一步的，无线图像发送端和无线图像接收端均设有USB接口，无线图像接收端还设有GPRS通信模块，所述GPRS通信模块作为输出端。

上述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法为：调整光源，使工程结构待测变形位置对应无线图像发送端的面暴露在光源中，无线图像发送端获取包含工程结构待测变形位置的图像信号，发送给无线图像接收端，无线图像接收端在图像信号中，对于变形测量前的图像，以工程结构待测变形位置为中心选定子区域，作为测量的参考子区域f，在测量工程结构表面变形过程中，放置在x、y、z三个方向的无线图像发送端固定不动，随着工程结构的变形，无线图像发送端实时记录不同变形时刻工程结构待测变形位置的表面图像，变形停止后，在由所述不同变形时刻的表面图像获得的变形工程结构的散斑场中寻找与参考子区域f相对应的子区域，记为变形子区域g，提取变形子区域g中工程结构待测变形位置相对参考子区域f的变形量，即得到工程结构待测变形位置变形前后位置之间的关系，实现变形测量。

作为优选方式，无线图像发送端和无线图像接收端分别进行图像处理工作，无线图像发送端的图像处理工作为将获取的图像文件形成数据文件，得到数字图像进行发送；无线图像接收端的图像处理工作为：对于接收的数字图像，其记录的是离散的灰度信息，由离散的灰度信息对工程结构待测变形位置的变形量的计算。

采用亚像素位移测量算法计算变形量，令f(x，y)、g(x′，y′)分别表示变形前、变形后的子区图像，根据变形及数字图像的基本假设，当图像子区足够小且物体作微小位移时，则该子区可看成作近似刚体运动，此时有

f(x，y)＝g(x′，y′)(1)

其中x′＝x+u+Δx，y′＝y+v+Δy(2)

式中，u、v分别为变形前图像中待测位移点(x，y)在变形后图像中的整像素位移；Δx、Δy分别为x、y方向整像素位移对应的亚像素位移，将式(2)对Δx、Δy进行一阶泰勒展开并舍去高阶小量，可得

g(x+u+Δx，y+v+Δy)

＝g(x+u，y+v)+Δxgg_x(x+u，y+v)+Δygg_y(x+u，y+v)(3)

其中，g_x、g_y为灰度的一阶梯度，利用基于梯度的亚像素位移算法求解亚像素位移的关键是灰度梯度g_x、g_y的计算，将灰度梯度算法取为

$g_x=\frac{1}{12}g(x-2,y)-\frac{8}{12}g(x-1,y)+\frac{8}{12}g(x+1,y)-\frac{1}{12}g(x+2,y)---\left(8\right)$

$g_y=\frac{1}{12}g(x,y-2)-\frac{8}{12}g(x,y-1)+\frac{8}{12}g(x,y+1)-\frac{1}{12}g(x,y+2)---\left(9\right)$

由式(3)得到真实的微小位移Δx、Δy，也就是亚像素位移，进而得到变形前至变形后的变形量。

本发明系统有如下优势：

1)本发明在结构变形的光学测量中首次提出无线传输，利用ZigBee协议进行无线图像传输，解决了现有技术中大量接线的问题，避免现场布线，使测量系统简单、实用可靠、配置灵活，可以同时实现构件的多点测量；发射装置、接收与处理装置都有USB接口，也可实现有线测量；还设有GPRS模块，可以实现无线图像的远程传输且与Internet连接；本发明可方便的用于工程现场测试，对被测物体本身和引起初测构件变形的原因没有特别限制；

2)本发明的图像采集模块为CMOS图像传感器，CMOS基本克服原来CCD的弱点，CMOS图像传感器在采集光信号的同时，可以取出电信号，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快很多；另外，CMOS图像传感器的价格仅为CCD的1/8～1/10；CMOS图像传感器集成度易实现片上系统，易制作成无线图像传感器装置；

3)现有的结构变形光学测量装置都需要连接计算机完成测量工作，整个装置体积大，加上各种接线，使用复杂，不易携带；本发明设置了无线图像发送端和无线图像接收端，并且两者分别承担一部分图像处理工作，通过无线图像发送端和无线图像接收端对图像处理的分工合作，就可以直接完成光学测量中的变形量计算，不再需要计算机，可以实时的在结构变形测量中进行图像处理，如去噪、增强、压缩等，获得高清晰的图像与提高图像传输速率；相比原来CCD的光学测量装置，体积小，便于携带，不再需要特别携带计算机进行变形计算，现场对变形测量速度快；

4)本发明主要用于工程现场测试各种材料力学性能的测量，如弹性模量、泊松比、塑性与强度极限、断裂韧度、应力强度因子等，对被测物体本身和引起初测构件变形的原因没有特别限制，且具有较高的测试精度，测量的变形精度为μm级。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是本发明系统的无线图像发送端结构示意图。

图3是本发明系统的无线图像接收端结构示意图。

图4是本发明方法的测量流程图。

图5是本发明系统基于ZigBee协议的无线传感器网络程序流程图。

具体实施方式

1.测量系统的实施

测量变形量的信息载体是在被测表面备制的特征点，结合图1描述本系统实施工程结构(材料)变形测量过程。如图1，本发明系统包括光源2、三个无线图像发送端3和无线图像接收端4，光源2照射工程结构待测变形位置1，以工程结构待测变形位置1为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端3分别固定设置在三维坐标系的x、y、z轴上，无线图像发送端3获取工程结构待测变形位置1的图像，通过无线传输发送至无线图像接收端4。

具体的，如图2和图3所示，无线图像发送端3包括图像采集模块5、图像处理模块6、图像数据发射模块7和发送端电源模块13，图像采集模块5由CMOS图像传感器9及其周边电路组成，图像处理模块6采用DSP芯片10，并配设有存储器8，无线图像接收端4包括图像数据接收模块14、图像数据处理与变形计算模块15和接收端电源模块13’，图像数据处理与变形计算模块15同样采用DSP芯片10，并配设有存储器8和显示器18，图像采集模块5将获取的图像输入图像处理模块6，图像处理模块6的输出输入图像数据发射模块7，图像数据发射模块7与图像数据接收模块14分别对应设有ZigBee模块11，进行无线连接，图像数据接收模块14将接收的数据输入图像数据处理与变形计算模块15，发送端电源模块13和接收端电源模块13’分别向无线图像发送端3和无线图像接收端4提供电源。无线图像发送端3的图像处理模块6和无线图像接收端4的图像数据处理与变形计算模块15均设有USB接口12，无线图像接收端4还设有GPRS通信模块17，GPRS通信模块17与SIM卡19组合为远程发送模块16，所述GPRS通信模块17作为输出端，使无线图像接收端4的输出接入Internet。

在待测工程结构(材料)表面确定一定数目的能描述其变形的特征点，也就是确定工程结构待测变形位置1，调整光源2，依次调整x、y、z三个方向的无线图像发送端3，以便得到更清晰的特征点的图像信号，并经图像处理模块6将图像文件转变为数据文件。在测试变形前，x、y、z三个方向的无线图像发送端3摄取工程结构(材料)表面的特征点图像信息，并将图像的数据文件发送至无线图像接收端4并存入存储器内，同时选定一个以特征点为中心的子区域，作为测量的参考子区域f；在测量工程结构(材料)表面变形过程中，放置在x、y、z三个方向无线图像采集、处理与发送装置固定不动，随着工程结构(材料)的变形，无线图像采集、处理与发送装置实时记录不同变形时刻的表面图像。变形停止后，在变形的工程结构(材料)上的散斑场中寻找与参考子区域相对应的那个子区域，记为变形子区域g。提取特征点的变形量，即是寻找特征点变形前后位置之间的关系。

本发明无线图像发送端和无线图像接收端分别进行图像处理工作，无线图像发送端的图像处理工作为将获取的图像文件形成数据文件，得到数字图像进行发送；无线图像接收端的图像处理工作为：对于接收的数字图像，其记录的是离散的灰度信息，由离散的灰度信息对工程结构待测变形位置的变形量的计算，所述分工可以提高图像处理的速度。由于数字图像记录的是离散的灰度信息，无论利用测量前定义的任何相关函数进行相关搜索时，图像区域窗口的平移都只能以整像素为单位进行，因此整像素相关搜索能获得的位移u、v只能是像素的整数倍。但是实际的位移值一般不恰好为整像素，而且整像素位移的定位精度在实际应用中也是远远不够的，因此，在本发明中为了更好的提高测量精度应用亚像素位移测量算法。

亚像素位移测量算法为现有测量算法，这里仅作简单介绍，令f(x，y)、g(x′，y′)分别表示变形前、变形后的子区图像。根据变形及数字图像的基本假设，当图像子区足够小且物体作微小位移时，则该子区可看成作近似刚体运动，此时有

f(x，y)＝g(x′，y′)(1)

其中x′＝x+u+Δx，y′＝y+v+Δy(2)

式中，u、v分别为原图像中所求位移点(x，y)的整像素位移；Δx、Δy分别为x、y方向整像素位移对应的亚像素位移。将式(2)对Δx、Δy进行一阶泰勒展开并舍去高阶小量，可得

g(x+u+Δx，y+v+Δy)

＝g(x+u，y+v)+Δxgg_x(x+u，y+v)+Δygg_y(x+u，y+v)(3)

其中，g_x、g_y为灰度的一阶梯度。

对于真实的微小位移Δx、Δy，也就是亚像素位移，应使下面的最小平方距离相关函数取驻值：

$C(\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy})=\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-g(x+u+\mathrm{\Δx},y+v+\mathrm{\Δy})]}^2---\left(4\right)$

即 $\frac{\∂C}{\∂\left(\mathrm{\Δx}\right)}=0,$ $\frac{\∂C}{\∂\left(\mathrm{\Δy}\right)}=0---\left(5\right)$

经推可得Δ＝A^-1B(6)

其中

$\left\{\begin{array}{c}A=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\Σ}& \mathrm{\Σ}& {\left(\frac{\∂g}{\∂x}\right)}^2& \mathrm{\Σ}& \mathrm{\Σ}& \frac{\∂g}{\∂x}\frac{\∂g}{\∂y}\\ \mathrm{\Σ}& \mathrm{\Σ}& \frac{\∂g}{\∂x}\frac{\∂g}{\∂y}& \mathrm{\Σ}& \mathrm{\Σ}& {\left(\frac{\∂g}{\∂y}\right)}^2\end{array}\right]\\ B=\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\Σ}& \mathrm{\Σ}& (f-g)& \frac{\∂g}{\∂x}\\ \mathrm{\Σ}& \mathrm{\Σ}& (f-g)& \frac{\∂g}{\∂y}\end{array}\right]\\ \mathrm{\Δ}=\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(7\right)$

由式(6)、式(7)可以看出，利用基于梯度的亚像素位移算法求解亚像素位移的关键是灰度梯度g_x、g_y的计算，将灰度梯度算法取为

$g_x=\frac{1}{12}g(x-2,y)-\frac{8}{12}g(x-1,y)+\frac{8}{12}g(x+1,y)-\frac{1}{12}g(x+2,y)---\left(8\right)$

$g_y=\frac{1}{12}g(x,y-2)-\frac{8}{12}g(x,y-1)+\frac{8}{12}g(x,y+1)-\frac{1}{12}g(x,y+2)---\left(9\right)$

由式(3)得到真实的微小位移Δx、Δy，也就是亚像素位移，进而得到变形前至变形后的变形量。

上述的计算过程可以通过标记点分析与计算程序来完成，整个流程如图4所示。

2.无线图像传感系统的实施

2.1无线图像发送端和无线图像接收端

如图2所示无线图像发送端3中图像采集模块5获取工程构件(材料)表面变形特征点的图像，由图像处理模块6对图像进行处理，再由图像发射模块7无线发送。如图3所示，无线图像接收端4中的数据处理与变形量计算模块15进行图像处理与变形计算，并在显示器18上显示，同时可以通过计算结果通过远程发送模块16发送到指定的Internet计算机上。

无线图像发送端3以及无线图像接收端4均有USB接口12，在测量小构件时，也可以直接实现有线测量。同时在无线图像接收端4上，GPRS模块17主要由GPRSMC55芯片构成，实现与Internet网连接。GPRS/Internet内部网关将GPRS网络的数据格式转化成Internet数据格式，工程构件(材料)表面变形计算结果可以通过Internet实现远程传输。

2.2无线图像芯片选取

本发明无线图像发送端3的图像处理模块6和无线图像接收端4的图像数据处理与变形计算模块15优选美国德州仪器(TI)公司生产的TMS320C2XXX系列DSP芯片，该芯片处理能力强，指令周期最短为25ns，运算能力达40MIPS，片内具有较大的闪速存储器，功耗低，资源配置灵活。

在COMS图像传感器的选择上，OV9653是OmniVision公司一款130万像素彩色图像传感器，能够满足结构变形的光学测量中，120万像素以上的图像分辨率要求，支持SXGA、VGA、QVGA、QQVGA、CIF、QCIF、QQCIF输出模式。数据输出格式有：YCbCr4:2:2、YUV4:2:2、RGB5:5:5等。其寄存器通过串行视频控制总线(SCCB)进行读写。

本发明系统无线图像数据传输基于ZigBee协议。CC2431是TI公司推出的针对IEEE802.15.4/ZigBee应用的片上系统，其内部集成了CC2420射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、128KBFlashROM和8KBRAM。由于CC2431可工作在4种工作模式下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统的要求。CC2431内部集成有处理器和射频收发器，减少了无线传感器网络节点的体积，同时也降低了2.4G高频对数据传输的影响；CC2431片内硬件定位引擎支持无线传感器网络装置定位，与一般软件定位相比，具有定位速度快、精度高、不占用CPU资源的特点。

远程发送模块16由GPRS通信模块接入Internet，因为在GPRSMC55模块内置的TCP/IP协议栈，由AT指令控制使应用程序很容易接入网络。这一方案的优点在于它不需应用程序，开发商执行自己的TCP/IP和PPP栈，这样最小化了将网络连接成一个新的或已经存在的应用程序所需的成本和时间。

无线图像发送端3和无线图像接收端4均选用同样的锂电池作为动力能源。

2.3基于ZigBee协议的无线装置软件系统

本发明系统在无线传输中主要对硬件抽象层进行了开发，并针对硬件电路和应用需要，增加了外围硬件的驱动部分。考虑到系统功耗，延长电池使用寿命，在设计中特别注意系统状态切换，在无需采集与发送数据时自动进入掉电模式，在下次需要数据采集与发送时可以很快从掉电模式中唤醒，其流程图如图5所示。

本发明与现有的结构变形光学测量装置相比，图像采集装置、图像传输方式和图像处理方式都进行了改进，相比现有装置，简化了结构，减小体积，提高现场处理速度，整体测量效率大大提高，装置成本降低；由于无需计算机，没有大量接线，携带方便，实用可靠，灵活性好，对测量场地、环境没有特别限制。

Claims (4)

1.一种工程结构三维变形无线光学测量系统，基于光测力学进行测量，其特征是包括光源（2）、三个无线图像发送端（3）和无线图像接收端（4），光源（2）照射工程结构待测变形位置（1），以工程结构待测变形位置（1）为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端（3）分别固定设置在三维坐标系的x、y、z轴上，无线图像发送端（3）获取工程结构待测变形位置（1）的图像，通过无线传输发送至无线图像接收端（4）；

无线图像发送端（3）包括图像采集模块（5）、图像处理模块（6）、图像数据发射模块（7）和发送端电源模块（13），图像采集模块（5）为CMOS图像传感器，无线图像接收端（4）包括图像数据接收模块（14）、图像数据处理与变形计算模块（15）和接收端电源模块（13’），图像采集模块（5）将获取的图像输入图像处理模块（6），图像处理模块（6）的输出输入图像数据发射模块（7），图像数据发射模块（7）与图像数据接收模块（14）分别对应设有ZigBee模块，进行无线连接，图像数据接收模块（14）将接收的数据输入图像数据处理与变形计算模块（15），发送端电源模块（13）和接收端电源模块（13’）分别向无线图像发送端（3）和无线图像接收端（4）提供电源，图像处理模块（6）和图像数据处理与变形计算模块（15）为DSP芯片。

2.根据权利要求1所述的一种工程结构三维变形无线光学测量系统，其特征是无线图像发送端（3）和无线图像接收端（4）均设有USB接口（12），无线图像接收端（4）还设有GPRS通信模块（17），所述GPRS通信模块（17）作为输出端。

3.权利要求1或2任一项所述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法，其特征是基于光测力学进行测量，调整光源（2），使工程结构待测变形位置（1）对应无线图像发送端（3）的面暴露在光源中，无线图像发送端（3）获取包含工程结构待测变形位置（1）的图像信号，发送给无线图像接收端（4），无线图像接收端（4）在图像信号中，对于变形测量前的图像，以工程结构待测变形位置（1）为中心选定子区域，作为测量的参考子区域f，在测量工程结构表面变形过程中，放置在x、y、z三个方向的无线图像发送端（3）固定不动，随着工程结构的变形，无线图像发送端（3）实时记录不同变形时刻工程结构待测变形位置（1）的表面图像，变形停止后，在由所述不同变形时刻的表面图像获得的变形工程结构的散斑场中寻找与参考子区域f相对应的子区域，记为变形子区域g，提取变形子区域g中工程结构待测变形位置（1）相对参考子区域f的变形量，即得到工程结构待测变形位置（1）变形前后位置之间的关系，实现变形测量；

无线图像发送端（3）和无线图像接收端（4）分别进行图像处理工作，无线图像发送端（3）的图像处理工作为将获取的图像文件形成数据文件，得到数字图像进行发送；无线图像接收端（4）的图像处理工作为：对于接收的数字图像，其记录的是离散的灰度信息，由离散的灰度信息对工程结构待测变形位置（1）的变形量的计算。

4.根据权利要求3所述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法，其特征是采用亚像素位移测量算法计算变形量，令f(x,y)、g(x',y')分别表示变形前、变形后的子区图像，根据变形及数字图像的基本假设，当图像子区足够小且物体作微小位移时，则该子区可看成作近似刚体运动，此时有

f(x,y)=g(x',y')（1）

其中x'＝x+u+Δx，y'＝y+v+Δy（2）

式中，u、v分别为变形前图像中待测位移点(x,y)在变形后图像中的整像素位移；Δx、Δy分别为x、y方向整像素位移对应的亚像素位移，将式（2）对Δx、Δy进行一阶泰勒展开并舍去高阶小量，可得

g(x+u+Δx,y+v+Δy)

＝g(x+u,y+v)+Δx·g_x(x+u,y+v)+Δy·g_y(x+u,y+v)（3）

其中，g_x、g_y为灰度的一阶梯度，利用基于梯度的亚像素位移算法求解亚像素位移的关键是灰度梯度g_x、g_y的计算，将灰度梯度算法取为

$g_x=\frac{1}{12}g(x-2,y)-\frac{8}{12}g(x-1,y)+\frac{8}{12}g(x+1,y)-\frac{1}{12}g(x+2,y)---\left(8\right)$

$g_y=\frac{1}{12}g(x,y-2)-\frac{8}{12}g(x,y-1)+\frac{8}{12}g(x,y+1)-\frac{1}{12}g(x,y+2)---\left(9\right)$

由式（3）得到真实的微小位移Δx、Δy，也就是亚像素位移，进而得到变形前至变形后的变形量。