CN1022861C - 散斑图等精度正交扫描视频分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

一种散斑图正交扫描视频分析方法及仪器。采用普通电视摄象机，对散斑图象进行水平、垂直扫描，对摄象机摄取的电信号进行处理和计算后即可直接求得散斑条纹的法向间距和条纹倾角，不需转动测量仪器或散斑图象，所需计算机的内存容量也较小，测量精度高。

Description

本发明涉及激光应用技术、混合图像处理和测试技术。

激光散斑测量是激光应用的最新技术之一，是一种较为实用的工程测量方法。在这种方法中，扩展的激光速照射到具有光学粗糙表面的物体上的透射光或反射光将在空间形成散斑干涉场。如果在被测物体发生面内位移或形变的前后进行二次曝光照相就可得到记录了物体位移或形变信息的激光散斑图。用细激光束照射散斑图可在其衍射远场中获得杨低干涉条纹，条纹的间距及方向反映了物体相应点处位移的大小及方向，由条纹的间距和方向可以定量地确定出物体的微小变形以及应变情况。如果逐点对散斑图进行分析，则可以定量获得物体各点的位移或形变信息以及分布状况。这预示了散斑测量技术在工程上获得应用的广阔前景。

激光散斑技术适用于物体面内微小位移、拨动、应力和应变、热场梯度、流体速度等的非接触测量和分析。在大型结构工程设计中，与理论计算相结合可以验证设计的可靠性，在确保工程质量的前提下优化结构参数，减少材料消耗和施工投资，具有很大的经济效益。在某些材料试验、热力学实验等研究工作中要进行二维非接触测量分析，散斑测量技术是唯一可行的手段。因而散斑测量是一种很有发展前途的实用技术，在力学、材料科学、机械制造、水利、土建等工程中得到广泛的应用。

散斑图逐点分析的关键是干涉条纹间距和倾角的快速测量和处理，即如何快速准确地得到如图1所示的S与θ值。目前的处理技术大致有以下几种：

1.人工读图方法：用直尺和转角度盘配合，靠目视人工测量观察屏上的衍射条纹，由直尺读出条纹间距，由刻度盘读出条纹角度，整个测量过程为手工操作，工作繁琐，劳动强度极大，速度慢，误差也大。

2.光电元件检测法：一种方法是用单个光敏二极管或排列成一列的一组光敏二极管作为接收器，它安装在可指示角度的转台上，利用机械扫描装置对衍射图象进行扫描，光敏二极管输出的电信号经模数转换化为数字信号送入计算机处理它的扫描速度慢，精度差，角度测量仍靠转动装置确定。另一种方法是用许多窄条状的硅光电池阵列或电视摄象机代替光敏二极管，安装在步进电机带动的机械转台上。测量时，要先使光电池或电视扫描线转成与条纹平行，由机构转台指示出条纹的倾角，这种方法也要使用机械转动装置，有较大的测量误差，尤其是角度误差。

3.数字图像处理方法：用电视摄象机或电荷耦合器件（CCD）等图像转换装置将散斑图象转换为二维数字图象送入帧存储器中，经过计算机图象处理如数字滤波、自相关远算等求出条纹的间距和倾角。这种方法通用性强，但设备庞大、价格高、要求高速A/D转换器和帧存储器，软件包大而复杂，占用内存大（按一幅图象512×512象素为准，取256个灰阶，则一幅图象要256K字节内存），而且分辨率由于采样象素数的限制，不可能 很高。

本发明的目的是研制一种测量精度高，自动化程度高，设备较简单的散斑图象分析方法及仪器。

本发明的构成是采用等精度正交扫描视频分析法对如图2（a）所示的倾斜条纹进行水平方向，垂直方向的正交扫描，测出其水平截距Sx及垂直截距Sy，如图2（d），然后通过几何关系的运算来求得条纹间的法向间距S及倾角θ。

本测量方法可利用电视摄象机的行场扫描特性来完成，但是在电视摄象中垂直方向扫描是与行扫描同时完成的，整个画面的垂直方向扫描是由625条行扫描线来组成。所以其精度小于1/625扫描范围。

下面结合附图详细叙述本发明的测量方法及提高垂直扫描精度的方案。

图1为散斑图再现干涉条纹示意图。

图2为正交扫描测量方法工作原理图，（a）为衍射条纹图样。测量时，首先让摄象机处于正常光栅扫描，得到如图2（b）所示的用行同步信号分隔的随时间变化的视频信号，每一条纹在视频信号中对应一个峰值，根据电压信号峰值点出现的周期T_x即可求得条纹在水平方向的截距S_x，并有

S_x＝k_x·T_x（1）

式中K_x为一取决于成象光学系统放大倍数、散斑图再现时的衍射距和摄象管光靶尺寸、扫描频率的常数，可由计算和实验测定。

T_x为条纹水平截距的对应的时间周期，可在此周期中填入时间脉冲，并按T_x＝△tx·N_x来求得，△tx-每一脉冲的时间周期;N_x-在T_x内的脉冲数。

相类似地，在进行垂直扫描时可以得到如图2（c）的场扫描视频信号，同样可根据条纹信号的峰值间隔T_y计算出条纹垂直方向的截距S_y，并有

S_y＝k_y·T_y（2）

式中K_y具有和K_x相类似的含义。在此处，T_x和T_y是相对条纹中心线测得的。

T_y为条纹垂直截距对应的时间周期，其求法与T_x相同。

在计算到S_x，S_y后，根据图2（d）的几何关系，条纹的法向间距S和倾角θ即可由下式给出：

$\mathrm{s=}\frac{s_x{s}_y}{\sqrt{s^2{}_x{\mathrm{+s}}^2{}_y}}{\mathrm{\theta =tan}}^{\mathrm{-1}}\frac{s_y}{s_x}$

根据式（3），只要准确地测算出水平和垂直截距，就可以较高的精度获得所需的条纹法向间距和倾角。

在常规的电视摄象中，行扫描是连续进行的，垂直扫描则是通过若干个（625个）行扫描来完成的，所以不是连续的。本发明在常规电视摄象扫描中改变扫描制式，采用阶梯型连续场扫描的方式，来得到连续的垂直扫描。即用每步时间为场扫描周期的阶梯电流取代原来的行扫描锯齿电流，在场扫描的过程中，使得行扫描的偏转电流保持某一定值，于是电视摄象机就在某一列位置连续扫描出一条垂直线束。当行扫描线圈中的电流值作阶梯式改变时，电视摄象机就可实现一组垂直扫描线，可依此进行高精度的垂直测量。

图3为垂直光栅扫描图及加在行扫描线圈中的阶梯电流图。图示为8条垂直扫描线时的情况。实际工作时，垂直扫描线数可根据需要而定。要实现上述垂直光栅扫描，硬件上只需要一个阶梯电流发生器和相应的控制线路。

图4为阶梯电流发生器与扫描状态控制原理图，如图所示。当扫描状态控制端为低电平时，电视摄象机进行通常的水平光栅扫描，而当该控制端为高电平时，电视摄象机进入垂直光栅扫描状态，在此状态下原有的扫描保护作用由所设置的防保护控制电路暂时解除。

这样在连续场扫描情况下采用类似于行扫描的测量方法可以把垂直测量分辨率由原有的

312.5场幅提高到与水平测量分辨率相同的程度，即1/3000或1/4500场幅。

以前述等精度正交扫描视频分析技术为基础，本发明研制了一种散斑图等精度正交扫描视频分析仪。该仪器由光学系统、光电摄象、电子信号处理系统和计算机系统三大部分所组成。

图5为散斑图等精度正交扫描视频分析仪工作原理框图。如图所示。光学系统包括小功率He-Ne激光器（1），小孔滤波器（2），散斑片（3），反高斯分布的光强匹配补偿模板（4）和衍 射图样观察屏（5）。

光电摄象及电子信号处理系统包括电视摄象机（6），电子信号处理器（7），控制器（8）及图形显示器（9），电视摄象机（6）把观察屏上的衍射图象转换为一维的时序电信号，经过信号处理器的滤波、二值化、条纹精密定位等步骤，完成条纹信号的提取并转换为12位（bit）的数字信号。控制器负责协调电视摄象机和信号处理器等的同步关系，选择水平测亮与垂直测量工作状态及测量位置。此外，操作者可在图形显示器（9）上观察测量过程。

计算机系统包括专用数据接口（10），主机（11），打印机（12）和数据显示器（13），一般的微型计算机和APPLEⅡ、IBM    PC等均可满足系统的需要。送入计算机的数据为经过精密测定的条纹座标。所以在计算机内只需经过简单的运算就能够求得条纹的间距和与水平方向的夹角。计算机同时又是整个分析仪的控制中心，散斑图移位台（14），电视摄象机（6），电子信号处理器（7）等均在其统一指挥下协调工作。在计算机内得出的分析结果可供屏幕显示或存在磁盘（15）存储器内以供后续特殊要求的处理之用，或者由打印机以数据或曲线的形式打印输出。

散斑图上的条纹是淹没在大量的噪声背景中的。本发明采用了光学处理，电子处理及计算机处理的综合处理方法把条纹信息从噪声背景中提取出来。其具体方案如下：

光学处理原理如图5所示。

激光光源由He-Ne激光器（1）发出，经一个小孔滤波器（2）以滤除无用的杂光打在散斑片（3）上，其衍射晕由观察屏（5）接收。得到受散斑调制的杨氐条纹。由于图象光强的分布是中间亮边缘暗的高斯分布，因此接到的条纹是呈纺锤形的且中间亮边缘暗。为改善条纹质量，在观察屏（5）前加一反高斯分布的光强匹配补偿模板（4），该板透过率分布是照明高斯光束的反转（负片）。这样在观察屏上的衍射晕光强分布将是均匀的，从而消除背景扰动改善了条纹质量。使条纹的对比度提高且变形减少。

电子滤波处理，采用窄带跟踪滤波器，清除散斑噪声的干扰，实时得到信噪比很高的条纹波形。

图6为条纹处理系统框图。其中上方为条纹滤波部分。

条纹由摄象机摄取，变形了的一行行的视频信号。每一行信号均是以同步信号隔开，如图7a所示（图7为条纹信号波形图），其中的条纹信息反映在视频信号的电平起伏上，为研究一行（列）信号，用模拟门（图7a中虚框所示）截取其中一行（列），得到图7b所示的一行（列）信号。此信号含有大量噪声背景，其中有散斑颗粒引入的也有电子线路本身引入的。为除去噪声就必须滤波。

由于条纹频率（反映为条纹的根数）有一定的分布范围，为了得到窄带滤波结果，就必须使窄带滤波器中心频率与条纹频率一致，这就需要用跟踪滤波技术。本发明使用了鉴幅式窄带跟踪滤波器。

在跟踪滤波之前，对场信号进行了场带通滤波滤去一部分噪声，使信噪比达到一定的程度后再去窄带滤波以便于频率跟踪。这主要考虑到场信号比行信号的信噪比低许多，条纹信号几乎淹没于噪声背景之中，故场滤波加了一级宽带滤波。是由一高通滤波器与一个低通滤波器串联而成。

由于行、场信号的波形一致但频率不同，故分开处理，但滤波器除了跟踪频率范围不同外，其结构是一样的。

图8为鉴幅式滤波器原理框图，如图所示。

输入信号接到八下窄带滤波器的输入端，它们的输出分成两路，分别接到八选一多路开关和最大峰值检测器，前者在选通驱动信号的控制下，使八个窄带滤波器依次接通，后者则检测出各滤波器输出中最大的输出信号，另一方面也检测出其峰值来与最大峰值比较，二者相等时比较器输出一个控制信号把选通驱动信号固定住，这时输出信号Vo就始终保持是八个滤波器中输出最大的一路信号，也就是最佳滤波器滤波信号。

图9为八个窄带滤波器的电路原理图。

用4024八进制计数器控制两个多路开关论流接通各滤波器，用一片347作比较器，比较总信号的峰值与滤波后各路峰值，选出峰值最大者可得一高电平送返4024锁定。

通过锁定后的窄带滤波器的输出波形比原信号波形信噪比得到极大的提高，见图7c所示。由图7c可见，得到了与条纹频率对应的正弦波信号。

此正弦波信号表示散斑条纹的分布。本发明采用二值化数字计数电路直接确定该轮廓数据，为此 利用常规的电压比较器和阈值电平比较得到二值化信号（如图7d），再经边沿检测得到与条纹边缘对应的脉冲（如图7e）。这些脉冲的时间间隔对应于条纹的间距。用高频时钟脉冲（如图7f）对边缘脉冲插值，得到每个条纹边缘对应的数据n_i1、n_i2式中i为行数，1，2…为条纹边沿数列。对于行扫描情况，因行频为15.625^KHZ。如用60^MHZ时钟脉冲插值，每个脉冲周期相当1.3800行周期，即测量分辨率为1.3800有效视场。对于场扫描情况，因场频为50^HZ，则所需时钟频率为200^KHZ即可得到高于1/3800有效垂直视场的分辨率。

通过上述光电实时处理，得到条纹边缘位置数据。条纹间距的计算由计算机处理来完成。

图10为系统数据接口电路工作原理框图：

前述条纹边缘脉冲控制锁存器，锁存下条纹边缘数据ni    ni（图7f），该数据经微小时间延迟后打入选进先出寄存器暂存，最后通过缓冲器被计算机采入内存。该部分的电路实现见图11所示。

图11为系统数据接口电路图。

图12为条纹截距计算示意图。

图13为计算机处理框图。

计算机采入的是条纹位置一条纹边缘的数据，如图13所示。

先将条纹边缘数据逐两个求中心，得条纹中心数据

（如图12a），再将它们两两相减，得条纹间隔数据S_i＝n_i+1-n_i（如图12b），最后将所有此行的条纹间隔数据求平均，得平均条纹间隔S。

本仪器采用的是大量行（列）采样进行统计平均的方法，因而能得到高精度的结果。

本仪器还利用了二个电机控制两个二维工作平台带动干板移动，因而散斑片上各点均能测量，其总程序见图14。

图14为测量程序框图。

由上可见，通过实时的滤波及位置信息提取通过简单的统计运算便可快速高精度地得到满意的测量结果。

本发明的优点：

1.用较简单的光机电装置和低挡微型计算机就能实现散斑图的自动分析检测。

2.测量分辨率在水平和垂直方向均为1/3000有效视场或更高，测量条纹间距的精度为±2%，测量角度的精度为±1.5°，测量的重复性优于±1%。

3.较之数字图象处理方法，可避免大容量图象帧存器的使用，简化了计算机系统的硬软件配置，有用数值内存容量减少到1Kbit，同时简化了数据处理算法，使得数据处理所需内存空间减少到10Kbit左右，处理速度和精度都得到大幅度提高。

4.操作简便，直观、易于应用推广。

Claims (2)

1、一种散斑图像分析方法，其特征是用等精度正交扫描视频测量法测得散斑条纹的水平、垂直截距，再经过下述几何关系计算出条纹间的法向间距S和条纹倾角θ值，即

$\mathrm{s=}\frac{s_x{s}_y}{\sqrt{s^2{}_x{\mathrm{+s}}^2{}_y}}{\mathrm{\theta =tan}}^{\mathrm{-1}}\frac{s_y}{s_x}$

式中S_X，S_Y分别是散斑条纹的水平和垂直截距，在水平扫描测量之后进行一场阶梯型的连续垂直扫描，此时在场扫描过程中使行偏转电流保持一定值，使扫描光点在某一列位置上扫描出连续垂直线来，使行偏转电流作阶梯式改变，获得一组垂直扫描线。

2、一种由散斑图再现系统、光电摄象电子信号处理和计算机系统组成的散斑图象正交扫描视频分析仪，其特征是由H_e～N_e激光器产生激光束经小孔滤波器照射到散斑照片上并在观察屏上形成散斑条纹，观察屏上设置反高斯分布的光弹匹配补偿模板，透过模板的散斑条纹信号由光电摄象单元接收，摄象单元设置了控制水平垂直扫描方式转换的控制器，以实现等精度的正交扫描，所获得的电视信号通过设置有窄带跟踪滤波器和对条纹轮廓进行电子细分数字电路的电子信号处理器完成条纹水平垂直间距的测量，然后电子计算机实现法向间距和条纹倾角的计算最终实现散斑图象的综合分析。

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