CN102778207B - 一种结构件应力应变的测量方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构件应力应变的测量方法、装置及系统，用以实现对结构件的应力应变进行非接触式测量，该测量方法包括：当所述结构件被施加作用力时，不断获取至少两个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息；根据所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像；跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线；根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变。

Description

一种结构件应力应变的测量方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤指一种结构件应力应变的测量方法、装置及系统。

背景技术

具有一定形状结构，并能够承受载荷的作用的构件，称为结构件。如：支架、框架、臂架、内部的骨架及支撑定位架等。结构件制造完毕后，需进行性能测试，包括：结构件表面的应力应变测量。目前，都是在表面贴满应变片或者应变花，或者，在需要关注的断裂处安装机械式位移计来测量结构件的应力应变。

其中，通过在表面贴满应变片或者应变花进行测量时，其准备工作很繁琐，如果结构件上的测量点多，那么在上面贴数十个甚至几百个应变片式很大的劳动强度。并且，对于结构件的焊接处，由于其表面不平，不能通过贴应变片或者应变花进行测量。

通过机械式位移计进行测量时，该位移计的测量触点会在因为结构件发生扭曲变形而与结构件滑落，无法进行后续测量。

可见，现有的应力应变测量都是接触式的测量，很难对结构件上的每一个测量点都进行应力应变的测量。

发明内容

本发明实施例提供一种结构件应力应变的测量方法、装置及系统，用以实现对结构件的应力应变进行非接触式测量，提高结构件性能测试的应用范围。

本发明实施例提供的一种结构件应力应变的测量方法，包括：

当所述结构件被施加作用力时，不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息；

根据所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像；

跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线；

根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变；

其中，所述将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像包括：

对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正；

根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准；

将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹；

输出拼接完成的整体图像。

本发明实施例提供的一种结构件应力应变的测量装置，包括：

获取单元，用于当所述结构件被施加作用力时，不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息；

拼接单元，用于根据所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像；

跟踪单元，用于跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线；

形变单元，用于根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变；

所述拼接单元，具体用于对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正，根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准，将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹，输出拼接完成的整体图像。

本发明实施例提供一种结构件应力应变的测量系统，包括：

多个图像采集装置，用于当所述结构件被施加作用力时，不断对结构件上标识的标记点采集图像；

测量装置，用于不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息，根据所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像，跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线，根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变；

所述测量装置，具体用于对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正，根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准，将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹，输出拼接完成的整体图像。

本发明实施例提供的结构件应力应变的测量方法、装置及系统，在结构件被施加作用力时，使用多个图像采集装置不断对结构件上标识的标记点采集图像，这样，测量装置可不断获取采集的图像，并确定图像上每个像素点的位置信息，将多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像，跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线，最后，根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变，实现了结构件应力应变的测量。本发明实施例使用非接触测量的方式，不需要在结构件上安装额外的测量仪器和设备，就能够实现对体积较大的结构件应力应变的测量，测量方式简单、方便，测量精度较高，并且，对于结构件上的焊接处，以及结构件发生扭曲变形时，也可进行应力应变的测量，提高了结构件性能测试的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例中结构件应力应变的测量系统示意图；

图2为本发明实施例中结构件应力应变测量的流程图；

图3为本发明实施例中图像采集装置的标定示意图；

图4为本发明实施例中结构件应力应变的测量装置的结构图；

图5为本发明实施例中结构件应力应变的测量系统的架构图；

图6为本发明实施例中无线传输系统的示意图；

图7为本发明实施例中远端设备的数据传输过程。

具体实施方式

本发明实施例中，采用非接触式测量实现对结构件的应力应变测量，即当结构件被施加作用力时，使用两个或多个图像采集装置不断对结构件上标识的标记点进行采集，测量装置可获得采集的图像，并确定采集的图像上每个像素点的位置信息，将两个或多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像后，跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线，最后，根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变。这样，对于结构件上的焊接处，以及结构件发生扭曲变形时，也可进行应力应变的测量，提高了结构件性能测试的应用范围。

下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种结构件应力应变的测量方法、装置及系统的具体实施方式进行说明。

参见图1，本实例中结构件上标识有多个标记点，标记点可以是十字丝、圆形、对角圆、标记点编码点等类型，图1中标记点为十字丝。然后，在结构件周边安装多个图像采集装置，使得每一标记点能在多个图像采集装置的视场中完全成像。这里，图像采集装置为CCD相机。测量装置与每个图像采集装置连接，获取图像采集装置采集到的图像，并进行对应的图像处理，最终获得每个标记点在结构件被施加作用力时产生的形变。

当然，该系统还包括：光源，便于图像采集装置的图像采集。在该测量系统中，结构件应力应变的测量过程如图2所示，包括：

步骤201：当结构件被施加作用力时，测量装置不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定采集到的图像上每个像素点的位置信息。

本发明实施例中，当结构件被施加作用力时可同时启动多个图像采集装置进行图像采集。位置信息包括：世界坐标系下的三维坐标。

步骤202：测量装置根据采集到的图像上每个像素点的位置信息，将多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像。

步骤203：测量装置跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线。

步骤204：测量装置根据每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在结构件被施加作用力时产生的形变。

下面分别对上述各步骤分别进行详细说明。

发明实施例提供的结构件应力应变的测量方法中的步骤201中，由于结构件由多部分焊接而成，可以在各部分需要测量的位置上，设置标记点，并且，由于结构件体积庞大，为了测量的方便，需要使用多个图像采集装置分别对结构件进行拍摄。

每个图像采集装置采集到每帧图像上，每个像素点都有图像坐标系下二维坐标，须将这些二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标，即确定采集到的图像上每个像素点的位置信息包括：

根据预先确定的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，将图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标，较佳地，将每帧图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标。

而本实例中，图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，通过图像采集装置的标定过程来确定。

图像采集装置标定过程可采用非接触式测量中的图像采集装置标定方法，非接触式测量是基于双目立体视觉测量原理，该原理是基于视差，根据三角法原理进行三维信息的获取，由两个图像采集装置的图像平面和标定物之间构成一个三角形。首先以标定物为参照物，标定出一个图像采集装置的内外参数，然后以该图像采集装置和标定物为参照物，标定出另一个图像采集装置的内外参数。

以两个图像采集装置为例，具体标定过程如下：

(1)设置标定物，具体包括：打印一张模板，模板以固定间距组成的若干个十字丝组成，并将该模板并贴在一个平板上，将贴有模板的平板放置到两个图像采集装置的共同视场中，其位置信息已知。

(2)两个图像采集设备从不同角度拍摄若干张(大于或等于3张)模板图像；

(3)检测每幅图像中的目标点(例如十字丝中心)；

(4)根据标定公式，分别获得两个图像采集设备的内部参数以及外部参数；

一般来说，图像采集设备的内外参数包括：比例系数、有效焦距、主点、平移矩阵和旋转矩阵。在图像采集装置标定方法中，可先根据标定物，利用标定公式，标定一个图像采集设备，然后根据标定物，以及该图像采集设备来标定另一个图像采集设备。其中，标定公式即计算上述内外参数的过程，具体来说包括下述四个方面：(1)旋转矩阵 $R=\left[\begin{array}{c}{r}_1{r}_2{r}_3\\ r_4{r}_5{r}_6\\ r_7{r}_8{r}_9\end{array}\right],$ 平移矩阵 $T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$ 的计算，具体计算过程属于现有技术，在此不再赘述；(2)确定图像采集设备主点，主点是图像的中心，可以近似为图像的中心坐标值；(3)图像采集设备比例系数的标定：以十字形状标记为例，事先用尺量好十字标记的长和宽，然后在计算机上计算十字图像长和宽所占的像素点，最后换算成一个像素点代表多大的实际物理尺寸；(4)有效焦距的计算：根据成像原理，当物距远大于相距的时候，焦距F＝物距V(可以近似为镜头到物体的距离)，在相机放置时候，该数值用卷尺可以量出。

(5)根据旋转矩阵和平移转换矢量，获得两个图像采集装置共同视场中某个点的三维坐标的表达式，该表达式表征了目标点在图像中的二维坐标与该目标点的三维坐标之间的转换关系。

如图3所示，假设两个图像采集装置分别为左右两个摄像机。其中，o-XYZ是左摄像机的世界坐标系，O1-X₁Y₁为左摄像机的图像坐标系，f₁为左摄像机的有效焦距；Or-x_r y_r z_r为右摄像机的世界坐标系，f_r为右摄像机的有效焦距。

由现有的摄像机透视变换模型可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{x}_r\\ y_r\\ z_r\end{array}\right]=\mathrm{MRT}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1{r}_2{r}_3{t}_x\\ r_4{r}_5{r}_6{t}_y\\ r_7{r}_8{r}_9{t}_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$   (公式1)

上式中，MRT＝[R T]；且 $R=\left[\begin{array}{c}{r}_1{r}_2{r}_3\\ r_4{r}_5{r}_6\\ r_7{r}_8{r}_9\end{array}\right],T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]$ 分别为O-x y z坐标系与Or-x_r y_rz_r坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵。其中，

r₁＝cos A_Y cos A_Z-sin A_Y sin A_X sin A_Z

r₂＝cos A_x sin A_Z

r₃＝sin A_Y cos A_Z+sin A_Y sin A_X sin A_Z

r₄＝-cos A_Y sin A_Z-sin A_Y sin A_X cos A_Z

r₅＝cos A_X cos A_Z

r₆＝-sin A_Y sin A_Z+cos A_Y sin A_X cos A_Z

r₇＝-sin A_Y cos A_X

r₈＝-sin A_X

r₉＝cos A_Y cos A_X

上述公式中的A_X，A_Y，A_Z分别为在世界三维坐标系下，A_X为标定过程中拍摄的目标点相对于X轴的倾斜角，A_Y为该目标点相对于Y轴的倾斜角；A_Z为该目标点相对于Z轴的倾斜角。这三个角度可以通过安装在固定摄像机的平台上的角度传感器测得。

较佳地，在本发明实施例中，由于所需求得的结构件变形量(结构件变形量通过结构件上同一个标记点在结构件被施加作用力的过程中位置变化量确定)是相对量而不是绝对量，而平移矩阵的意义是计算世界坐标系原点移动至图像坐标系原点的平移量，相当于是做坐标平移，因此，在具体标定过程中，可以不需要按照现有平移矩阵的计算方式来计算出平移矩阵的具体数值，而将其整体直接作为零值考虑，即: $T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]=0.$

将 $T=\left[\begin{array}{c}{t}_x\\ t_y\\ t_z\end{array}\right]=0$ 代入上述公式1，变为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_r\\ y_r\\ z_r\end{array}\right]=\mathrm{MRT}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{r}_1{r}_2{r}_3\\ r_4{r}_5{r}_6\\ r_7{r}_8{r}_9\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$

在本发明实施例中，由于图像采集设备成像时不一定是水平正对着结构件的，所以会有相对于结构件的姿态角A_X,A_Y,A_Z，因此较重要是需要在标定过程中把目标点的姿态角反算成水平状态下的坐标。而平移矩阵只是坐标系的平移，坐标原点不同而已，在本发明实施例计算结构件的变形量这种相对量时可以不需完成平移矩阵具体数值的计算，直接将其设置为0即可。

由此可以计算出像素点的三维坐标(x，y，x)表达式，即图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系为：

x＝zX₁/f₁

y＝zY₁/f₁

$z=\frac{f_1(f_r*t_x-X_r*t_z)}{X_r(r_7{X}_1+r_8{Y}_1+f_1*r_9)-f_r(r_1*X_1+r_2*Y_1+f_1*r_3)}$

其中，该像素点可为标记点上的一个像素点，以左相机采集到的一幅图片为例，在图像中有一个标记点，即可为该标记点上的一个像素点，在左相机中的二维坐标为(X₁，Y₁)。如果像素点在右相机中的二维坐标为(Xr，Yr)，那么上式中x＝zXr/fr；y＝zYr/fr，z的计算公式与上式相同。

本发明实施例并不限于使用上述标定方法，还可以使用现有技术中其他类似的基于双目立体视觉测量原理的图像采集装置标定方法来确定图像中的二维坐标与该目标点三维坐标之间的转换关系。

在上述步骤202中，将多个图像采集装置同时拍摄的图像拼接为一帧整体图像，具体可以通过下述步骤实现：

对多个相机同时拍摄的图像分别进行几何校正；

对几何校正后的各图像进行图像配准；

将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹；

输出拼接完成的整体图像。

其中，图像配准是一种确定待拼接图像间的重叠区域以及重叠位置的技术。本发明实施例采用的是基于特征点的图像配准方法，具体包括：

利用模型参数估计(RANdom SAmple Consensus，RANSAC)算法将第一图像以及第二图像中的误差大的像素点剔除，其中，第一图像以及第二图像分别为相邻两个图像采集装置同时采集到的图像；

将第一图像中保留的每个像素点的位置信息与第二图像中保留的每个像素点的位置信息进行匹配；

当第一图像中第一像素点与第二图像中的第二像素点之间的距离小于设定值时，将第一像素点和第二像素点确定为特征点；

根据确定的特征点配准第一图像和第二图像。

其中，所述设定值较佳为欧式距离，即较佳地，第一像素点与第二像素点之间的距离小于欧式距离。此处的欧式距离设定值计算方法为：两个相机里面分别对各自图像中任意一个标记点计算欧式距离，公式为：

其中，n为标记点的像素个数，即利用标记点的图像坐标系x值，前一个像素的x坐标值减后一个像素的x坐标值在累加，每两个相减再累加，一直加完为止，然后开根号。利用这个公式可以计算出两个相机中的两个标记点图像的欧式距离。虽然是在相同的环境下相机成像，但是这两个相机成像的清晰度还是会有不同。因此采用这两个欧式距离的平均值作为设定值。

上述步骤203跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，具体可采用均值滤波(mean shift)跟踪算法，即均值偏移跟踪算法。采用这种方法是因为结构件比较大，而且作业现场环境复杂，不仅会有遮挡现象，而且随着结构件大角度转动，贴在上面的标记点成像会发生大小、扭转等变化；图像采集装置会直接对着阳光等复杂情况成像等。这些情况下，多目标跟踪可能会出现丢失、遮挡以及因为目标点图像变形而发生跟踪误差，这种误差会传递到测量结果上，加大测量误差。所以在这种工况下，该均值偏移跟踪算法具有对边缘遮挡、目标旋转、变形以及光照变化不敏感等优点。在本发明实施例中，采用均值偏移跟踪算法，获得每个标记点在每帧整体图像上的位置信息。

这样，跟踪标记点移动的位置，从而得到每个标记点在每帧整体图像上的位置信息后，就可获得每个标记点的运动轨迹曲线；从而，根据每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在结构件被施加作用力时产生的形变。例如：标记点1在第一帧整体图像上的位置信息为(X₁，Y₁，Z₁)，在第一帧整体图像上的位置信息为(X₂，Y₂，Z₂)，则该标记点1此时在作用力下产生的形变是三维的分别为：ΔX＝X₂-X₁，ΔY＝Y₂-Y₁，和ΔZ＝Z₂-Z₁。可见，由于标记点在每帧整体图像上的位置信息是世界坐标系下三维坐标，因此，获得形变也是三个方向的，即测量的形变包括：X，Y，Z三维的位移变化量。

本发明实施例中，测量装置获取到每个标记点在结构件被施加作用力时产生的形变后，可将获取到的数据发送给远端的设备。这里，可通过无线传输的模式，将获取到的数据发送给远端的设备。

根据上述结构件应力应变的测试过程，其具体的结构件应力应变的测量装置参见图4，具体包括：获取单元410、拼接单元420，跟踪单元430以及形变单元440，其中，

获取单元410，用于当所述结构件被施加作用力时，不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定图像上每个像素点的位置信息。

拼接单元420，用于根据图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像；

跟踪单元430，用于跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线。

形变单元440，用于根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变。

其中，获取单元410，具体用于根据预先确定的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，将所述每帧图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标；

则该装置还包括：

标定单元，用于对所述每个图像采集装置分别进行标定，获取每个图像采集装置的内外参数，根据每个图像采集装置的内外参数中的旋转矩阵和平移转换矢量，确定图像坐标系下二维坐标转换成世界坐标系下三维坐标的表达式。

拼接单元420，用于对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正，根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准，将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹，输出拼接完成的整体图像。

拼接单元420，具体用于利用RANSAC算法将第一图像以及第二图像中的误差点剔除，其中，所述第一图像以及所述第二图像分别为相邻两个图像采集装置同时采集到的图像，将所述第一图像中每个像素点的位置信息与所述第二图像中每个像素点的位置信息进行匹配，当所述第一图像中第一像素点与所述第二图像中的第二像素点之间的距离小于设定值时，将所述第一像素点和所述第二像素点确定为特征点，根据确定的特征点配准所述第一图像和所述第二图像。

跟踪单元430，具体用于采用均值偏移跟踪算法，获得每个标记点在每帧整体图像上的位置信息。

由于测量装置可将获取到的数据发送给远端的设备。因此，该测量装置还包括：无线传输单元，用于将获得每个标记点在结构件被施加作用力时产生的形变发送给远端的设备。

本发明实施例中的结构件应力应变的测量系统，如图5，包括：多个图像采集装置100和测量装置200，其中，

多个图像采集装置100，用于当所述结构件被施加作用力时，不断对结构件上标识的标记点采集图像。

测量装置200，用于不断获取多个图像采集装置100对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定图像上每个像素点的位置信息，根据确定的图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像，跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线，根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变。

所述测量装置200，用于根据预先确定的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，将所述每帧图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标。

由于需要预先确定每个图像采集装置的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，因此，测量装置200，还用于对所述每个图像采集装置分别进行标定，获取每个图像采集装置的内外参数，，根据每个图像采集装置的内外参数中的旋转矩阵和平移转换矢量，确定图像坐标系下二维坐标转换成世界坐标系下三维坐标的表达式。

测量装置200，用于对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正，根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准，将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹，输出拼接完成的整体图像。

在图像配准过程中，测量装置200，具体用于利用RANSAC算法将第一图像以及第二图像中的误差点剔除，其中，所述第一图像以及所述第二图像分别为相邻两个图像采集装置同时采集到的图像，将所述第一图像中每个像素点的位置信息与所述第二图像中每个像素点的位置信息进行匹配，当所述第一图像中第一像素点与所述第二图像中的第二像素点之间的距离小于设定值时，将所述第一像素点和所述第二像素点确定为特征点，根据确定的特征点配准所述第一图像和所述第二图像。

测量装置200，具体用于采用均值偏移跟踪算法，获得每个标记点在每帧整体图像上的位置信息。

由于测量装置可将获取到的数据发送给远端的设备。则测量装置还通过无线传输，将获得每个标记点在结构件被施加作用力时产生的形变发送给远端的设备。

此时，该结构件应力应变的测量系统还包括：无线传输系统。

参见图6，该无线传输系统中，包括：测量装置和远端设备，其中，测量装置包括：嵌入式系统和第一无线传输单元，该嵌入式系统包括：单片机、ARM或者，DSP，可通过无线传输单元将获得的形变发送给远端设备。

远端设备包括第二无线传输单元和PC机。PC机通过无线传输模块向嵌入式系统发送指令，例如：控制无线传输模块的收/发状态转换。

本发明实施例中，无线传输系统设计分为硬件设计和软件设计。其中，硬件设计方案包括：就嵌入式系统而言，可以采用单片机，ARM，DSP。而无线传输单元和嵌入式系统的串口相连。

就PC机端而言，由于无线传输单元支持TTL电平，而计算机串口串行输入、输出的信号满足RS-232标准，所以需要在无线传输单元和计算机串口之间进行RS-232和TTL电平的转换。

本发明实施例中采用PTR2000无线数据传输模块，嵌入式系统采用本较低的AT89C52单片机系统。

PC机和PTR2000模块的接口电路较为简单，PC机的串行口支持RS-232标准，而PTR2000模块支持TTL电平，因此，它们之间的信号需要经过电平转换。

软件设计方案：

单片机(嵌入式系统)和无线数据传输模块PTR2000的数据传输步骤包括：

(1)单片机端一开始需将无线数据传输模块PTR2000设置处于接收状态，通过串口中断来识别由PC机通过无线信道传送过来的指令；

(2)根据接收指令的内容来决定采集数据并且启动发送。

(3)发送之前需将PTR2000模块设置为发射状态，而且至少需等待3ms的时间才可发送。

(4)发送完毕后，向PC机端发送“发送完毕”指令，然后将PTR2000模块重设为接收状态

PC机和无线数据传输模块PTR2000的数据传输步骤参见图7，包括：

步骤701：PC机将串口初始化。

步骤702：PC机等待控制命令。

步骤703：PC机等待数据编码和校验。

步骤704：打开才串口发送控制命令。

步骤705：接收返回的数据。

步骤706：返回的数据是否正确，若正确，返回步骤702，否则，返回步骤704，重新获取数据。

由此可见，该测量系统还包括：远端设备，用于通过无线传输，接收测量装置发送的形变。

本发明实施例中，采用非接触式测量实现对结构件的应力应变测量，不需要在结构件上安装额外的测量仪器和设备，就能够实现对体积较大的结构件应力应变的测量，测量方式简单、方便，测量精度较高，并且，对于结构件上的焊接处，以及结构件发生扭曲变形时，也可进行应力应变的测量，提高了结构件性能测试的应用范围。

并且，测量准备工作简单，只需要在结构件的需测部位标识标记点，在结构件周围放置若干图像采集设备就可以。免去了在结构件上贴应力应变片的繁重工作；由于结构件在受到挤压、拉伸时会发生扭曲甚至折断，非接触测量安全性高，人员可以远离危险区；

另外，由于机械式位移计只能从测量垂直方向的位移，而本发明中实施例中，测量的形变包括：X，Y，Z三维的位移变化量。本发明实施例中还具备无线传输数据功能，该功能可以使测量人员原理危险工作区域，使之既能完成测量工作，又能有效保证实验人员安全。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种结构件应力应变的测量方法，其特征在于，包括：

当所述结构件被施加作用力时，不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息；

根据所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像；

跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线；

根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变；

其中，所述将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像包括：

对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正；

根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准；

将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹；

输出拼接完成的整体图像。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述图像上每个像素点的位置信息包括：

根据预先确定的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，将所述图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标；

其中，所述图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，通过下述方式确定：

对所述每个图像采集装置分别进行标定，获取每个图像采集装置的内外参数；

根据每个图像采集装置的内外参数中的旋转矩阵和平移转换矢量，确定图像坐标系下二维坐标转换成世界坐标系下三维坐标的表达式。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对几何校正后的各图像进行图像配准包括：

利用模型参数估计RANSAC算法将第一图像以及第二图像中的误差大的像素点剔除，其中，所述第一图像以及所述第二图像分别为相邻两个图像采集装置同时采集到的图像；

将所述第一图像中保留的每个像素点的位置信息与所述第二图像中保留的每个像素点的位置信息进行匹配；

当所述第一图像中第一像素点与所述第二图像中的第二像素点之间的距离小于设定值时，将所述第一像素点和所述第二像素点确定为特征点；

根据确定的特征点配准所述第一图像和所述第二图像。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息包括：

采用均值偏移跟踪算法，获得每个标记点在每帧整体图像上的位置信息。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变后，该方法还包括：

通过无线传输，将所述形变发送给远端设备。

6.一种结构件应力应变的测量装置，其特征在于，包括：

获取单元，用于当所述结构件被施加作用力时，不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息；

拼接单元，用于根据所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像；

跟踪单元，用于跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线；

形变单元，用于根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变；

所述拼接单元，具体用于对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正，根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准，将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹，输出拼接完成的整体图像。

7.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，

所述获取单元，具体用于根据预先确定的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，将所述每帧图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标；

则该装置还包括：

标定单元，用于对所述每个图像采集装置分别进行标定，获取每个图像采集装置的内外参数，根据每个图像采集装置的内外参数中的旋转矩阵和平移转换矢量，确定图像坐标系下二维坐标转换成世界坐标系下三维坐标的表达式。

8.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，

所述拼接单元，具体用于利用模型参数估计RANSAC算法将第一图像以及第二图像中的误差大的像素点剔除，其中，所述第一图像以及所述第二图像分别为相邻两个图像采集装置同时采集到的图像，将所述第一图像中保留的每个像素点的位置信息与所述第二图像中保留的每个像素点的位置信息进行匹配，当所述第一图像中第一像素点与所述第二图像中的第二像素点之间的距离小于设定值时，将所述第一像素点和所述第二像素点确定为特征点，根据确定的特征点配准所述第一图像和所述第二图像。

9.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，

所述跟踪单元，具体用于采用均值偏移跟踪算法，获得每个标记点在每帧整体图像上的位置信息。

10.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，还包括：

无线传输单元，用于通过无线传输，将所述形变发送给远端设备。

11.一种结构件应力应变的测量系统，其特征在于，包括：

多个图像采集装置，用于当所述结构件被施加作用力时，不断对结构件上标识的标记点采集图像；

测量装置，用于不断获取多个图像采集装置对结构件上标识的标记点采集的图像，并确定所述图像上每个像素点的位置信息，根据确定的所述图像上每个像素点的位置信息，将所述多个图像采集装置同时采集的图像拼接为一帧整体图像，跟踪每帧整体图像上每个标记点的位置信息，获得每个标记点的运动轨迹曲线，根据所述每个标记点的运动轨迹曲线，获得每个标记点在所述结构件被施加作用力时产生的形变；

所述测量装置，具体用于对所述多个图像采集装置同时采集的图像分别进行几何校正，根据每帧图像上每个像素点的位置信息，对几何校正后的各图像进行图像配准，将图像配准后的各图像进行融合，消除拼接痕迹，输出拼接完成的整体图像。

12.如权利要求11所述的测量系统，其特征在于，

所述测量装置，用于根据预先确定的图像坐标系下二维坐标与世界坐标系下的三维坐标的转换关系，将所述每帧图像上每个像素点的二维坐标转换为对应的三维坐标；

还用于对所述每个图像采集装置分别进行标定，获取每个图像采集装置的内外参数，根据每个图像采集装置的内外参数中的旋转矩阵和平移转换矢量，确定图像坐标系下二维坐标转换成世界坐标系下三维坐标的表达式。

13.如权利要求12所述的测量系统，其特征在于，

所述测量装置，具体用于利用模型参数估计RANSAC算法将第一图像以及第二图像中的误差点剔除，其中，所述第一图像以及所述第二图像分别为相邻两个图像采集装置同时采集到的图像，将所述第一图像中每个像素点的位置信息与所述第二图像中每个像素点的位置信息进行匹配，当所述第一图像中第一像素点与所述第二图像中的第二像素点之间的距离小于设定值时，将所述第一像素点和所述第二像素点确定为特征点，根据确定的特征点配准所述第一图像和所述第二图像；

以及具体用于采用均值偏移跟踪算法，获得每个标记点在每帧整体图像上的位置信息。

14.如权利要求11所述的测量系统，其特征在于，

所述测量装置，还用于通过无线传输，将所述形变发送给远端设备；

则所述系统还包括：

远端设备，用于通过无线传输，接收所述形变。