CN102840829A - 基于人工标记的高温物体面内位移场的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于人工标记的高温物体面内位移场的测量系统及方法，该系统包括用于分析的计算机、面阵激光器系统、数字工业相机、远心镜头、窄带滤波片、可调式衰减片和相机支架；其中，数字工业相机和面阵激光器系统分别安装在支架上，数字工业相机位于所述面阵激光器系统和被测物体之间，数字工业相机通过数据线与计算机连接，远心镜头、窄带滤波片和可调式衰减依次安装数字工业相机前端。本发明可以得到1500℃以内的高温物体的清晰图像并对高温物体不同温度和外载荷下的位移进行非接触测量，测量精度可达0.01像素。它携带方便、操作简单、抗干扰能力强、测量精度高。

Description

基于人工标记的高温物体面内位移场的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式位移测量技术，特别涉及一种高温环境下物体表面位移场的非接触式测量系统及方法，属于工程材料力学测量、光学测量、构件变形、位移测量范围。

背景技术

现代大型设备中有很多承载部件工作在高温环境下，这些部件能否连续，稳定地工作直接影响到整个系统的正常工作。一旦这些承载部件失效，不仅造成系统的损坏，还可能引起严重的生产事故，危害人身安全。一般来说，高温对材料或结构的影响主要体现在两个方面:(1)温度会影响材料的物理性能和力学性能。例如材料的高温力学性能不同于室温，因而测定这些材料在高温环境下的力学参数(如弹性模量、强度极限和热膨胀系数等)对于材料和结构的安全设计、可靠性评定及寿命预测都具有重要意义；(2)温度会使构件的几何形状发生改变(即所谓的热变形)，在高温下构件的几何形状偏离理想的设计状态从而影响构件原有的工作状态，产生的变形可能破坏原有结构，造成事故。在对材料结构的高温力学性能进行测试时，如何精确测量被测物体在高温环境下的表面变形就成为材料高温力学性能测试中最为关键的问题。此外，直接测量由温度变化引起的热变形对于材料的热膨胀系数测定以及确定构件热变形后的形状也至关重要。为了更好地认识检测材料的力学行为, 研究其在外载荷作用下的变形破坏过程及损伤演化规律,需要对材料的全场变形进行测量。

现有的测量技术分为接触式和非接触式测量，在高温条件下的接触式测量多采用高温电阻应变片，该方法存在不能进行实时测量、测量误差大、操作繁琐、工人劳动量较大等缺陷，使其在很多领域和场合的使用受到限制等诸多缺陷。

数字图像相关方法是对变形前后采集的物体表面的两幅图像(散斑场)进行相关处理，以实现物体变形场的测量的方法。相关系数：两幅图像的数据之间相关程度的指标；相关计算：对图像数据之间相关程度指标(相关系数)的计算过程。数字图像相关方法的光源可以是白光也可以是激光，散斑可以是激光形成的也可以是人工散斑或者某些自然纹理等，在测量范围上也可自由变化，仅与摄像机像素及视场大小有关，更适用于大变形或微变形的测量。数字图像相关方法在具体计算过程中分为两个阶段：(1)整像素搜索过程，此过程是整个系统计算快慢的关键，现技术分为两大类，即空间搜索法和频域搜索法。空间搜索法是容易理解的方法，此方法有很多，如牛顿-拉婓逊偏微分修正方法、十字搜索法、爬山搜索法、遗传算法、小波多级分解算法；频域搜索方法依据卷积定理而得，它只需先算出各自的频谱，然后相乘，在求其反变换，即可得到相关数据，避免了空间搜索法的反复搜索过程。(2)亚像素搜索过程，亚像素搜索过程是提高测量精度的主要手段，可以分为对灰度值或者对相关系数进行插值(拟合)两大类。

数字图像相关方法作为固体实验力学领域材料表面变形场测量的一种非接触式方法与其它技术相比具有全场测量、非接触、光路相对简单、测量视场可以调节、不需要光学干涉条纹处理、可适用的测试对象范围广、对测量环境无特别要求等突出的优点。

采用光学成像技术对高温物体进行测量主要存在三个方面的困难，包括物体高温黑体辐射，当物体温度高于一定温度时，其辐射会使采集到的图像出现饱和；物体表面高温氧化，导致人工制斑氧化，从而无法进行相关分析；由于高温环境使周围空气汽化，影响光的折射率等因素，影响测量精度。本发明采用单色光与窄带滤波和可调式衰减片相配合的方法，有效的解决了图像饱和的影响，采用耐高温的黑、白墨制作成人工标记斑点，解决了斑点氧化的问题，在整像素计算部分采用频域相关计算方法，减少了噪声的影响，加快了计算的速度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是精确的测量在温度的变化过程中物体表面的位移场的基于人工标记的高温物体面内位移场的测量系统及方法。

本发明的技术方案是：基于人工标记的高温物体面内位移场的测量系统，该系统包括用于分析的计算机、面阵激光器系统、数字工业相机、远心镜头、窄带滤波片、可调式衰减和支架；其中，所述数字工业相机和面阵激光器系统分别安装在所述支架上，所述数字工业相机位于所述面阵激光器系统和被测物体之间，所述数字工业相机通过数据线与所述计算机连接，所述远心镜头、窄带滤波片和可调式衰减依次安装所述数字工业相机前端。

进一步，所述窄带滤波片为532nm波段窄带滤波片。

进一步，所述可调式衰减片选择普通摄影所用可调式衰减片。

进一步，所述面阵激光器系统选择532nm波段激光器。

本发明的另一目的是提供上述系统的测量方法，首先，安装连接好各部件，将摄像机摆放在被测物体的正前方，面阵激光器摆放在最佳的照明位置，调节摄像机与被测物体的距离，使其得到最清晰的图像，物距可根据所用的远心镜头的焦距而定，调节衰减片，使得摄像机所得图像亮度相对稳定。

该方法的具体操作步骤为：

1）.在被测物体要测量部分采用黑白的耐高温墨做人工标记，避免高温使人工标记图像氧化掉,涂抹耐高温墨前清理净物体表面，先均匀涂上白色墨，待白色墨微干后，随机涂黑色墨，黑色墨涂的位置选择在要测量位移场的各个点附近，黑色墨涂成不规则斑点形状，大小根据远心镜头焦距而定，即斑点大小为半径为4-8个像素；按照测量要求，将被测物体至于测量图像采集系统正前方,调节激光器的位置使光照均匀；

2）.通过图像采集系统采集物体变化之前图像P₁，在图像P₁的要测量位移场范围内选定若干正方形子区域M_i(i=1……n)作为对图像数据之间相关程度指标的计算过程的模板，选定子区域的个数n及位置以保证位移场描述为准；

3）.通过图像采集系统采集物体变化之后的图像P₂，对图像P₂进行快速傅里叶变换得数据矩阵p₂[u,v]；

4）.采用傅里叶变换相关定理计算相关系数，在步骤2中的选定的若干子区域中选定一个子区域M_i，记录该子区域左上角的像素坐标(x_i,y_i)，对该子区域图像数据进行快速傅里叶变换，之后取共轭得到数据矩阵m_i[x,y]；

5).对m_i[x,y]和p₂[u,v]做点乘运算，之后做傅里叶反变换，取傅里叶反变换结果的实部，根据傅里叶变换相关定理，此步结果即得到空间域内的相关系数二维分布矩阵c[u,v]；

6).从步骤5得到的相关系数二维分布矩阵内c[u,v]逐点搜索相关系数的最大值，记录相关系数最大值点的空间坐标(u_i,v_i)；

7).以步骤得4中的(x_i,y_i)为中心取41×41像素大小的子区域                                                

作为亚像素计算的模板；

8）.在步骤6得到点(u_i，v_i)的u、v两个方向±2个像素点上与模板

做标准协方差相关计算，得到u、v两个方向各5个相关系数；

9）.对步骤8得到的各点相关系数取对数；

10）.对步骤9的结果做u、v两个方向的五点插值运算，进一步得到亚像素精度下的相关系数最大值，记录亚像素坐标；

   11）.将步骤6所得坐标(u_i,v_i)与步骤10所得坐标

相加之后，减去步骤4)记录的初始坐标(x_i,y_i)，即可得到步骤(4)所选区域左上角像素点(x_i,y_i)的位移值(△x,△y),即 

  ；                            

12）.重复步骤4-11，其中步骤5中p₂[u,v]计算可以沿用第一次计算所得结果，得到各点位移值，形成位移场描述。

进一步，所述步骤2中的所述子区域M_i的大小为41×41像素大小，区域中心选在图像灰度变化频率大的区域。

进一步，所述步骤4中的对M_i进行的傅里叶变换为对M_i添0扩充到2^N(N>8)像素大小后再进行傅里叶变换。

进一步，所述步骤2和步骤3中采集图像P₁、P₂的区域为2^N(N>8)像素大小的正方形区域，区域的大小可以根据所需计算位移场的范围选定。

进一步，所述步骤8中所做相关计算的计算公式采用标准协方差公式如下： 

    (1) 式中，(u，v)为对应点x，y方向上的位移；c(u,v)表示该点的相关系数；I₁(x，y)与I₂(x+u，y+v)分别为移动前和移动后的图像中各点的像素灰度值，

与分别为移动前和移动后计算子区域的平均灰度值，其中，m=2M+1。

本发明的优点：(1)全场测量，计算速度快、精度高。

    根据所选的远心镜头，可以在成像范围内实现全场测量，算法采用图像相关系数插值方法理论精度可以达到0.01像素，根据镜头的焦距，可以测量精度与测量范围。在高精度大范围测量时可以采用多个相机，分范围测量。

(2) 抗干扰能力强。

    不同的温度环境下采集的图像灰度值一直处在变化的过程中，本发明，分别采用面阵激光器配合低频段窄带滤波、可调试衰减片的光方法，以及相关计算这样的统计方法，有效的减少不同温度下的外界干扰。

(3) 结构简单，操作方便。

     本发明主要由计算机、相机及其镜头系统、面阵激光器系统三大部分组成，各个部分便于携带。镜头采用远心镜头，省去标定的繁琐过程，便于定焦且减少了被测物与相机不完全垂直而带来的面内误差。

附图说明：

图1为本发明的测量系统示意图。

图2为高温墨制作的人工标记斑点示意图。

图3为相关系数分布示意图。

图4为整像素相关点即附近点处的相关系数图。

图5为整像素相关点附近X轴单向的相关系数图。

图6为532nm窄带滤波片的透射光谱曲线。

图7为本发明测量方法的流程框图。

图1中：

1．计算机；2. 面阵激光器系统；3.数字工业相机；4.远心镜头；5.窄带滤波片；6.可调式衰减片；7.支架；8. 被测物体。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

1、图像采集系统的光学处理部分：

（1）按照图1所示将数字工业相机、远心镜头、可调式衰减片、窄带滤波片，通过螺纹按照成一整体。调节数字工业相机与被测物体的距离，使其得到最清晰的图像，物距可根据所用的远心镜头的焦距而定。

（2）将数字工业相机安装在支架上，通过数据线与计算机相连。

（3）将数字工业相机摆放在被物体整前方，调节数字工业相机与被测物体的距离，使其得到最清晰的图像，物距可根据所用的远心镜头的焦距而定。

（4）将面阵激光器系统摆放在相机后方，调节面阵激光器系统位置，使光照均匀。

（5）调节衰减片，使得数字工业相机所得图像亮度相对稳定。

（6）打开计算机数字图像相关测量系统，对被测物体进行实时全场的测量。

 此部分的工作原理：

     针对物体高温黑体辐射，当物体温度高于一定温度时，其辐射会使采集到的图像出现饱和，致使采集图像无法识别这一现象，采用低波段的窄带滤波配合低波段面阵激光器照明，过滤掉其他波段的光，而得到相对清晰的图像。针对不同温度阶段物体亮度差异导致采集的图像灰度值差异较大，采用可调式衰减片调节采集得到图像的亮度。

 2、对采集后的图像进行图像处理部分：

 在整像素计算部分采用频域相关的计算步骤为：

(1).在被测物体要测量部分采用黑白的耐高温墨做人工标记，避免高温使人工标记图像氧化掉,涂抹耐高温墨前清理净物体表面，先均匀涂上白色墨，待白色墨微干后，随机涂黑色墨，黑色墨涂的位置选择在要测量位移场的各个点附近，黑色墨涂成不规则斑点形状，大小根据远心镜头焦距而定，即斑点大小为半径为4-8个像素；按照测量要求，将被测物体至于测量图像采集系统正前方,调节激光器的位置使光照均匀；

(2).通过图像采集系统采集物体变化之前图像P₁，在图像P₁的要测量位移场范围内选定若干正方形子区域M_i(i=1……n)作为对图像数据之间相关程度指标的计算过程的模板，选定子区域的个数n及位置以保证位移场描述为准；

(3).通过图像采集系统采集物体变化之后的图像P₂，对图像P₂进行快速傅里叶变换得数据矩阵p₂[u,v]；

(4).采用傅里叶变换相关定理计算相关系数，在步骤(2)中的选定的若干子区域中选定一个子区域M_i，记录该子区域左上角的像素坐标(x_i，y_i)，对该子区域图像数据进行快速傅里叶变换，之后取共轭得到数据矩阵m_i[x,y]；

(5).对m_i[x,y]和p₂[u,v]做点乘运算，之后做傅里叶反变换，取傅里叶反变换结果的实部,根据傅里叶变换相关定理，此步结果即得到空间域内的相关系数二维分布矩阵c[u,v]；

(6).从步骤(5)得到的相关系数二维分布矩阵内c[u,v]逐点搜索相关系数的最大值，记录相关系数最大值点的空间坐标(u_i,v_i)；

此部分的工作原理：传统的在空间域内进行相关运算往往需要借助各种搜索方法，并且即使采取很好的搜索方法，在做相关计算的时候也要进行多次的重复计算，而这部分正是图像相关计算中计算量最大的部分，为了提高计算速度，根据傅里叶变换的相关定理，本系统采用频域相关运算。傅里叶变换的相关定理：

(2)

式中f(x,y)、g(x,y)表示两幅图像的灰度，○表示相关运算，F(u,v)和G(u，v)为分别对f(x,y)、g(x,y)做傅里叶变换得到的函数，*号表示共轭。

在亚像素的计算部分用五点插值法计算的步骤为：

(1).以(x_i,y_i)为中心取41×41像素大小的子区域

作为亚像素计算的模板；

(2).在点(u_i，v_i)的u、v两个方向±2个像素点上与模板

做标准协方差相关计算，得到u、v两个方向各5个相关系数；

(3).对步骤(2)得到的各点相关系数取对数；

(4).对步骤(3)的结果做u、v两个方向的五点插值运算，进一步得到亚像素精度下的相关系数最大值，记录亚像素坐标

;

此部分的工作原理：

    以各个相关计算公式做相关计算，并对计算结果从相关最大值、次高峰相关系数值、平均位移测量的绝对误差等方面分析后，得出选用标准协方差相关公式作为本方法的相关计算公式最为合适。如图3所示为以41*41大小子区域为模板在移动后的128*128区域内做标准协方差相关计算所得到的相关系数图协方差相关计算所得到的相关系数图。

    在图像相关计算的过程中我们发现，找到整像素单高峰之后，高峰的形状可以对下一步搜索比较重要，从图4可以观察出，相关系数在高峰处又严格遵守着单方向性。由此可以在任意一条Y轴线上寻找X方向最高点，在任意一条X轴线上寻找Y方向最高点，为在高峰小范围内搜索最大系数点提供方便，在保证精度的条件下简化了计算、加快计算精度。

     在x、y两个方向上单独对相关系数分析发现，相关系数曲线类似于正态分布曲线，如图5所示。对相关系数去对数后，x、y两个方向的上整像素点附近的四个个点的值更接近整像素处的相关系数值，对其进行插值可以得到更高的精度。插值公式如下：

                          (3)

其中，c表示对应坐标x点的相关系数，a,b,d,e,f各个系数如下

    将整像素相关点坐标(u₀，v₀)和亚像素的相关点坐标

相加之后减去原始坐标(x₀,y₀),得到所选感兴趣点的位移坐标(△x,△y)，即

，重复整像素和亚像素的计算过程，得到位移场的描述。

Claims (9)

1.基于人工标记的高温物体面内位移场的测量系统，其特征在于，该系统包括用于分析的计算机(1)、面阵激光器系统(2)、数字工业相机(3)、远心镜头(4)、窄带滤波片(5)、可调式衰减片(6)和支架(7)；其中，所述数字工业相机(3)和面阵激光器系统(2)分别安装在所述支架(7)上，所述数字工业相机(3)位于所述面阵激光器系统(2)和被测物体之间，所述数字工业相机(3)通过数据线与所述计算机(1)连接，所述远心镜头(4)、窄带滤波片(5)和可调式衰减片(6)依次安装所述数字工业相机(3)前端。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述窄带滤波片(5)为532nm波段窄带滤波片。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述可调式衰减片选择普通摄影所用可调式衰减片。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述面阵激光器系统(2)选择532nm波段激光器。

5.基于人工标记的高温物体面内位移场的测量方法，具体包括以下步骤：

1).在被测物体要测量部分采用黑白的耐高温墨做人工标记，避免高温使人工标记图像氧化掉,涂抹耐高温墨前清理净物体表面，先均匀涂上白色墨，待白色墨微干后，随机涂黑色墨，黑色墨涂的位置选择在要测量位移场的各个点附近，黑色墨涂成不规则斑点形状，大小根据远心镜头焦距而定，即斑点大小为半径为4-8个像素；按照测量要求，将被测物体至于测量图像采集系统正前方,调节激光器的位置使光照均匀；

2).通过图像采集系统采集物体变化之前图像P₁，在图像P₁的要测量位移场范围内选定若干正方形子区域M_i(i=1……n)作为对图像数据之间相关程度指标的计算过程的模板，选定子区域的个数n及位置以保证位移场描述为准；

3).通过图像采集系统采集物体变化之后的图像P₂，对图像P₂进行快速傅里叶变换得数据矩阵p₂[u,v]；

4).采用傅里叶变换相关定理计算相关系数，在步骤(2)中的选定的若干子区域中选定一个子区域M_i，记录该子区域左上角的像素坐标(x_i，y_i)，对该子区域图像数据进行快速傅里叶变换，之后取共轭得到数据矩阵m_i[x,y]；

5).对m_i[x,y]和p₂[u,v]做点乘运算，之后做傅里叶反变换，取傅里叶反变换结果的实部，根据傅里叶变换相关定理，此步结果即得到空间域内的相关系数二维分布矩阵c[u,v]；

6).从步骤(5)得到的相关系数二维分布矩阵内c[u,v]逐点搜索相关系数的最大值，记录相关系数最大值点的空间坐标(u_i,v_i)；

7).以步骤得(4)中的(x_i,y_i)为中心取41×41像素大小的子区域                                                

作为亚像素计算的模板；

8).在步骤(6)得到点(u_i，v_i)的u、v两个方向±2个像素点上与模板做标准协方差相关计算，得到u、v两个方向各5个相关系数；

9).对步骤(8)得到的各点相关系数取对数；

10).对步骤(9)的结果做u、v两个方向的五点插值运算，进一步得到亚像素精度下的相关系数最大值，记录亚像素坐标

；

    11).将步骤(6)所得坐标(u_i,v_i)与步骤(10)所得坐标

相加之后，减去步骤(4)记录的初始坐标(x_i,y_i)，即可得到步骤(4)所选区域左上角像素点(x_i,y_i)的位移值(Δx,Δy),即

  ；                            

12).重复步骤(4)-(11)，其中步骤(5)中p₂[u,v]计算可以沿用第一次计算所得结果，得到各点位移值，形成位移场描述。

6.根据权利5所述的基于人工标记的高温物体面内位移场的测量方法，其特征在于：步骤(2)中的所述子区域M_i的大小为41×41像素大小，区域中心选在图像灰度变化频率大的区域。

7.根据权利5所述的基于人工标记的高温物体面内位移场的测量方法，其特征在于：步骤(4)中的所述的对M_i进行的傅里叶变换为对M_i添0扩充到2^N(N>8)像素大小后再进行傅里叶变换。

8.根据权利5所述的基于人工标记的高温物体面内位移场的测量方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中的采集图像P₁、P₂的区域为2^N(N>8)像素大小的正方形区域，区域的大小可以根据所需计算位移场的范围选定。

9.根据权利5所述的基于人工标记的高温物体面内位移场的测量方法，其特征在于：所述步骤(8)中所的做相关计算的计算公式采用标准协方差公式如下： 

    (1)；

 式中，(x,y)与(u，v)分别为移动前和移动后的图像中各点的坐标；c(u,v)表示该点的相关系数；I₁(x，y)与I₂(u，v)分别为移动前和移动后的图像中各点的像素灰度值，

与

分别为移动前和移动后计算子区域的平均灰度值，其中，m=2M+1。

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