CN104754226B - 一种修正数字式阵列高速摄像系统像差的方法 - Google Patents

Abstract

一种修正数字式阵列高速摄像系统像差的方法，属于实验固体力学动态测试技术和高速摄影图像技术领域。本发明采用LED作为光源，CCD相机作为图像记录装置，数字式阵列高速摄像系统包括3*3阵列LED光源单元、3*3阵列CCD相机单元、高精度时序同步延迟控制单元、光学成像单元以及冲击加载单元等。基于几何光学成像原理，分析了数字式阵列高速摄像系统几何参数对像差的影响规律，对不同位置CCD相机采集的图像先进行像差的修正，再用于光测力学动态测试分析。本发明针对数字式阵列高速摄像系统固有的像差问题，提出一种像差修正的方法，使实验结果更为精确。

Description

一种修正数字式阵列高速摄像系统像差的方法

技术领域

本发明属于实验固体力学动态测试技术和高速摄影图像技术领域。

背景技术

高速摄像技术与光测力学相结合是研究材料与结构动态力学性能和动态断裂行为的重要手段，在实验动态断裂力学、材料的动态力学性能测量等方面已经起到了重要的应用。尽管对阵列式高速摄像系统的设计及应用等方面进行了大量的研究，但是设计原理复杂、操作不便，更重要的是缺乏光路系统参数对像差问题的影响研究，这些缺点很大程度上阻碍了该项技术在力学动态测试方面的发展及其在工程应用的拓展。亟待针对数字式阵列高速摄像系统固有的像差问题提出一种像差修正的方法，使动态力学实验测试结果更为精确。

发明内容

本发明的目的是提供一种修正数字式阵列高速摄像系统像差的方法，通过不同位置CCD相机采集的图像进行像差的修正，使其能对材料动态力学行为和性能进行精确测量。

本发明的技术方案如下：

一种修正数字式阵列高速摄像系统像差的方法，该方法采用数字式阵列高速摄像系统，该系统包括3*3阵列LED光源单元、第一成像透镜、第二成像透镜、时序同步延迟控制单元、3*3阵列CCD相机单元、交换机、计算机以及冲击加载单元；由3*3阵列LED点光源单元发出的光经第一成像透镜折射变为平行光，穿过试件后再经过第二成像透镜汇聚，最终由3*3阵列CCD相机单元接收成像，通过交换机将采集的图像传输至计算机；3*3阵列LED光源单元处于常亮的工作状态，通过电路控制使试件动态力学行为的发生和3*3阵列CCD相机单元图像采集同步；其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将含有十字形标记线的标定板置于物面上，调整3*3阵列CCD相机的位置，使每台CCD相机实时图像上显示的十字形中心线与标定板上十字形标记线重合；

2)由时序同步延迟控制单元发出的脉冲信号触发3*3阵列CCD相机单元，使3*3阵列CCD相机周期性触发，实现9m幅试件动态图像的采集，其中m＝1,2，…；

3)将3*3阵列CCD相机采集的试件动态图像通过交换机输入到计算机中，并对不同位置CCD相机采集的图像进行编号，以位于第2行、第2列的CCD相机采集的图像作为基准图像，编号为0，位于第1行的三台CCD相机采集的图像编号分别为5、3和6，位于第2行的三台CCD相机采集的图像编号分别为1、0和2，位于第3行的三台CCD相机采集的图像编号分别为7、4和8，读取各图像像素信息；

4)由像素信息利用下列公式反推试件各点相对物面原点的坐标：

假设(M_i，N_i)为第i幅图像上一点相对像面原点的像素坐标，像面原点与物面原点相对应，像面上单位像素点所对应的物面上的长度为k，考虑几何参数导致的像差影响，物面上相应的点相对于物面原点的横坐标x_i和纵坐标y_i分别为：

其中，d是LED相邻点光源间距，f₁是第一成像透镜的焦距，α_i、β_i是像差修正系数，其表达式如下：

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：针对数字式阵列高速摄像系统固有的像差问题，本发明提出的像差修正方法对不同位置CCD相机采集的图像先进行像差的修正，再用于光测力学动态测试分析，使实验结果更为精确。

附图说明

图1是本发明提供的数字式阵列高速摄像系统的结构原理示意图。

图2是本发明数字式阵列高速摄像系统电路设计原理图。

图3是本发明时序同步延迟控制单元时序控制示意图。

图4是本发明时序同步延迟控制单元原理结构示意图。

图5是本发明CCD相机位置调节原理图。

图6是本发明阵列CCD相机位置及对应图像的编号。

图7是本发明中不同位置图像相对于基准图像的像差示意图。

图中：100-3*3阵列LED光源单元；101-直流稳压电源；200-试件；301-第一成像透镜；302-第二成像透镜；400-时序同步延迟控制单元；401-高速数字I/O子卡；402-LCD接口；403-显示屏；404-电压放大器；405-VHDL语言编程；500-3*3阵列CCD相机单元；600-交换机；700-计算机；800-冲击加载单元。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明提供的数字式阵列高速摄像系统的结构原理示意图，该装置包括3*3阵列LED光源单元100、第一成像透镜301、第二成像透镜302、时序同步延迟控制单元400、3*3阵列CCD相机单元500、交换机600以及计算机700；由3*3阵列LED点光源单元100发出的光经第一成像透镜301折射变为平行光，穿过试件200后再经过第二成像透镜302汇聚，最终由3*3阵列CCD相机单元500接收成像，通过交换机600将采集的图像传输至计算机700，通过两个场镜的作用，每个点光源对应唯一的CCD相机；阵列相机单元中第2行、第2列位置CCD相机采集的图像与相应的点光源位于整个光学系统的主光轴上，其余CCD相机采集的图像与相应的点光源相对于光学系统的主光轴成中心对称；本系统由时序同步延迟控制单元400实现时序控制，通过电路控制使试件200动态力学行为的发生和3*3阵列CCD相机单元500图像的采集同步。

图2是本发明数字式阵列高速摄像系统电路设计原理图，3*3阵列LED点光源单元100由直流稳压电源101供电，LED光源处于常亮工作状态；当系统处于被动控制模式C1时，冲击加载单元800中落锤下落与加载头接触时，瞬间产生脉冲信号P1，触发时序同步延迟控制单元400工作，时序同步延迟控制单元之后按照预先设定好的时间间隔发出脉冲信号P3，脉冲信号P3触发CCD相机采集图像；当系统处于主动控制模式C2时，时序同步延迟控制单元400发出脉冲信号P2触发冲击加载单元800，通过加载头对试件200进行冲击，同时发出脉冲信号P3触发阵列CCD相机单元500，通过设置不同同步延迟时间，各系统协调工作，完成图像采集。

图3是本发明中时序同步延迟控制单元的控制时序图，时序同步延迟控制单元在接收到复位信号P0后处于准备工作状态；本系统可在被动模式或主动模式下工作，被动控制模式C1对应的触发时序同步延迟控制单元工作的信号为P1，主动控制模式C2对应的触发冲击加载单元工作的信号为P2；时序同步延迟控制单元启动后，产生脉冲信号P3，此时9路脉冲信号P3-11、P3-21…P3-91触发3*3阵列CCD相机单元工作，当3*3阵列CCD相机完成一次图像采集后，可通过程序控制，使时序同步延迟控制单元发出9路周期性脉冲信号，第m周期的9路脉冲信号P3-1m、P3-2m…P3-9m触发3*3阵列CCD相机工作，从而达到3*3阵列CCD相机周期性触发的目的，实现9m幅图像的采集，其中m＝1,2，…；最后复位信号P0使系统初始化。

图4是本发明时序同步延迟控制单元原理结构示意图，通过VHDL语言编写程序405控制高速数字I/O子卡401工作，并利用LCD接口402在显示屏403上显示相关控制参数，高速数字I/O子卡最高数据速率可达到百兆量级，由数字I/O子卡发出低压延迟电压信号A1～A9，经由电压放大器404放大后产生9路触发信号P3-1～P3-9，触发CCD相机工作；通过程序编写，脉冲信号P3相邻脉冲时间间隔可变，并可达到ns级别，比传统多火花高速摄影系统帧率提高了三个数量级，同时设备简单操作，成本大大降低，可广泛应用于采集动态光测力学图像。

图5是本发明CCD相机位置调节原理图，编写VC++程序嵌入相机软件中，使3*3阵列CCD相机实时显示的图像上十字形中心线上的像素点高亮显示，形成水平中心线X和竖直中心线Y；将含有十字形标记线的标定板置于物面上，调整9台CCD相机的位置，使水平中心线X与标定板上水平标记线x重合，竖直中心线Y与标定板上竖直标记线y重合，从而对CCD相机位置进行调节。

本发明提供的方法包括如下步骤：

1)将含有十字形标记线的标定板置于物面上，调整3*3阵列CCD相机的位置，使每台CCD相机实时图像上显示的十字形中心线与标定板上十字形标记线重合；

2)由时序同步延迟控制单元发出的脉冲信号触发3*3阵列CCD相机单元，使3*3阵列CCD相机周期性触发，实现9m幅试件动态图像的采集，其中m＝1,2，…；

3)将3*3阵列CCD相机采集的试件动态图像通过交换机输入到计算机中，并对不同位置CCD相机采集的图像进行编号，以位于第2行、第2列的CCD相机采集的图像作为基准图像，编号为0，位于第1行的三台CCD相机采集的图像编号分别为5、3和6，位于第2行的三台CCD相机采集的图像编号分别为1、0和2，位于第3行的三台CCD相机采集的图像编号分别为7、4和8，如图6所示；

4)不同位置相机采集的图像相对的基准图像0的像差可以分以下3种情况进行分析：

(1)图像1、2相对于基准图像0的像差

位于第2行的CCD相机位于同一水平线上，因此图像1与2相对于基准图像0仅在水平方向存在像差。图像1相对于基准图像0的像差如图7(a)所示，平行光与主光轴成θ_x角穿过物平面。假设物平面上同一水平线上任意两点的距离为A，则由第2行、第1列位置相机像平面上“感受”到的水平距离为A₁，A与A₁之间存在的几何关系为：

A₁/A＝cosθ_x ①

(2)图像3、4相对于基准图像0的像差

位于第2列的CCD相机位于同一竖直线上，因此图像3与4相对于图像0仅在竖直方向存在像差。图像3相对于图像0的像差如图7(b)所示，与水平像差情况分析相似，假设物平面上同一竖直线上任意两点的距离为B，则由第1行、第2列位置相机像平面上“感受”到的竖直距离为B₂，B₂与B之间存在的几何关系为：

B₂/B＝cosθ_y ②

(3)图像5、6、7、8相对于图像0的像差

图像3、6、7、8相对于图像0既存在水平方向的像差，又存在竖直方向的像差。图像3、6、7、8的像差是单独考虑水平像差和竖直像差两种情况的组合。

式①和②中，θ_x和θ_y是平行光与第一成像透镜光轴的夹角，假设LED光源间距为d，第一成像透镜的焦距为f₁，则：

θ_x＝θ_y＝arctan(d/f₁) ③

5)读取各图像像素信息，由像素信息利用下列公式反推试件各点相对物面原点的坐标：

假设(M_i，N_i)为第i幅图像上一点相对像面原点的像素坐标，像面原点与物面原点相对应，像面上单位像素点所对应的物面上的长度为k，考虑像差的影响，物面上相应的点相对于物面原点的横坐标x_i和纵坐标y_i分别为：

④

其中，d是LED相邻点光源间距，f₁是第一成像透镜的焦距，α_i、β_i是像差修正系数，其表达式如下：

Claims (1)

1.一种修正数字式阵列高速摄像系统像差的方法，该方法采用数字式阵列高速摄像系统，该系统包括3*3阵列LED光源单元(100)、第一成像透镜(301)、第二成像透镜(302)、时序同步延迟控制单元(400)、3*3阵列CCD相机单元(500)、交换机(600)、计算机(700)以及冲击加载单元(800)；由3*3阵列LED点光源单元(100)发出的光经第一成像透镜(301)折射变为平行光，穿过试件后再经过第二成像透镜(302)汇聚，最终由3*3阵列CCD相机单元(500)接收成像，通过交换机(600)将采集的图像传输至计算机(700)；3*3阵列LED光源单元(100)处于常亮的工作状态，通过电路控制使试件(200)动态力学行为的发生和3*3阵列CCD相机单元(500)图像采集同步；其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将含有十字形标记线的标定板置于物面上，调整3*3阵列CCD相机的位置，使每台CCD相机实时图像上显示的十字形中心线与标定板上十字形标记线重合；

2)由时序同步延迟控制单元发出的脉冲信号触发3*3阵列CCD相机单元，使3*3阵列CCD相机周期性触发，实现9m幅试件动态图像的采集，其中m为正整数；

3)将3*3阵列CCD相机采集的试件动态图像通过交换机输入到计算机中，并对不同位置CCD相机采集的图像进行编号，以位于第2行、第2列的CCD相机采集的图像作为基准图像，编号为0，位于第1行的三台CCD相机采集的图像编号从左到右分别为5、3和6，位于第2行的三台CCD相机采集的图像编号从左到右分别为1、0和2，位于第3行的三台CCD相机采集的图像编号从左到右分别为7、4和8，读取各图像像素信息；

4)由像素信息利用下列公式反推试件各点相对物面原点的坐标：

假设(M_i，N_i)为第i幅图像上一点相对像面原点的像素坐标，像面原点与物面原点相对应，像面上单位像素点所对应的物面上的长度为k，考虑几何参数导致的像差影响，物面上相应的点相对于物面原点的横坐标x_i和纵坐标y_i分别为：

<mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>kM</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>d</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>kN</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>d</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>,</mo> <mn>5</mn> <mo>,</mo> <mn>6</mn> <mo>,</mo> <mn>7</mn> <mo>,</mo> <mn>8</mn> <mo>;</mo> </mrow>

式中，d是LED相邻点光源间距，f₁是第一成像透镜的焦距，α_i、β_i是像差修正系数，其表达式如下：

<mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>5</mn> <mo>,</mo> <mn>6</mn> <mo>,</mo> <mn>7</mn> <mo>,</mo> <mn>8</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>d</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mn>4</mn> <mo>,</mo> <mn>5</mn> <mo>,</mo> <mn>6</mn> <mo>,</mo> <mn>7</mn> <mo>,</mo> <mn>8</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>arctan</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mi>d</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow> 1