CN105091772B - 平面物体二维变形量的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面物体二维变形量的测量方法，包括：在待测物体上制作多个标志点，并采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像，选择不少于四个标志点对数字相机进行标定，获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系；采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像；提取获得任意标志点在变形图像中的像素坐标值，进而结合坐标转换关系，计算获得拉伸变形后该标志点的物理坐标值；计算位置标志点的位移量作为待测物体在该位置的拉伸变形量。本发明采用非接触测量方式，简单易行、测量范围大、测量精度高，可广泛应用于平面物体的拉伸变形的测量领域中。

Description

平面物体二维变形量的测量方法

技术领域

本发明涉及数字摄影测量领域，特别是涉及一种平面物体二维变形量的测量方法，尤其适用于塑料薄膜拉伸变形的测量。

背景技术

塑料薄膜拉伸变形的测量是一项基本的力学性能测量指标，目前技术中，对塑料薄膜拉伸变形的测量主要是接触式测量，接触力会对测量结果产生影响，这种方式难以对每个测量点进行准确的形变测量。另外，也出现了采用非接触式光学应变测量方法进行测量的技术，通过数字相机采集拉伸形变前后的图像，然后测量两个图像区域的应变来获得拉伸形变。一般是通过设置标志点后，对标志点的位移进行测量，通过标志点的平均线应变来测量塑料薄膜的拉伸形变。但是，目前的非接触式光学应变测量方法，一般要求数字相机必须正对着待测量的塑料薄膜，为了达到这个条件，测量过程中需要较多的调节过程，操作比较繁琐，而且还容易由于数字相机位置的误差带来较大的测量误差。而且，由于塑料薄膜拉伸变形后为长条状结构，目前技术进行测量采集的是塑料薄膜的正面图像，在满足采集到塑料薄膜的宽度范围图像的前提下，只能采集到一小部分长度方向上的图像，图像采集范围比较小，导致测量精度较低。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供平面物体二维变形量的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

平面物体二维变形量的测量方法，包括：

S1、在待测物体上制作多个标志点，并采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像后，选择不少于四个标志点对数字相机进行标定，获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系；

S2、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像；

S3、提取获得任意标志点在变形图像中的像素坐标值，进而结合坐标转换关系，计算获得拉伸变形后该标志点的物理坐标值；

S4、计算位置标志点的位移量作为待测物体在该位置的拉伸变形量。

进一步，所述步骤S1中，所选择的用于对数字相机进行标定的标志点满足以下条件：任意三个标志点都不在同一直线上。

进一步，所述步骤S1，包括：

S11、在待测物体上制作多个标志点，进而选择不少于四个标志点，并分别获得所选择的每个标志点的物理坐标值；

S12、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像；

S13、提取获得所选择的每个标志点在图像中的像素坐标值；

S14、根据所选择的所有标志点的物理坐标值和像素坐标值，计算获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系。

进一步，所述步骤S1中所选择的标志点的数量为四个，所述步骤S14，包括：

S141、根据所选择的四个标志点的物理坐标值和像素坐标值，采用下式计算获得转换向量h的值：

其中，(x，y)表示标志点的物理坐标值，(u，v)表示标志点的像素坐标值，h'表示转换向量h的转置矩阵；

S142、根据转换向量h获得转换矩阵H的值：

S143、根据下式获得物理坐标和像素坐标之间的坐标转换关系：

上式中，s为比例系数且s＝h₃₁·x+h₃₂·y+1。

进一步，所述步骤S2，其具体为：

调整数字相机的倾斜角度，使得数字相机相对待测物体的长度方向发生倾斜，然后采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像。

进一步，所述步骤S4，其具体为：

获取任意位置标志点在拉伸变形后的物理坐标值，以及该标志点在拉伸变形前的物理坐标值，进而计算两者的差值作为待测物体在该位置的拉伸变形量。

本发明的有益效果是：平面物体二维变形量的测量方法，包括：在待测物体上制作多个标志点，并采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像后，选择不少于四个标志点对数字相机进行标定，获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系；采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像；提取获得任意标志点在变形图像中的像素坐标值，进而结合坐标转换关系，计算获得拉伸变形后该标志点的物理坐标值；计算位置标志点的位移量作为待测物体在该位置的拉伸变形量。本方法采用非接触测量方式，不会因为接触力而影响测量精度，而且通过选择标志点对数字相机进行标定，保证了变形量的测量精度，测量精度较高，另外，本方法对相机的位置、角度无特定要求，可以根据需要任意摆放，简单易行。

还有，通过调整数字相机的倾斜角度，可有效扩大某一方向的测量范围，实现窄长带状物体的变形测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的平面物体二维变形量的测量方法中待测物体拉伸变形前的示意图；

图2是本发明的平面物体二维变形量的测量方法中采用数字相机进行测量时的小孔相机模型示意图；

图3是本发明的平面物体二维变形量的测量方法中数字相机与待测物体的位置示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种平面物体二维变形量的测量方法，包括：

S1、在待测物体上制作多个标志点，并采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像后，选择不少于四个标志点对数字相机进行标定，获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系；图1所示为拉伸前的待测物体，待测物体表面印刷了多个相对位置已知的标志点，其中附图标记2为待测物体的正视图，圆形标志点等距均匀分布；附图标记1为待测物体的透视图，表示从倾斜方向观察待测物体所得到的图像，由于透视变形，标志点变成了椭圆形，其间距也不再相等，所以本步骤先对相机进行标定；

S2、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像；

S3、提取获得任意标志点在变形图像中的像素坐标值，进而结合坐标转换关系，计算获得拉伸变形后该标志点的物理坐标值；

S4、计算位置标志点的位移量作为待测物体在该位置的拉伸变形量。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1中，所选择的用于对数字相机进行标定的标志点满足以下条件：任意三个标志点都不在同一直线上。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1，包括：

S11、在待测物体上制作多个标志点，进而选择不少于四个标志点，并分别获得所选择的每个标志点的物理坐标值；

S12、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像；

S13、提取获得所选择的每个标志点在图像中的像素坐标值；

S14、根据所选择的所有标志点的物理坐标值和像素坐标值，计算获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1中所选择的标志点的数量为四个，所述步骤S14，包括：

S141、根据所选择的四个标志点的物理坐标值和像素坐标值，采用下式计算获得转换向量h的值：

其中，(x，y)表示标志点的物理坐标值，(u，v)表示标志点的像素坐标值，h'表示转换向量h的转置矩阵；

S142、根据转换向量h获得转换矩阵H的值：

S143、根据下式获得物理坐标和像素坐标之间的坐标转换关系：

上式中，s为比例系数且s＝h₃₁·x+h₃₂·y+1。

进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述步骤S2，其具体为：

调整数字相机的倾斜角度，使得数字相机相对待测物体的长度方向发生倾斜，然后采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，其具体为：

获取任意位置标志点在拉伸变形后的物理坐标值，以及该标志点在拉伸变形前的物理坐标值，进而计算两者的差值作为待测物体在该位置的拉伸变形量。

本发明的测量计算原理如下：

图1所示为拉伸前的待测物体，待测物体表面印刷了多个相对位置已知的标志点，其中附图标记2为待测物体的正视图，圆形标志点等距均匀分布；附图标记1为待测物体的透视图，表示从倾斜方向观察待测物体所得到的图像，由于透视变形，标志点变成了椭圆形，其间距也不再相等，所以本步骤先对相机进行标定：

参照图2，图2为数字相机的小孔相机模型，其中附图标记3表示待测物体所在的空间平面，世界坐标系建立在该平面上，标志点的物理坐标为(x，y，0)，x，y已知；附图标记4表示相机的成像平面，标志点对应的像素坐标为(u，v，1)，实际上我们考虑的是待测物体的二维形变，所以本申请文件中提到的标志点的物理坐标为(x，y)，像素坐标为(u，v)。

数字相机采集标志点的图像后，通过数字图像处理可以获得标志点的像素坐标(u，v)，根据数字摄影测量基本原理，标志点的物理坐标和像素坐标之间有以下关系式：

其中，表示转换矩阵H。

令转换向量h为：

h＝[h₁₁ h₁₂ h₁₃ h₂₁ h₂₂ h₂₃ h₃₁ h₃₂ 1]

则可以获得：

上式中，h'表示转换向量h的转置矩阵，该式子中共有8个未知数，因此，通过已知的4对标志点的物理坐标和对应的像素坐标即可求解获得转换向量h。这里要求4个标志点为一般位置点：任意三个标志点都不在同一直线上。

求解获得转换向量h后，即可获得转换矩阵H，进而获得物理坐标和像素坐标之间的坐标转换关系如下：

获得坐标转换关系即完成了对相机的标定，因此对待测物体拉伸变形后，通过采集变形后的变形图像，即可根据坐标转换关系计算获得对应的变形量。图3是本发明的测试示意图，与图2中相同，图3中附图标记3表示待测物体所在的空间平面，附图标记4表示相机的成像平面，由图3中同样可看出，在拉伸过程中标志点的物理坐标会发生变化，通过待测物体在拉伸变形后的变形图像，通过数字图像处理，获得拉伸变形后标志点的像素坐标值，带入上式，得到拉伸变形后标志点的物理坐标值；拉伸前后标志点的物理坐标的变化量即为待测物体在该标志点位置的变形量。

以下结合具体实施例对本发明做详细说明。

一种平面物体二维变形量的测量方法，用于对平面物体例如塑料薄膜等进行二维变形量测量，包括：

S1、在待测物体上制作多个标志点，并采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像后，选择不少于四个标志点对数字相机进行标定，获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系，其中选择任意三个标志点都不在同一直线上；S1具体包括步骤S11～S14：

S11、在待测物体上制作多个标志点，进而选择不少于四个标志点，并分别获得所选择的每个标志点的物理坐标值；

S12、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像；

S13、提取获得所选择的每个标志点在图像中的像素坐标值；

S14、根据所选择的所有标志点的物理坐标值和像素坐标值，计算获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系。

步骤S14，包括S411～S143：

S141、根据所选择的四个标志点的物理坐标值和像素坐标值，采用下式计算获得转换向量h的值：

其中，(x，y)表示标志点的物理坐标值，(u，v)表示标志点的像素坐标值，h'表示转换向量h的转置矩阵；

S142、根据转换向量h获得转换矩阵H的值：

S143、根据下式获得物理坐标和像素坐标之间的坐标转换关系：

上式中，s为比例系数且s＝h₃₁·x+h₃₂·y+1。

S2、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像，具体为调整数字相机的倾斜角度，使得数字相机相对待测物体的长度方向发生倾斜，然后采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像。

S3、提取获得任意标志点在变形图像中的像素坐标值，进而结合坐标转换关系，计算获得拉伸变形后该标志点的物理坐标值；

S4、计算位置标志点的位移量作为待测物体在该位置的拉伸变形量，具体为：获取任意位置的标志点在拉伸变形后的物理坐标值，以及该标志点在拉伸变形前的物理坐标值，进而计算两者的差值作为待测物体在该标志位置的拉伸变形量。

下面以图1为例，讲解步骤S14中获得坐标转换关系的过程：

其中共有105个标志点，由于篇幅限制，这里只取四个角点A、B、C、D，测物理坐标值、像素坐标值如下表1所示：

表1拉伸变形标志点的物理坐标值和像素坐标值

标志点	物理坐标	像素坐标
			A	x1＝7,y1＝102	u1＝451.63,v1＝100.66
B	x2＝43,y2＝102	u2＝808.13,v2＝100.66
			C	x3＝7,y3＝18	u3＝104.855,v3＝570.38
D	x4＝43,y4＝18	u4＝905.05,v4＝570.38

表1中，(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)依次表示A、B、C、D四个点的物理坐标值，(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)、(u4,v4)依次表示A、B、C、D四个点的像素坐标值。将以上4个标志点的物理坐标值和像素坐标值带入步骤S141中的公式可以得到4组共8个方程：

将表1的具体数据带入上式得：

因此解得转换向量h为：

h＝[30.3117 14.7550 -334.7809 0 -5.5918 878.4753 0 0.0202 1]

计算获得s＝h₃₁·x+h₃₂·y+1≈1

因此，针对图1所示的具体实例，其坐标转换关系为：

因此，对待测物体进行拉伸试验时，通过采集变形后的待测物体的图像，然后计算任意标志点的像素坐标值，代入上式，即可获得该标志点的物理坐标值，进而计算获得待测物体在该位置的变形量。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.平面物体二维变形量的测量方法，其特征在于，包括：

S1、在待测物体上制作多个标志点，并采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像后，选择不少于四个标志点对数字相机进行标定，获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系；

S2、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像；

S3、提取获得任意标志点在变形图像中的像素坐标值，进而结合坐标转换关系，计算获得拉伸变形后该标志点的物理坐标值；

S4、计算位置标志点的位移量作为待测物体在该位置的拉伸变形量；

所述步骤S1，包括S11～S14：

S11、在待测物体上制作多个标志点，进而选择不少于四个标志点，并分别获得所选择的每个标志点的物理坐标值；

S12、采用数字相机采集待测物体在拉伸变形前的图像；

S13、提取获得所选择的每个标志点在图像中的像素坐标值；

S14、根据所选择的所有标志点的物理坐标值和像素坐标值，计算获得物理坐标与像素坐标之间的坐标转换关系；

所述步骤S1中所选择的标志点的数量为四个，所述步骤S14，包括S141～S143：

S141、根据所选择的四个标志点的物理坐标值和像素坐标值，采用下式计算获得转换向量h的值：

其中，(x，y)表示标志点的物理坐标值，(u，v)表示标志点的像素坐标值，

h'表示转换向量h的转置矩阵；

S142、根据转换向量h获得转换矩阵H的值：

S143、根据下式获得物理坐标和像素坐标之间的坐标转换关系：

上式中，s为比例系数且s＝h₃₁·x+h₃₂·y+1；

所述步骤S2，其具体为：

调整数字相机的倾斜角度，使得数字相机相对待测物体的长度方向发生倾斜，然后采用数字相机采集待测物体在拉伸变形后的变形图像。

2.根据权利要求1所述的平面物体二维变形量的测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，所选择的用于对数字相机进行标定的标志点满足以下条件：任意三个标志点都不在同一直线上。

3.根据权利要求1所述的平面物体二维变形量的测量方法，其特征在于，所述步骤S4，其具体为：

获取任意位置标志点在拉伸变形后的物理坐标值，以及该标志点在拉伸变形前的物理坐标值，进而计算两者的差值作为待测物体在该位置的拉伸变形量。