CN105765630A - 通过创建多个色度斑点图案测量受到应力的结构部件的形状、移动和/或变形的多尺度测量方法 - Google Patents

通过创建多个色度斑点图案测量受到应力的结构部件的形状、移动和/或变形的多尺度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明主要涉及一种用于测量受到外部应力的受检部件的移动和/或变形的方法，所述方法利用一种彩色数字图像获取装置以及图像相关装置，其特征在于，其包括以下步骤：在对所述受检部件施加外部应力期间，借助于彩色数字图像获取装置获取(250)受检部件表面的多个彩色数字图像的；处理(260)在获取多个彩色数字图像的步骤中所获取的彩色数字图像以按照变化的尺度显示对比细节。

Description

通过创建多个色度斑点图案测量受到应力的结构部件的形状、移动和/或变形的多尺度测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过创建多个斑点图案来测量受到外部应力的结构的形状、移动和/或变形的方法。具体地，但非排他性地，本发明适合用于测量受到外部应力的结构的移动和/或变形的技术领域。
背景技术
根据现有技术，结构部件的机械设计可以利用成像技术以便了解其性能，从而通过或者不通过所述结构部件的结构设计。该成像技术还被应用于以机械特性为目的的材料的测试样品。因此后文中，通用术语“受检部件”将与其尺寸和其形状无关地、无差别地涵盖结构部件或测试样品。
所述技术使得当所述受检部件受到外部应力时，例如机械应力和/或热应力，测量受检部件的移动和变形成为可能。
具体地，所述成像技术利用了数字图像获取装置以及数字图像相关软件。受检部件包括被限定在目标参考系(X，Y，Z)中的表面。该受检部件的表面由非均匀图案随机或不随机地标记，该非均匀图案称为斑点图案且以灰度图像的形式而被记录。所述斑点图案的特征在于相关长度，相关长度是这样的尺度：在该尺度以下所述标记具有相关性。距离小于或等于该相关长度的两点之间的标记的平均方差相比斑点图案的灰度变化而言很小。另外，受检部件包括需要被检查的至少一个感兴趣区域。
数字图像获取装置记录所述表面的至少一个参考数字图像。所述数字图像被划分为在图像参照系(X’，Y’)中限定的像素。斑点图案所创建的结构的表面的非均匀标记因而以针对每个像素都不同的灰度而被渲染到数字图像中。在目标参照系(X，Y，Z)中限定的表面的点P因此对应于参考数字图像的像素P’，像素P’被限定在图像参照系(X’，Y’)中且具有确定的灰度。
外部应力被施加在受检部件上。所述应力使受检部件变形，且特别地使被检查的表面变形。表面的点P因而在施加负载后移动到位置P”。数字图像获取装置以规律的时间间隔记录在施加外部应力期间受检部件的一系列数字图像。对数字图像的局部或全局相关分析使得能够获得在每一应力水平感兴趣区域中的任意点处所限定的位移场。
称为立体相关技术的该技术的变型允许测量三维形状以及三维位移场。在施加外部应力期间，以规律的时间间隔获取受检部件的至少两个不同视角的数字图像。在目标参照系(X，Y，Z)中所限定的表面的所述点P在每个数字图像I中将出现在数字图像参照系I中的点P’i处。在最常见的是利用已知参照图案执行的校准步骤后，数字图像的相关使得能够借助于斑点图案而关联每幅图像I中的点P’i。实际上，校准步骤使得能够根据每个点P’i的坐标来推导目标参照系(X，Y，Z)中的点P的坐标。另外，位移场允许确定受检部件表面的任意点处在目标参照系(X，Y，Z)中的三维位移矢量。
另外，取决于斑点图案的相关长度的尺度，位移场和/或变形场的精度各有不同，空间解析度各有不同，且位移场和/或变形场的测量在计算时间方面的成本各有不同。实际上，斑点图案的相关长度减小得越多，位移场和/或变形场的计算就变得越昂贵，且位移场和/或变形场也变得越准确。相反，图像相关能够确定的最大位移幅度大约是相关长度的幅度。细微的斑点图案因而不是鲁棒的。
因此，必须根据处理的期待精度和鲁棒性来寻求空间解析度和不确定性之间的折衷。要么，操作者选择通过创建具有大的相关长度的斑点图案来优先进行全局测量以获得具有相对小的空间分辨率的位移场和/或变形场；要么，操作者选择通过创建具有小的相关长度的斑点图案来优先进行局部测量以获得准确且空间解析度高的位移场和/或变形场，但其要求对初始位移有良好判断。
发明内容
本发明的目的特别是解决该问题。
为此，本发明涉及一种用于测量受到外部应力的受检部件的位移和/或变形的方法，所述方法利用一种彩色数字图像获取装置以及图像相关装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：
–在对所述受检部件施加外部应力期间，借助于彩色数字图像获取装置来获取受检部件表面的多个彩色数字图像，
–以在不同尺度突显对比细节的方式对在获得多个彩色数字图像的步骤中所获取的彩色数字图像进行处理，以按照变化的尺度突显对比细节。
本发明可以根据下文中解释的有利实施方式来实现，可以单独地或者以任何技术上可行的组合的方式来考虑所述有利实施方式。
有利地，该方式还包括以下步骤：
–在所述受检部件的表面上创建至少两个斑点图案，第一斑点图案包括第一颜色，第二斑点图案具有与第一颜色不同的第二颜色。
因此，对若干具有不同相关长度的斑点图案的创建使得能够在获取和处理受检部件表面的数字图像后，根据操作者想要实施的测量类型来确定具有高低不同的空间解析度的一个或多个位移场和/或变形场。另外，第一斑点图案使得能够得到对用作依赖于第二斑点图案的第二计算的初始化基础的位移场的第一确定。
有利地，受检部件的表面包括自然具有第一斑点图案和第二斑点图案的纹理，第一斑点图案包括第一颜色，而第二斑点图案包括与第一颜色不同的第二颜色。
有利地，第一斑点图案包括第一相关长度，而第二斑点图案包括与第一相关长度不同的第二相关长度。
有利地，第二相关长度小于第一相关长度。
有利地，对彩色数字图像进行处理步骤包括以下子步骤：
–对彩色数字图像进行第一色度过滤，以得到仅包括第一斑点图案的第一组过滤数字图像；
–对彩色数字图像进行第二色度过滤，以得到仅包括第二斑点图案的第二组过滤数字图像。
有利地，对彩色数字图像进行处理的步骤包括以下子步骤：
–对彩色数字图像进行第一色度过滤，以得到仅包括第一斑点图案的第一组过滤数字图像；
–对彩色数字图像进行第二色度过滤，以得到包括第一斑点图案和第二斑点图案的第二组过滤数字图像。
有利地，该方法还包括根据第一组过滤数字图像来确定第一位移场和/或第一变形场的步骤。
有利地，该方法还包括根据第二组过滤数字图像来确定第二位移场和/或第二变形场的步骤。
有利地，确定第二位移场和/或第二变形场的步骤是由第一位移场和/或第一变形场初始化的。
本发明还涉及一种用于测量受到外部应力的受检部件的位移和/或变形的系统，所述系统包括：
–用于在对所述受检部件施加外部应力期间借助于彩色数字图像获取装置来获取受检部件表面的多个彩色数字图像的装置，
–用于对在获取多个彩色数字图像的步骤中所获取的彩色数字图像进行处理以按照变化的尺度突显对比细节的装置。
附图说明
参考附图，通过阅读作为非限制性示例给出的以下描述，本发明将被更好的理解，其中：
图1是根据本发明的示例性实施方式的、利用具有两个固定的摄像机的图像立体相关系统来测量受到外部应力的受检部件的位移和/或变形的装置的示意图；
图2是示出了根据本发明的示例性实施方式的方法的各个步骤的功能图；
图3是根据本发明的示例性实施方式的、包括第一斑点图案的受检部件表面的示意图；
图4是根据本发明的示例性实施方式的、包括第一斑点图案和第二斑点图案的受检部件表面的示意图；
图5是根据本发明的示例性实施方式的受检部件表面的数字图像的示意图；
图6是根据本发明的示例实施方式的、在第一过滤之后的受检部件表面的数字图像的示意图；
图7是根据本发明的示例性实施方式的、在第二过滤之后的受检部件表面的数字图像的示意图。
在附图中，每个图中的相同的参考标记表示相同或相似的元素。出于清楚的原因，除非另行声明，否则示出的元素不是按照比例绘制的。
具体实施方式
图1示出了用于测量受到外部应力的受检部件150的位移和/或变形的装置100。在一个示例中，所述外部应力是机械应力和/或热应力。受检部件包括在目标参照系(X，Y，Z)中所限定的表面。
在一个实施方式中，测量装置100包括彩色数字图像获取装置110和诸如图像相关软件这样的图像相关装置。在一个示例中，在传统的数字图像相关的情况下，彩色数字图像获取装置110是包括固定的摄像机或照相装置111的系统。在另一个示例中，在立体相关的情况下，彩色数字图像获取装置110是包括多个摄像机或照相装置111的系统。彩色数字图像获取装置的每个摄像机和/或照相装置111包括光敏传感器，也就是说用于将电磁辐射转化为模拟电信号的电子部件。
彩色数字图像获取装置110还包括关联于每个摄像机和/或照相装置111的一个或多个滤光器。在另一示例中，每个滤光器位于相关联的摄影机或照相装置111的透镜之前。
在另一示例中，每个传感器包括感光点矩阵和包括彩色单元的彩色滤光器。每个感光点包括对全部可见光光谱敏感的光电二极管。每个单元与一个感光点相关联。在一个示例中，滤光器是拜耳(Bayer)滤光器，一组两两相邻的四个感光点包括与红色单元相关联的第一感光点，与蓝色单元相关联的第二感光点以及与绿色单元相关联的最后两个感光点。在另一示例中，彩色数字图像获取装置110包括多光谱摄像机，每个多光谱摄像机均包括基本上单色的传感器和使得能够以若干波长间隔来获取图像的滤光器。
彩色数字图像获取装置110还包括使得能够处理模拟电信号以得到数字图像的模块112。
在步骤200中，彩色数字图像获取装置110被定位成使得位移和/或变形的测量最优(参见图2)。
在步骤210中，操作者在受检部件150表面上创建第一斑点图案300。
斑点图案是在受检部件表面所创建的随机或不随机的非均匀图案。
在一个示例中，图案是通过将涂料滴喷涂在受检部件表面上而被沉积、绘制或者创建的。所述图案包括一组不规则图案，也就是说即例如在大小、形状和/或朝向方面互不相同的一组点，但所述点的大小和两个相邻点之间距离在此处大约为与相关长度相似的大小。
图3示出了第一斑点图案300，其包括多个点310。该第一斑点图案300与第一相关长度和第一颜色相关联。
术语颜色表示赋予受检部件表面上的同一点的多个局部特性，其与所述点对光源波长的响应相对应。
在步骤220中，操作者在受检部件150的表面上创建第二斑点图案400(参见图4)。所述第二斑点图案400包括多个点410。该第二斑点图案400与第二相关长度和第二颜色相关联。第二相关长度与第一相关长度不同，且第二颜色与第一颜色不同。在一个示例中，第二相关长度小于第一相关长度。
在变型中，受检部件150表面包括自然地具有与第一相关长度和第一颜色相关联的第一斑点图案300以及与第二相关长度和第二颜色相关联的第二斑点图案400的纹理，该第二相关长度与第一相关长度不同，第二颜色与第一颜色不同。
具有不同的相关长度和颜色的若干斑点图案300和400的创建或自然存在，使得能够在获取和处理受检部件150的表面的数字图像后，根据操作者想要执行的测量类型来测量空间解析度大小不同的一个或多个位移场和/或变形场。
通过作用于彩色图像的颜色编码的滤光器来调节最小空间相关尺度的能力是本发明的一个特点，其使得能够随意调整测量的鲁棒性以及空间描述的精细度。相同的过滤能够由传统的光学装置通过多个图像来实现，或者通过如用于高光谱成像的窄彩色(chromatic)滤光器来实现。
在示例性实现中，操作者用红色颜料弹和白色颜料弹产生第一斑点图案300。然后，该操作者通过利用刷子或模板来增加蓝色颜料点来创建第二斑点图案400。第一颜色因而对应于大于或等于620纳米的波长，而第二斑点图案的波长基本上小于500纳米。在该示例中，第一斑点图案的相关长度是第二斑点图案的相关长度的十倍。
其他斑点图案是根据操作者的需求以及彩色数字图像获取装置110的能力、特别是所述彩色数字图像获取装置110的分辨率以及用于分离颜色与尺寸的模块112而被创建的。
在步骤230中，彩色数字图像获取装置110记录受检部件150表面的彩色参考数字图像500。
在步骤240中，外部应力被施加于受检部件150。所述应力使受检部件变形，特别是使所检查的表面变形。在施加机械负荷时，表面上的点P移动到目标参照系(X，Y，Z)中的未知坐标的最终位置。第一斑点图案300的点310和第二斑点图案400的点410因而移动和变形。在步骤250中，在施加机械应力和/或热应力期间，彩色数字图像获取装置110以规律的间隔记录受检部件150表面的一组彩色数字图像500。每个彩色数字图像500被划分为在图像参照系(X’，Y’)中限定的像素P’。在目标参照系(X，Y，Z)中限定的受检部件150表面的点P因而对应于在图像参照系(X’，Y’)中限定每个彩色数字图像500的像素P’。此外，每个数字图像500的每个像素P’包括一个颜色。
彩色数字图像可以通过聚合例如利用不同光源依次获取的多个数字图像而产生，或者当彩色数字图像获取装置110包括具有不同敏感性的点(site)的传感器矩阵时被同时地获取。下文中描述的色度或彩色(chromatic)处理操作包括利用多个信息以从中提取若干“灰度”图像的所有数字处理操作，所述若干“灰度”图像具有不同的几何特性、与斑点图案相关但像素位置不变化。
目的是不一定非要特别地隔离一个颜色或一个斑点图案，而是要展现出在预定的范围上抑制过滤图像的空间高频，以实现更好的鲁棒性。
该颜色以红、绿、蓝(RGB)编码。因此，每个颜色被表示为该三种颜色的组合。在变型中，颜色根据不同的编码格式来编码，例如青色、品红色、黄色、黑色的四色(CMYK)处理，或者根据用于多光谱或高光谱摄像机的更细致的光谱分辨率来编码。与第一斑点图案300的点310对应的点510和与第二斑点图案400的点410对应的点520因此出现在每个彩色数字图像500上。
在步骤260中，图像相关软件处理在记录彩色参考数字图像500的步骤230和记录一组彩色数字图像500的步骤250中由彩色数字图像获取装置110所记录的彩色数字图像500。对于彩色数字图像500的处理包括对彩色数字图像500进行色度过滤以分离数字图像的颜色的步骤。
更具体地，在子步骤261中，对每个彩色数字图像500执行第一色度过滤，以提取具有例如与第一颜色范围对应的红色水平、绿色水平和蓝色水平的像素。在该子步骤261结束后，得到仅包括对应于第一斑点图案300的点310的点510的第一组过滤数字图像600(参见图6)。
在子步骤262中，对每个彩色数字图像500执行第二色度过滤，以提取具有例如与第二颜色范围对应的红色水平、绿色水平和蓝色水平的像素。在该子步骤262结束后，得到仅包括对应于第二斑点图案400的点410的点520的第二组过滤数字图像700(参见图7)。
在步骤270中，图像相关软件根据第一组过滤数字图像600而确定第一位移场和/或第一变形场。在立体视觉的情况下，图像相关还使得能够确定整体三维形状。
在步骤280中，图像相关软件根据第二组过滤数字图像700而确定第二位移场和/或第二变形场。在一个实施方式中，第一位移场和/或第一变形场用作先验信息。在立体视觉的情况下，三维形状被细化。应注意的是，该处理可以在所检查的表面的有限区域上被实现，这是特别有益的。
因此，在获取和处理受检部件150表面的彩色数字图像后，具有不同的相关长度及颜色的若干斑点图案的创建，使得能够根据操作者希望执行的测量类型来创建空间解析度高低不同的一个或多个位移场和/或变形场。
实际上，如果操作者想要在引入外部应力的区域周边执行位移的局部测量以检查外部应力的质量和/或均匀性以及因此验证极限条件，或者如果操作者想要执行对受检部件150的位移和变形的局部测量以确定受检部件150的结构单元的损坏，结构单元例如是加固件限位器、黏合的或焊接的或用螺栓固定的连接，或者厚度递减部，则该操作者使用基于表面在最高值范围内的点510、520所出现的过滤数字图像组600、700而创建的位移场。
另外，如果操作者想要在整个受检部件150上、或者受检部件150的大片区域上进行位移和变形的测量，则为了确定以及量化受检部件150的某些非稳态现象，例如屈曲或后屈曲，的存在，该操作者使用基于表面在最低值范围内的点510、520所出现的过滤数字图像组600、700而创建的位移场和变形场。
另外，操作者可以同时使用根据每一组过滤数字图像600、700而创建的位移场和/或变形场。

Claims (11)

1.一种用于测量受到外部应力的受检部件(150)的移动和/或变形的方法，所述方法利用一种彩色数字图像获取装置(110)以及图像相关装置，其特征在于，其包括以下步骤：
-在对所述受检部件(150)施加外部应力期间，借助于所述彩色数字图像获取装置(110)来获取(250)所述受检部件(150)的表面的多个彩色数字图像(500)，
-处理(260)在获取(250)多个彩色数字图像(500)的步骤中所获取的所述彩色数字图像(500)，以按照变化的尺度来突显对比细节，和
-对已处理(260)的全部数字图像进行相关处理(270、280)，以确定关联于每一处理(260)的尺度上的位移场。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：
-在所述受检部件(150)的表面创建(210、220)至少两个斑点图案，第一斑点图案(300)包括第一颜色，而第二斑点图案(400)包括与所述第一颜色不同的第二颜色。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受检部件(150)的表面包括自然地具有包括第一颜色的第一斑点图案(300)以及包括不同于第一颜色的第二颜色的第二斑点图案(400)的纹理。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一斑点图案(300)包括第一相关长度，而所述第二斑点图案(400)包括不同于所述第一相关长度的第二相关长度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二相关长度小于所述第一相关长度。
6.根据权利要求2至5中的一项所述的方法，其特征在于，处理(260)彩色数字图像(500)的步骤包括：
-对所述彩色数字图像(500)进行第一色度过滤以得到仅包括所述第一斑点图案(300)的第一组过滤数字图像(600)的子步骤(261)；
-对所述彩色数字图像(500)进行第二色度过滤以得到仅包括所述第二斑点图案(400)的第二组过滤数字图像(700)的子步骤(262)。
7.根据权利要求2至5中的一项所述的方法，其特征在于，处理(260)彩色数字图像(500)的步骤包括：
-对所述彩色数字图像(500)进行第一色度过滤以得到仅包括所述第一斑点图案(300)的第一组过滤数字图像(600)的子步骤(261)；
-对所述彩色数字图像(500)进行第二色度过滤以得到包括所述第一斑点图案(300)和所述第二斑点图案(400)的第二组过滤数字图像(700)的子步骤(262)。
8.根据权利要去6或7所述的方法，其特征在于，其还包括根据所述第一组过滤数字图像(600)来确定第一位移场和/或第一变形场的步骤(270)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，其还包括根据所述第二组过滤数字图像(700)来确定第二位移场和/或第二变形场的步骤(280)。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定第二位移场和/或第二变形场的步骤(280)是通过所述第一位移场和/或所述第一变形场来初始化的。
11.一种用于测量受到外部应力的受检部件(150)的移动和/或变形的系统，所述系统包括：
-用于在对所述受检部件(150)施加外部应力期间借助于彩色数字图像获取装置(110)来获取(250)所述受检部件(150)的表面的多个彩色数字图像(500)的装置，
-用于处理(260)在获取(250)多个彩色数字图像(500)的步骤(250)中所获取的彩色数字图像(500)以按照变化的尺度突显对比细节的装置，和
-用于对已处理(260)的全部数字图像进行相关处理(270、280)以确定关联于每个处理(260)的尺度的位移场的装置。
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