CN106441135A - 高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法。本发明采用彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机提取蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；同时利用彩色CCD相机的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度；实现通过单个相机的使用即可实现高温环境下物体三维变形和全场温度同步测量；整套装置设计简单，操作便捷，可适用于工程现场高温环境下物体三维变形和全场温度的同步实时测量。

Description

高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法

技术领域

本发明涉及高温材料测量技术，具体涉及一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法。

背景技术

高温环境下物体变形测量和温度测量是研究材料性能的重要内容，在航天航空、核能、汽车等领域具有重要意义。目前已有的高温变形测量方法主要分为接触式和非接触式，其中以光学测量方法为代表的非接触变形测量方法由于其非接触的优点，并且可以实现全场实时变形测量而得到广泛研究和应用。传统三维数字相关方法测量方法利用双目视觉原理，采用两个相机在不同角度对被测物体同时拍摄，经过三维算法计算获取得到物体的三维形貌变化。但这需要两个相机同步测量，在一些测量环境中受环境因素限制难于同时搭建两个相机对被测物体进行同步拍摄。在一些工程现场测量中，受客观环境空间限制，难以容纳两个相机对被测物体同步拍摄。并且两个相机同步拍摄的标定和操作都比较复杂，不利于工程现场测量中快速获取被测物体三维形貌变化。

对于高温结构材料在高温环境下变形，其力学性能与材料温度是相关的，高温环境下温度的变化影响材料的弹性模量、热膨胀系数等材料性能。因此对于高温结构材料高温环境下根据测得的变形进行应力分析，需要同时获得材料的温度变化情况。特别对于物体非均匀受热，对物体受热的非均匀热应力分析，需要在得到物体全程变形的同时获取物体全程温度信息。目前常用的红外测温仪为单点测温，红外热像仪虽然能拍摄物体全场温度分布，但分辨率远远低于普通相机，且价格昂贵。

因此，高温结构材料高温下力学性能研究，亟需发展一种高温环境下利用一个相机实现高温结构材料三维变形和温度同步测量方法。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法，通过使用单个相机即可实现被测物体表面的三维变形和全场温度分布的实时、同步测量。

本发明的一个目的在于提出一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置。

本发明的高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置包括：照明光源、彩色CCD相机、滤波片、单相机双目成像系统、红外测温仪和计算机；其中，照明光源照射在被测物体表面；彩色CCD相机和红外测温仪通过同步线连接，并且连接至计算机；红外测温仪对准被测物体表面；彩色CCD相机透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面，得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道、绿光通道和蓝光通道输至计算机；彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪实时测量被测物体表面的一个点的温度作为基准温度，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度。

进一步，照明光源选用蓝光波段的光源；在彩色CCD相机的镜头前设置滤波片，滤波片的透射波段为蓝光波段，透射中心波段与照明光源的波段相对应；照明光源发射出蓝光波段的照明光照射被测物体表面，增强蓝光光源作为补强光，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光，从而得到被测物体表面更加清晰的彩色图像。

照明光源采用蓝光波段的发光二极管LED或者蓝光波段的激光光源。

单相机双目成像系统采用三棱镜或者反射镜。

计算机包括：图像处理系统，三维数字图像相关变形计算程序，以及测温仪和相机同步控制系统。

本发明的另一个目的在于提供一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量方法。

本发明的高温环境下单相机三维变形与温度同步测量方法，包括以下步骤：

1)在被测物体受热加载之前，对彩色CCD相机进行标定：照明光源照射至被测物体表面，镜头前设置滤波片的彩色CCD相机，透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面的彩色图像，得到的彩色图像传输至计算机，利用三维数字图像运算，得到初始状态

下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)；

2)对被测物体进行受热加载；

3)计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪对准被测物体表面，实时测量被测物体表面的一个点的温度，作为基准温度；

4)照明光源发出照射光至被测物体表面，彩色CCD相机透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面，得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道、绿光通道和蓝光通道传输至计算机；

5)彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；

6)同时，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度。

其中，在步骤5)中，进一步包括：照明光源发出蓝光波段的照射光至被测物体表面，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光，从而得到被测物体表面更加清晰的彩色图像。

本发明的优点：

本发明采用彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机提取蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；同时利用彩色CCD相机红光通道和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度；实现通过单个相机的使用即可实现高温环境下(600℃以上)物体三维变形和全场温度同步测量；整套装置设计简单，操作便捷，可适用于工程现场高温环境下物体三维变形和全场温度的同步实时测量。

附图说明

图1为本发明的高温环境下单相机三维变形与温度同步测量系统的实施例一的示意图；

图2为本发明的高温环境下单相机三维变形与温度同步测量系统的实施例一双棱镜实现双目视觉效果的原理图；

图3为本发明的高温环境下单相机三维变形与温度同步测量系统的实施例二反射镜实现双目视觉效果的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一

如图1所示，本实施例的高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置包括：照明光源2、彩色CCD相机4、滤波片、单相机双目成像系统3、红外测温仪5和计算机6；其中，照明光源1发出蓝光波段的照明光照射在被测物体1表面；在彩色CCD相机的镜头前设置滤波片，滤波片的透射波段为蓝光波段，透射中心波段与照明光源的波段相对应；彩色CCD相机4和红外测温仪5通过同步线连接，并且连接至计算机6；红外测温仪5对准被测物体表面；彩色CCD相机4透过单相机双目成像系统3拍摄被测物体表面图像。

在本实施例中，单相机双目成像系统3采用三棱镜，彩色CCD相机4位于三棱镜的中心轴上。如图2所示，彩色CCD相机4透过单相机双目成像系统3拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机4a和4b分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果。

在本实施例中，被测物体为C/SiC复合材料，尺寸50mm×50mm×10mm，用氧丙烷火焰加热进行高温烧蚀实验，对被测物体表面三维变形和全场温度进行了同步测量：

1)在被测物体受热加载之前，对相机进行标定：照明光源照射至被测物体表面，镜头前设置滤波片的彩色CCD相机，透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面的图像，拍摄得到图像传输至计算机，利用三维数字图像运算，得到初始状态下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)。

2)对被测物体进行受热加载，温度高于600℃。

3)计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪对准被测物体表面，实时测量被测物体表面的一个点的温度作为基准温度。

4)照明光源发出蓝光波段的照射光至被测物体表面，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光；彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面图像，将实时拍摄得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道R、绿光通道G和蓝光通道传输至计算机。

5)彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，将彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄得到的图像从中间分成两幅图像，右边图像相当于第一虚拟相机4a拍摄得到的图像，左边图像相当于第二虚拟相机4b拍摄的到的图像，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维坐标P(x,y,z)，通过减去加载前初始状态下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)得到：

获取得到被测物体1表面的三维变形(u,v,w)，通过应变计算公式计算三维应变(ε_x,ε_y,γ_xy)：

其中，ε_x为被测物体的x方向应变，ε_y为被测物体的y方向应变，γ_xy为被测物体的主应变。

6)同时，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用普朗克辐射定律可得到温度的求解公式：

其中，ε(λ_R,T)、ε(λ_G,T)为物体发射率，C₂为第二辐射常数C₂＝1.438833×10^-2(m·K)，λ_R为被测物体加热时发射的红光波长，λ_G为被测物体加热时发射的绿光波长，B_RG为图像像素点红光通道亮度与绿光通道亮度比色值，T(λ_R)、T(λ_G)为可见光谱范围内响应函数，A_R和A_G为CCD光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数，U_R和U_G为光电转换系数，t_R和t_G为曝光时间，和为光学系统的透过率，由于A_R、A_G、U_R、U_G、t_R、t_G、和均为常数；

利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度，其测量公式为：

其中，B_RGo为红外测温仪标定点的物体图像像素点红光通道亮度与绿光通道亮度比色值，T_o为红外测温仪标定点温度，λ_R为被测物体加热时反射红光波长，通过公式逐点遍历计算被测物体表面图像像素点，即可得到被测物体表面图像的温度T，将物体图像坐标映射到被测物体的三维坐标上，即可得到被测物体烧蚀过程中的三维温度场，实现物体高温下三维变形和全场温度同步测量。

实施例二

在本实施例中，单相机双目成像系统3采用反射镜。如图2所示，彩色CCD相机4透过反射镜拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机4a和4b分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：照明光源、彩色CCD相机、滤波片、单相机双目成像系统、红外测温仪和计算机；其中，所述照明光源照射在被测物体表面；所述彩色CCD相机和红外测温仪通过同步线连接，并且连接至计算机；所述红外测温仪对准被测物体表面；所述彩色CCD相机透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面，得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道、绿光通道和蓝光通道输至计算机；所述彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；所述计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪实时测量被测物体表面的一个点的温度作为基准温度，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述照明光源选用蓝光波段的光源；在彩色CCD相机的镜头前设置滤波片，滤波片的透射波段为蓝光波段，透射中心波段与照明光源的波段相对应；所述照明光源发射出蓝光波段的照明光照射被测物体表面，增强蓝光光源作为补强光，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光，从而得到被测物体表面更加清晰的彩色图像。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述照明光源采用蓝光波段的发光二极管LED或者蓝光波段的激光光源。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单相机双目成像系统采用三棱镜或者反射镜。

5.一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1)在被测物体受热加载之前，对彩色CCD相机进行标定：照明光源照射至被测物体表面，镜头前设置滤波片的彩色CCD相机，透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面的彩色图像，得到的彩色图像传输至计算机，利用三维数字图像运算，得到初始状态下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)；

2)对被测物体进行受热加载；

3)计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪对准被测物体表面，实时测量被测物体表面的一个点的温度，作为基准温度；

4)照明光源发出照射光至被测物体表面，彩色CCD相机透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面，得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道、绿光通道和蓝光通道传输至计算机；

5)彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；

6)同时，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤5)中，进一步包括：照明光源发出蓝光波段的照射光至被测物体表面，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光，从而得到被测物体表面更加清晰的彩色图像。

7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤5)中，彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光通道信息，将彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄得到的图像从中间分成两幅图像，右边图像相当于第一虚拟相机4a拍摄得到的图像，左边图像相当于第二虚拟相机4b拍摄的到的图像，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维坐标P(x,y,z)，通过减去加载前初始状态下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)得到：

$\left\{\begin{array}{c}u=x-x_o\\ v=y-y_o\\ w=z-z_o\end{array}\right.$

获取得到被测物体1表面的三维变形(u,v,w)，通过应变计算公式计算三维应变(ε_x,ε_y,γ_xy)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\∂u}{\∂x}\\ {\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\∂v}{\∂y}\\ {\mathrm{\γ}}_{xy}=\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x}\end{array}\right.$

其中，ε_x为被测物体的x方向应变，ε_y为被测物体的y方向应变，γ_xy为被测物体的主应变。

8.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤6)中，计算机取出彩色CCD拍摄图像中的红光通道信息和绿光通道信息，利用普朗克辐射定律可得到温度的求解公式：

$T=\frac{C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R})}{\ln B_{RG}-ln\frac{A_R{U}_R{t}_R{K}_{{\mathrm{\λ}}_R}T\left({\mathrm{\λ}}_R\right)}{A_G{U}_G{t}_G{K}_{{\mathrm{\λ}}_G}T\left({\mathrm{\λ}}_G\right)}-ln\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_R,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_G,T)}-5ln\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{{\mathrm{\λ}}_R}}$

其中，ε(λ_R,T)、ε(λ_G,T)为物体发射率，C₂为第二辐射常数C₂＝1.438833×10^-2(m·K)，λ_R为被测物体加热时发射的红光波长，λ_G为被测物体加热时发射的绿光波长，B_RG为图像像素点红光通道亮度与绿光通道亮度比色值，T(λ_R)、T(λ_G)为可见光谱范围内响应函数，A_R和A_G为CCD光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数，U_R和U_G为光电转换系数，t_R和t_G为曝光时间，和为光学系统的透过率；

利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度，其测量公式为：

$ln\left(B_{RG}\right)-ln\left(B_{RGo}\right)=C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_o})$

其中，B_RGo为红外测温仪标定点的物体图像像素点红光通道亮度与绿光通道亮度比色值，T_o为红外测温仪标定点温度，λ_R为被测物体加热时反射红光波长，通过公式逐点遍历计算被测物体表面图像像素点，即可得到被测物体表面图像的温度T，将物体图像坐标映射到被测物体的三维坐标上，即可得到被测物体烧蚀过程中的三维温度场，实现物体高温下三维变形和全场温度同步测量。