CN106558049A - 材料变形的高分辨率快速数字图像适配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物体受环境影响产生的变形用图像加以分析的高分辨率快速数字图像适配方法，包括以下步骤：在目标物体的待变形区域喷洒随机黑白散斑获得识别性；固定目标物体的待变形区域，摄录得到目标物体的变形视频；提取出每一帧图像，选取有效变形区域；依次对视频中前后两帧图像的所选变形区域进行非刚性配准，得到变形区域的x、y方向位移变形场信息；得到目标变形的应变场图像。采用本发明不仅效率高，而且像素间的约束关系使位移计算更加准确，同时还可以实现对拍摄视频的全分辨率分析，即一次测量可以得到视场范围内目标物体上所有像素位置的二维变形信息，减少了子区迭代、循环计算带来的时间成本，实时在线输出变形信息。

Description

材料变形的高分辨率快速数字图像适配方法

技术领域

本发明涉及材料的变形的测量与处理方法，具体讲就是物体受环境影响产生的变形用图像加以对应适配的方法。

背景技术

物体变形是自然界、工程技术和日常生活中普遍存在的物理现象。在工业生产上，工业机器是制造业中普遍使用的机械设备，其在生产制造过程中，由于长时间运行，容易出现零件变形的情况，不仅影响生产产品的质量，严重时还会引起生产设备故障，造成停机检修等问题。因此，探究零件变形以获得其材料的力学特性或称机械特性是十分重要的。

在已有的材料变形场分析技术中，主要采用各种应变片或压电陶瓷传感器等的接触式测量方法和利用激光干涉、衍射技术的光学测量方法。其中又以应变片等接触式测量方法为主，但接触式测量方法在实际应用中存在应变片布置繁琐、效率低下、存在负载效应的问题，这些都严重影响着变形测量结果的准确性以及无法测量高温、强电磁干扰等特殊环境物体等一系列局限性。而非接触式激光测量方法成本昂贵，测量范围有限。这种现状使得变形测量应用无法深入发展。

随着机器视觉的迅速发展，人们开始把计算机视觉技术的快速性、高智能化应用到检测技术当中，形成了一种新的检测技术——视觉测量技术。视觉测量技术把图像作为检测和传递信息的手段或载体加以利用，从图像中提取有用的信号，通过处理被测图像而获得所需的各种参数。同时随着计算机视觉处理技术的迅速发展，非接触式基于图像的变形场测量方法得到了越来越广泛的应用，适合一些例如高温、强电磁干扰等环境下的变形场检测。

数字图像相关方法(Digital image correlation，DIC)是上世纪80年代最早由美国南卡罗莱纳州大学的Peter和Rai i son提出[1]，其核心是在空域里面对试件变形前后的图像进行相关匹配运算。二维数字图像相关自提出以来，在力学研究的很多方面如材料力学性能测试、断裂力学、生物力学、岩石力学、微纳米力学等中存在广泛的应用。天津大学的允一澜等[2]将数字图像相关方法用于铜箱材料断裂中的尺寸效应研究，清华大学的金观昌[3]将数字图像相关方法成功应用于火箭发动剂固体燃料、陶瓷电容器等一系列新型材料的力学测试中，北京航空航天大学的潘兵等[4]总结文献中3种最常用的亚像素位移测量算法，用无噪声的计算机仿真散斑图和实际实验图片对各算法的性能从计算精度和计算效率两个方面进行了比较研究。但传统的数字图像相关方法由于采用相关分析算法对图像进行逐点扫描式分析，虽然单点分析速度很快，但由于一张图片通常包含上万的像素点，动态视频又包含上百帧的图像，使得动态测试分析的计算量巨大，计算非常耗时。

发明内容

本发明的目的是提供了一种材料变形的具有全场高分辨率快速数字图像适配方法。

为实现上述目的，本发明提供的材料变形的高分辨率快速数字图像适配方法，包括以下步骤：

(1)、在目标物体的待变形区域喷洒随机黑白散斑，使变形区域具有可识别性；

(2)、固定目标物体的待变形区域，调整相机方向与镜头焦距，使待变形区域在相机上清晰成像；

(3)、采用成像设备对目标物体的变形过程进行摄录，得到目标物体的变形视频；

(4)、将步骤3得到的目标物体的变形视频提取出每一帧图像，图像帧编号为i(i＝1、2……)；

(5)、在步骤4得到的第1帧图像中，选取有效变形区域；

(6)、依次对视频中前后两帧图像的所选变形区域进行非刚性配准，得到变形区域的x、y方向位移变形场信息；

(7)、根据前面获得的x、y方向位移变形场信息做差分计算得到Exx、Exy、Eyy应变信息，得到目标变形的应变场图像。

采用本发明的技术方案，所有像素点的位移同时进行计算，不仅效率高，而且像素间的约束关系使位移计算更加准确，同时还可以实现对拍摄视频的全分辨率分析，即一次测量可以得到视场范围内目标物体上所有像素位置的二维变形信息，减少了子区迭代、循环计算带来的时间成本，扩展了传统变形场算法的分析能力，能够快速处理目标视频，实时在线输出变形信息。

具体实施方式

本发明的方法包括以下步骤：

(1)、在目标物体的待变形区域喷洒随机黑白散斑，使变形区域具有可识别性；在DIC实验过程中，为了取得较高的测量精度，需要在试件表面制作人工散斑。即对于光滑表面和单颜色表面，需要通过人工方法改变它的表面反射变化，获得随机的灰度斑点。用材为普通黑色喷漆即可，通过喷头喷洒上去，喷洒过程简单，只要生成的散斑成随机状，不要是线性有规律纹理。

(2)、固定目标物体的待变形区域，调整相机方向与镜头焦距，使待变形区域在相机上清晰成像；

(3)、采用成像设备对目标物体的变形过程进行摄录，得到目标物体的变形视频；对于高速相机的选择，只要保证能拍出清晰的变形过程，如果变形发生时间短，速度快，就要相应提高帧率，如果变形缓慢，使用普通相机亦可。一般帧率是变形速度的5～6倍。

(4)、将步骤3得到的目标物体的变形视频提取出每一帧图像，图像帧编号为i(i＝1、2……)；这里可以采用算法程序以读取视频文件，抽取出一帧帧图像来。

(5)、在步骤4得到的第1帧图像中，选取有效变形区域；该步骤就是选取喷洒散斑的变形区域，因为拍摄视场可能很大，故需要截取有效变形区域进行分析。

(6)、依次对视频中前后两帧图像的所选变形区域进行非刚性配准，得到变形区域的x、y方向位移变形场信息；使用的方法就是非刚性配准算法，具体就是我们改进的光流法和demons视觉配准算法，这两种属于非刚性配准，具有全场分辨率、速度快的特点；x、y方向变形场是二维平面场。

(7)、根据前面获得的x、y方向位移变形场信息做差分计算得到Exx、Exy、Eyy应变信息，得到目标变形的应变场图像。差分计算即二维矩阵的中心差分，即先对变形场进行平滑滤波，然后沿x或y方向计算变形场每个点前后两变形值的差。

本发明之所以具有高分辨率即全场分辨率，是因为能够得到选取区域内所有像素点的变形，分辨率高。这一点是与传统方法相比而言，因为传统方法基于子区配准，由于子区有大小，传统方法只能得到分析区域内部分像素点的变形，分辨率低；而要提高分辨率，则需要减小子区大小或增加子区重叠，这一方面会增加计算量，降低计算效率，另一方面，小子区或有重叠会使误匹配增多，降低精度。非刚性配准是本发明的显著特点。与传统方法相对而言，传统方法使用仿射变换(简单的使用平移变换)来进行子区配准，而仿射变换和平移变换都属于刚性配准，对子区变形能力的有刚性的约束，限制了求解复杂变形的能力。而本专利的方法基于移动像素实现配准，没有刚性变换约束，所以对变形的重构能力更强。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)、本发明是一种具有全场分辨率的基于非刚性配准的快速数字图像相关方法，一次计算同时移动所有像素点，减少了子区循环对齐的过程，具有计算速度快的特点；

(2)、本发明是一种具有全场分辨率的基于非刚性配准的快速数字图像相关方法，各像素位移无刚性约束，可得到高精度变形场，而像素点之间的固有灰度相近约束，可以有效减少变形误匹配问题，使变形场具有全场连续性；

(3)、本发明是一种具有全场分辨率的基于非刚性配准的快速数字图像相关方法，基于全像素配准具有全场分辨率分析的能力，区别于传统方法存在子区大小选择的问题，选择大子区无法得到合理局部变形，选择小子区则无法匹配大位移，本发明方法无此问题；

(4)、本发明是一种具有全场分辨率的基于非刚性配准的快速数字图像相关方法，环境适应性强，可在高温、强电磁干扰及危险环境下对被测物体进行非接触式的变形测量。

(5)、本发明是一种具有全场分辨率的基于非刚性配准的快速数字图像相关方法，任务适应性和可扩展性强，更换不同的光学镜头和相机，能达到不同的放大倍率和精度，而且系统的测量精度和测量范围也会随着光电传感器技术和高速数据传输技术的飞速发展而得到快速提升。

(6)、本发明是一种具有全场分辨率的基于非刚性配准的快速数字图像相关方法，使用操作方便，实用性高，易于推广使用。

Claims (1)

1.一种材料变形的高分辨率快速数字图像适配方法，包括以下步骤：

(1)、在目标物体的待变形区域喷洒随机黑白散斑，使变形区域具有可识别性；

(2)、固定目标物体的待变形区域，调整相机方向与镜头焦距，使待变形区域在相机上清晰成像；

(3)、采用成像设备对目标物体的变形过程进行摄录，得到目标物体的变形视频；

(4)、将步骤3得到的目标物体的变形视频提取出每一帧图像，图像帧编号为i(i＝1、2……)；

(5)、在步骤4得到的第1帧图像中，选取有效变形区域；

(6)、依次对视频中前后两帧图像的所选变形区域进行非刚性配准，得到变形区域的x、y方向位移变形场信息；

(7)、根据前面获得的x、y方向位移变形场信息做差分计算得到Exx、Exy、Eyy应变信息，得到目标变形的应变场图像。