CN107830814B - 一种基于光度学的测量表面变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光度学的测量表面变形的方法，属于分析测量技术领域。该方法通过夹具固定被测表面，初始被测表面作为测量基准面x‑y；相机轴线垂直于基准面，朝向被测表面固定；均匀平行光于侧面以5～45度俯角照射被测表面。在平行光的照射下，通过标定获得光强与梯度的函数关系；使用相机拍摄变形前后被测表面反射光强分布；最后计算被测表面位移变化量。该方法具有较高的灵敏度和采样分辨率，可应用于薄板材料的翘曲变形测量、压力容器壁的受力变形监测、承力梁的应力集中分析等；采用高速相机时，可以进行动态变形测量，应用于变形过程分析、震动分析等领域。

Description

一种基于光度学的测量表面变形的方法

技术领域

本发明涉及分析测量技术领域，特别是指一种基于光度学的测量表面变形的方法。

背景技术

近年来基于机器视觉的非接触测量技术，得到了广泛的发展和应用。在测量物体变形领域，较为成熟的方法是机器视觉散斑测量法：利用了散斑图像中的二维形状信息计算变形前后散斑图像的位移；借助于多目视觉技术，基于几何光学原理进一步得到垂直于成像平面方向的位移和变形。

散斑法存在如下缺点：

1)采样空间分辨率低——由于基于几何光学原理，散斑采样点的空间密度分布受散斑尺寸和像素分辨率限制，必须降采样，不能达到像素级；

2)测量灵敏度低——解算散斑空间位移，需要产生可辨别的散斑图像变化，因此不能测量微小形变；

3)成像方案复杂，操作复杂——需要借助于多目视觉技术才能测量垂直于被测表面方向的位移和变形，预先的标定、设备的操作等较复杂；

4)使用限制——受设备复杂性限制，大多应用于实验室测量，难以在工业检测领域推广应用；

此外借助于干涉仪，通过测量表面倾角产生的干涉条纹，可以得到高精度的表面变形量。虽然测量精度和灵敏度非常高，干涉方法仍存在如下问题：

1)设备成本高昂——包含干涉仪等贵重光学仪器；

2)使用限制——对振动洁净度要就高，仅应用于实验室。

光度学的测量表面变形的装置及方法是对图像平面上的光强的二维采样。图像中不仅含有光强分布的二维形状信息，亦含有采样亮度信息，既光度信息。而根据光度学原理，特定光照条件下反射面的空间朝向，能够影响反射光的强度，例如使用基于光度学的Shape from shading(SFS)或Photometric Stereo(PS)方法，可以从图像光度重构出反射面的形状。同理，本发明使用光度信息比较变形前后的表面倾角分布，可以反映出变形在空间的分布。适用于测量垂直于成像平面方向上的位移和变形，具有较高的灵敏度和采样分辨率。可应用于薄板材料的翘曲变形测量、压力容器壁的受力变形监测、承力梁的应力集中分析等；采用高速相机时，可以进行动态变形测量，应用于变形过程分析、震动分析等领域，具有极高的应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光度学的测量表面变形的方法，该方法所用装置由工业CCD相机、电机旋转台、平行光源等装置组成，该方法将光度学原理应用于表面变形测量，从图像中提取反射光强(光度)信息，适用于测量垂直于成像平面的位移和变形。

该方法首先进行装置设置：通过夹具固定被测表面，初始被测表面作为测量基准面；相机轴线垂直于基准面，朝向被测表面固定；均匀平行光于被测表面的侧面以5～45度俯角照射被测表面；然后通过如下步骤确定被测表面的位移变化量：

(1)在平行光的照射下，通过标定获得光强I与梯度p、q的函数关系：I＝f(p,q)，标定后复位；

(2)在平行光的照射下，使用相机拍摄变形前和变形后被测表面反射光强分布，即光强图像I、I′；

(3)根据函数关系建立求解式，将I、I′带入求解式；

(4)求解变形前后的梯度分布，得到变形造成的梯度变化ΔP、ΔQ；

(5)由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ。

其中，被测表面沿单方向变形时，采用一个沿变形方向入射的平行光；

此时，所述步骤(1)中光强～梯度函数为I＝f(p,q＝0)，通过标定获得；

所述步骤(3)中求解式为光强～梯度函数的反函数p＝f^-1(I,q＝0)。

上述光强～梯度函数的标定方法为：被测表面通过夹具固定在云台上，云台产生沿基准x方向倾斜，以模拟变形造成的表面梯度p；云台倾斜梯度p时，使用相机测得反射光强I，多次测量标定光强～梯度函数。

当被测表面存在二维变形时，采用两个以上沿从不同方向入射的平行光；

此时，所述步骤(1)中光强～梯度函数为I_1～n＝f_1～n(p,q)，通过标定获得；

所述步骤(3)中求解式为方程组

上述光强～梯度函数标定方法为：被测表面通过夹具固定在二轴云台上，二轴云台产生沿基准x、y方向的倾斜，以模拟变形造成的表面梯度p,q；云台倾斜梯度p,q时，各平行光独立照明下，使用相机测得反射光强I₁～I_n，多次测量标定光强～梯度函数；

实际测量时在各光源独立照射下拍摄变形前后的反射图像I₁～I_n。

当被测表面存在二维变形时，采用两个以上从不同方向入射的不同色频平行光；

此时，所述步骤(1)中光强～梯度函数为I_1～n＝f_1～n(p,q)；

在多个光源同时照射下，采用彩色相机或高光谱相机连续拍摄变形过程中的反射图像I_color，将I_color分离不同色频的反射光强成分为I₁～I_n；

所述步骤(3)中求解式为方程组

所述由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ的方法为二维积分法：ΔZ＝∫∫Δp·dx+Δq·dy；或优化拟合法：Argmin：∫∫(ΔZ_x-Δp)²+(ΔZ_y-Δq)²。

本发明中，被测表面涂覆漫反射涂料，以消除镜面反射的不良影响。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1)该测量方法为非接触、无损测量，且无辐射，设备成本低，安全便捷。

2)测量精度高，16位图像传感器条件下，理论倾角灵敏度达到1秒角，通过增加传感器位数，可实现更高的倾角灵敏度。

3)相机中的图像传感器可以同时测量大量样本点的梯度变化，空间采样密度高。

4)采用高速相机，可以动态测量表面变形过程，采样时间间隔小，可以实现对高危零部件的实时监测。

5)用途广，可应用于板材、壳体表面，受力、受热等原因造成的变形。

上述优点表明本发明所述的测量装置和方法可以广泛应用于非接触表面变形测量分析、实时监测中。

附图说明

图1为本发明的基于光度学的测量表面变形的方法流程图；

图2为本发明实施例1的测量装置布局图；

图3为本发明实施例1的测量方法流程图；

图4为本发明实施例2的测量装置布局图；

图5为本发明实施例2的测量方法流程图。

其中：1-相机；2-入射平行光；2a-入射平行光一；2b-入射平行光二；3-被测表面；4-夹具；5-云台；n-变形外力；f-光强～梯度函数。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于光度学的测量表面变形的方法，将光度学原理应用于表面变形测量，从图像中提取亮度(光度)信息，适用于测量垂直于成像平面的位移和变形。

如图1所示，该方法大致流程为：

(1)在平行光的照射下，通过标定获得光强I与梯度p、q的函数关系：I＝f(p,q)，标定后复位；

(2)在平行光的照射下，使用相机拍摄变形前和变形后被测表面反射光强分布，即光强图像I、I′；

(3)根据函数关系建立求解式，将I、I′带入求解式；

(4)求解变形前后的梯度分布，得到变形造成的梯度变化ΔP、ΔQ；

(5)由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ。

实施例1

该实施例用于测量沿单方向变形的被测表面。

参看图2所示本发明测量装置包括：被测表面3通过夹具4固定在云台5上，初始被测表面3作为测量基准面x-y；被测表面3涂覆漫反射涂料，以消除镜面反射的不良影响；相机1轴线垂直于基准面，朝向被测表面3固定；沿变形方向入射的均匀入射平行光2于侧面以5～45度俯角照射被测表面3；其中，n为变形外力。

参看图3所示本发明测量方法为：

(S1)在入射平行光2的照射下，通过标定获得光强I与梯度p、q的函数关系f:I＝f(p,q＝0)。标定方法为：被测表面3通过夹具4固定在云台5上，云台5产生沿基准x方向倾斜，以模拟变形造成的表面梯度p；云台5倾斜梯度p时，使用相机1测得反射光强I，多次测量标定光强～梯度函数f。标定后对云台进行复位。

(S2)在平行光2的照射下，使用相机1拍摄变形前后被测表面3反射光强分布，即光强图像I、I′。上述标定过程使用的相机1、平行光2相关参数均与实际测量时相同。

(S3)根据函数关系f建立反函数求解式p＝f^-1(I,q＝0)，将I、I′带入求解式。

(S4)求解变形前后的梯度分布，得到变形造成的梯度变化ΔP、ΔQ。

(S5)由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ，方法为二维积分法：ΔZ＝∫∫Δp·dx+Δq·dy；或优化拟合法：Argmin：∫∫(ΔZ_x-Δp)²+(ΔZ_y-Δq)²。

本实施例是检测单自由度的形变，现实中产生的形变往往是两个方向上的形变，为了满足检测要求，又有如下实施方案——

实施例2

该实施例用于测量存在二维变形的被测表面。

参看图4所示本发明测量装置包括：被测表面3通过夹具4固定在二轴云台5上，初始被测表面3作为测量基准面x-y；被测表面3涂覆漫反射涂料，以消除镜面反射的不良影响；相机1轴线垂直于基准面，朝向被测表面3固定；从不同方向入射的入射平行光一2a、入射平行光二2b于侧面以5～45度俯角照射被测表面3；

参看图5所示本发明测量方法为：

(S1)在入射平行光一2a、入射平行光二2b的独立照射下，通过标定获得光强I与梯度p、q的函数关系f:I_a～b＝f_a～b(p,q)。标定方法为：被测表面3通过夹具4固定在云台5上，云台5产生沿基准x～y方向倾斜，以模拟变形造成的表面梯度p,q；云台5倾斜梯度p,q时，入射平行光一2a、入射平行光二2b独立照明下，使用相机1测得反射光强I_a～b，多次测量标定光强～梯度函数f。

(S2)在入射平行光一2a、入射平行光二2b的独立照射下，使用相机1拍摄变形前后被测表面3反射光强分布，即光强图像I_a～b、I_a～b′。上述标定过程使用的相机1、入射平行光2相关参数均与实际测量时相同。

(S3)根据函数关系f将I_a～b、I_a～b′带入,建立求解式；

(S4)求解变形前后的梯度分布，得到变形造成的梯度变化ΔP、ΔQ；

(S5)由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ，方法为二维积分法：

ΔZ＝∫∫Δp·dx+Δq·dy；或优化拟合法：Argmin：∫∫(ΔZ_x-Δp)²+(ΔZ_y-Δq)²。

上述实施例是采用两台平行光独立照明，切换照明光需要时间，难以满足动态变形测量的要求，又有如下实施方案——

实施例3

该实施例用于测量动态变形的被测表面。

参看图4所示本发明测量装置包括：除其他于实施例2相同的部分装置外，从不同方向入射的不同色频入射平行光一2a、入射平行光二2b，于侧面以5～45度俯角同时照射被测表面3；

参看图5所示本发明测量方法为：

(S3)在入射平行光一2a、入射平行二2b的照射下，采用彩色相机或高光谱相机连续拍摄变形过程中的反射图像I_color，分离不同色频的反射光强成分为I₁～I_n′。

本实施例工作原理与实施例2相似。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光度学的测量表面变形的方法，其特征在于：首先进行装置设置：通过夹具固定被测表面，初始被测表面作为测量基准面；相机轴线垂直于基准面，朝向被测表面固定；均匀平行光于被测表面的侧面以5～45度俯角照射被测表面；然后通过如下步骤确定被测表面的位移变化量：

(1)在平行光的照射下，通过标定获得光强I与梯度p、q的函数关系：I＝f(p，q)，标定后复位；

(2)在平行光的照射下，使用相机拍摄变形前和变形后被测表面反射光强分布，即光强图像I、I′；

(3)根据所述函数关系建立求解式，将I、I′带入求解式；

(4)求解变形前后的梯度分布，得到变形造成的梯度变化ΔP、AQ；

(5)由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ；

所述步骤(5)中由梯度变化三维重构表面位移变化量ΔZ的方法为二维积分法：ΔZ＝∫∫Δp·dx+Δq·dy；

所述被测表面涂覆漫反射涂料；

所述被测表面沿单方向变形时，采用一个沿变形方向入射的平行光；

此时，所述步骤(1)中光强～梯度函数为I＝f(p，q＝0)，通过标定获得；

所述步骤(3)中求解式为光强～梯度函数的反函数p＝f^-1(I，q＝0)；

所述光强～梯度函数的标定方法为：被测表面通过夹具固定在云台上，云台产生沿基准x方向倾斜，以模拟变形造成的表面梯度p；云台倾斜梯度p时，使用相机测得反射光强I，多次测量标定光强～梯度函数。

2.根据权利要求1所述的基于光度学的测量表面变形的方法，其特征在于：所述被测表面存在二维变形时，采用两个以上从不同方向入射的平行光；

此时，所述步骤(1)中光强～梯度函数为I_1～n＝f_1～n(p，q)，通过标定获得；

所述步骤(3)中求解式为方程组

3.根据权利要求2所述的基于光度学的测量表面变形的方法，其特征在于：所述光强～梯度函数标定方法为：被测表面通过夹具固定在二轴云台上，二轴云台产生沿基准x、y方向的倾斜，以模拟变形造成的表面梯度p，q；云台倾斜梯度p，q时，各平行光独立照明下，使用相机测得反射光强I₁～I_n，多次测量标定光强～梯度函数I_1～n＝f_1～n(p，q)；

实际测量时在各光源独立照射下拍摄变形前后的反射图像I₁～I_n。

4.根据权利要求1所述的基于光度学的测量表面变形的方法，其特征在于：所述被测表面存在二维变形时，采用两个以上从不同方向入射的不同色频平行光；

此时，所述步骤(1)中光强～梯度函数为I_1～n＝f_1～n(p，q)；

在多个光源同时照射下，采用彩色相机或高光谱相机连续拍摄变形过程中的反射图像I_color，将I_color分离不同色频的反射光强成分为I₁～I_n；

所述步骤(3)中求解式为方程组

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