CN108050955B - 基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法，设置基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动检测系统，在测量的每一个阶段，使用结构光投影仪对被测物进行结构光投影和单色光投影并分别采集灰度图像，对两种灰度图像序列进行傅立叶分析，确定面结构光灰度图像的傅立叶频谱中的低频项是否为热流扰动的置信概率并滤除，再通过傅立叶轮廓术得到形貌信息和离面变形信息；并对单色光照明图像的频谱采用置信概率进行热流扰动的滤除，再分别进行傅立叶反变换和数字图像相关运算得到滤除热流扰动的面内变形信息。本发明能满足现代计量高温度、高速度和高精度的要求，降低高温测量环境下的空气扰动的影响。

Description

基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法

技术领域

本发明涉及一种空气扰动滤除方法，特别是针对高温环境下非接触测量的快速去噪技术，改善高温测量的准确性和时效性，拓宽数字图像相关技术在高温在线检测中的应用。可广泛应用于机械制造、航空航天、材料和生物等各方面的高温应变与变形测量。

背景技术

数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)是一项综合了机器视觉、电子、图像处理和标定等技术的光测方法，具有高精度、非接触及全场测量等优点。被广泛应用于机械制造、航空航天、材料和生物等各方面的测量。

在数字图像相关中，运用双目视觉成像的原理，对被测物表面的三维形貌以及变形进行测量是其中一个重要的分支，通过摆放在不同角度的CCD摄像机对标记有特征点被测物进行记录，经过对特征点的识别和匹配可以得到被测物的形貌信息。在测量之前需要使用特制的标定板对系统进行标定，根据标定之后的相机坐标关系，可计算出被测物的准确形貌。

随着现代工业的发展，传统的数字图像相关技术已经不能满足200摄氏度以上的高温甚至超高温测量的需要。高温环境下，热空气的流动对于变形测量是一个很严重的干扰，使用数字图像相关技术进行测量时，由于需要对此采集多幅图像，才能实现应变的测量，在高温环境下很难排除热空气扰动的影响，无法进行高精度的测量。

在高温非接触测量中，由于空气扰动为低频信息，现有的方法是通过采集频率为200Hz以上的高频相机进行图像采集，再对图像序列进行灰度平均处理，可以实现对空气扰动的滤除。但是使用高频分离的方法不能进行长时间的测量，其分离过程无法预知现有的空气气流的实时状态，这种去噪实际上是一个累加的结果，并没有对热空气气流进行分析，并且光学系统较为复杂。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法，以满足现代计量高温度、高速度和高精度的要求，降低高温测量环境下的空气扰动的影响。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法的特点是：

设置基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动检测系统，所述检测系统采用结构光投影仪，所述结构光投影仪的投影光经被测物的反射后，经过带通光学滤波片照射到摄像机的CCD靶面阵列上；在所述被测物的表面涂有随机分布的散斑，所述散斑的灰度信息能够由所述摄像机进行采集；

设置基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法是：在各不同阶段对被测物进行图像拍摄，每一个拍摄阶段中，利用所述结构光投影仪对被测物分别进行面结构光投影和单色光投影；

所述结构光投影是以结构光投影仪为面结构光源，向被测物投射一组面结构光，经被测物形成漫反射，在每一个拍摄阶段，使用摄像机拍摄获得被测物的面结构光灰度图像序列；利用所述面结构光灰度图像序列通过傅立叶分析获得滤除热流扰动的离面变形信息；

所述单色光投影是以结构光投影仪为单色光光源，向被测物投射一组均匀分布的单色光，经被测物形成漫反射，在每一个拍摄阶段，利用摄像机采集获得一张被测物在单色光下的灰度图像，经多个拍摄阶段，获得单色光灰度图像序列；对所述单色光灰度图像序列进行傅立叶分析获得滤除热流扰动的面内变形信息。

本发明基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法的特点也在于，按如下步骤获得滤除热流扰动的离面变形信息：

2.1针对所述面结构光灰度图像序列进行傅立叶变换得到面结构光照明频谱序列；

2.2对所述面结构光照明频谱序列进行筛选，获得反映被测物离面形貌变化的频谱序列A；对所述频谱序列A依次经过傅立叶反变换和反三角运算，获得包含热流扰动的离面形貌相位信息A1；

2.3、根据所述面结构光照明频谱序列中的低频项相位变化，确定低频项是否为热流扰动的置信概率，实现热流扰动误差项的滤除；对滤除热流扰动误差项之后的频谱序列筛选出反映被测物离面形貌变化的频谱序列B；对所述频谱序列B依次经过傅立叶反变换和反三角运算，获得去除热流扰动的离面形貌相位信息B1；

2.4、将包含热流扰动的离面形貌相位信息A1与去除热流扰动的离面形貌相位信息B1通过相减运算，得到热流扰动相位；对所述热流扰动相位进行相位解包裹，得到热流扰动值，进而获得滤除热流扰动的离面变形信息。

3、根据权利要求2所述的基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法，其特征是，按如下步骤获得滤除热流扰动的面内变形信息：

3.1针对所述单色光灰度图像序列进行傅立叶变换得到单色光照明频谱序列；

3.2针对所述单色光照明频谱序列，利用所述置信概率筛选并滤除热流扰动所对应的频谱序列，获得去除热流扰动的单色光照明频谱序列，对所述去除热流扰动的单色光照明频谱序列进行傅立叶反变换，获得不包含热流扰动的单色光照明灰度图像序列，再经数字图像相关运算，获得滤除热流扰动的面内变形信息。

本发明基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法的特点也在于，在所述被测物的表面构建空间坐标系，通过对摄像机的检测方向的矢量进行矩阵转换，将滤除热流扰动的离面变形信息和滤除热流扰动的面内变形信息合成为被测物的三维形变信息。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是采用新颖简便的高温非接触检测方法，采用结构光投影与数字图像相关的结合，实现高温环境热气流扰动的滤除，进而获得形貌和变形信息，无需传统高速相机测量系统结构复杂的硬件系统，所用设备没有昂贵的价格要求，简化了系统结构，精简了设计成本，达到高精度数据获取的目的，为实现高温高精度测量奠定基础。

2、本发明是采用基于结构光投影与数字图像相关结合的方法，与传统的去噪方法不同，通过结构光投影直接得到当前热流扰动的状态，取代了传统的方法中通过高速相机进行去噪的方法，只需要相对低的采集频率，就可以对空气流热噪声进行分析，无需传统相移技术中高速匹配的繁琐方法，也大大减少了测量步骤和时间，达到了快速测量的目的。

3、本发明中结构光投影所得到的结构光相位与热流扰动相关，通过结构光投影的方法，可以实时得到当前图像中的热气流场的置信概率，获得全场的热流扰动信息。

附图说明

图1为本发明中检测系统光路原理图；

图中标号：1结构光投影仪、2摄像机、3被测物。

具体实施方式

本实施例中基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法是：

设置如图1所示的基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动检测系统，检测系统采用结构光投影仪1，结构光投影仪1的投影光经被测物3的反射后，经过带通光学滤波片照射到摄像机2的CCD靶面阵列上；根据黑体辐射定律，被测物3的温度达到400℃时，其热辐射中的可见光波段会显著增强，影响摄像机2的成像，因此需要在摄像机2的镜头前添加带通光学滤波片；在被测物3的表面涂有随机分布的散斑，散斑的灰度信息能够由摄像机2进行采集，本实施例中所采用的数字图像相关算法的基本原理是比较两幅图像中的特征信息的图像坐标变化，得出位移或变形量，此处被测物体表面的散斑的作用是提供特征信息。

利用本实施例中检测系统实现基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法是：在各不同阶段对被测物3进行图像拍摄，每一个拍摄阶段中，利用结构光投影仪1对被测物3分别进行面结构光投影和单色光投影。

结构光投影是以结构光投影仪1为面结构光源，向被测物3投射一组面结构光，经被测物3形成漫反射，在每一个拍摄阶段，使用摄像机2拍摄获得被测物3的面结构光灰度图像序列，对结构光投影下的被测物，每个阶段拍摄不少于30幅图像，以保证后续热流扰动分离的准确性，提高频谱分离的效率，设置摄像机2的采集频率在15Hz至50Hz之间，相机曝光时间设置为不大于10ms；利用面结构光灰度图像序列通过傅立叶分析获得滤除热流扰动的离面变形信息。

单色光投影是以结构光投影仪1为单色光光源，向被测物3投射一组均匀分布的单色光，经被测物3形成漫反射，在每一个拍摄阶段，利用摄像机2采集获得一张被测物3在单色光下的灰度图像，经多个拍摄阶段，获得单色光灰度图像序列，每阶段仅采集单张单色光图像是因为结构光序列频谱分析可以提供有效的热流扰动信息，单色光图像的热流扰动滤除可以直接采纳结构光序列中热流扰动的频谱分析的结果；对单色光灰度图像序列进行傅立叶分析获得滤除热流扰动的面内变形信息。

本实施例中按如下步骤获得滤除热流扰动的离面变形信息：

步骤2.1针对面结构光灰度图像序列进行傅立叶变换得到面结构光照明频谱序列；

步骤2.2对面结构光照明频谱序列进行筛选，获得反映被测物离面形貌变化的频谱序列A；对频谱序列A依次经过傅立叶反变换和反三角运算，获得包含热流扰动的离面形貌相位信息A1。

步骤2.3、根据面结构光照明频谱序列中的低频项相位变化，确定低频项是否为热流扰动的置信概率，实现热流扰动误差项的滤除；面结构光照明频谱序列中低频项包含两种：热流扰动和形貌变化，其中热流扰动是无序的，形貌变化是有序的，并且热流扰动的频率比形貌变化更高。对滤除热流扰动误差项之后的频谱序列筛选出反映被测物离面形貌变化的频谱序列B；对频谱序列B依次经过傅立叶反变换和反三角运算，获得去除热流扰动的离面形貌相位信息B1。

步骤2.4、将包含热流扰动的离面形貌相位信息A1与去除热流扰动的离面形貌相位信息B1通过相减运算，得到热流扰动相位；对热流扰动相位进行相位解包裹，得到热流扰动值，进而获得滤除热流扰动的离面变形信息。

本实施例中按如下步骤获得滤除热流扰动的面内变形信息：

步骤3.1针对被测物单色光灰度图像序列进行傅立叶变换得到单色光照明频谱序列。

步骤3.2针对被测物单色光照明频谱序列，由于单色照明图像包含大量无序的散斑，且没有类似结构光的规律特征信息，因此不能直接对其进行频谱分析寻找热流扰动的频谱，本实施例中利用被测物置信概率筛选并滤除热流扰动所对应的频谱序列，获得去除热流扰动的单色光照明频谱序列，对被测物去除热流扰动的单色光照明频谱序列进行傅立叶反变换，获得不包含热流扰动的单色光照明灰度图像序列，再经数字图像相关运算，获得滤除热流扰动的面内变形信息。

具体实施中，在被测物被测物3的表面构建空间坐标系，通过对摄像机2的检测方向的矢量进行矩阵转换，将滤除热流扰动的离面变形信息和滤除热流扰动的面内变形信息合成为被测物3的三维形变信息。

Claims (2)

1.一种基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法，其特征在于：

设置基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动检测系统，所述检测系统采用结构光投影仪(1)，所述结构光投影仪(1)的投影光经被测物(3)的反射后，经过带通光学滤波片照射到摄像机(2)的CCD靶面阵列上；在所述被测物(3)的表面涂有随机分布的散斑，所述散斑的灰度信息能够由所述摄像机(2)进行采集；设置基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法是：在各不同阶段对被测物(3)进行图像拍摄，每一个拍摄阶段中，利用所述结构光投影仪(1)对被测物(3)分别进行面结构光投影和单色光投影；

所述结构光投影是以结构光投影仪(1)为面结构光源，向被测物(3)投射一组面结构光，经被测物(3)形成漫反射，在每一个拍摄阶段，使用摄像机(2)拍摄获得被测物(3)的面结构光灰度图像序列；利用所述面结构光灰度图像序列通过傅立叶分析获得滤除热流扰动的离面变形信息；

所述单色光投影是以结构光投影仪(1)为单色光光源，向被测物(3)投射一组均匀分布的单色光，经被测物(3)形成漫反射，在每一个拍摄阶段，利用摄像机(2)采集获得一张被测物(3)在单色光下的灰度图像，经多个拍摄阶段，获得单色光灰度图像序列；对所述单色光灰度图像序列进行傅立叶分析获得滤除热流扰动的面内变形信息；

按如下步骤获得滤除热流扰动的离面变形信息：

2.1针对所述面结构光灰度图像序列进行傅立叶变换得到面结构光照明频谱序列；

2.2对所述面结构光照明频谱序列进行筛选，获得反映被测物离面形貌变化的频谱序列A；对所述频谱序列A依次经过傅立叶反变换和反三角运算，获得包含热流扰动的离面形貌相位信息A1；

2.3、根据所述面结构光照明频谱序列中的低频项相位变化，确定低频项是否为热流扰动的置信概率，实现热流扰动误差项的滤除；对滤除热流扰动误差项之后的频谱序列筛选出反映被测物离面形貌变化的频谱序列B；对所述频谱序列B依次经过傅立叶反变换和反三角运算，获得去除热流扰动的离面形貌相位信息B1；

2.4、将包含热流扰动的离面形貌相位信息A1与去除热流扰动的离面形貌相位信息B1通过相减运算，得到热流扰动相位；对所述热流扰动相位进行相位解包裹，得到热流扰动值，进而获得滤除热流扰动的离面变形信息；

按如下步骤获得滤除热流扰动的面内变形信息：

3.1针对所述单色光灰度图像序列进行傅立叶变换得到单色光照明频谱序列；

3.2针对所述单色光照明频谱序列，利用所述置信概率筛选并滤除热流扰动所对应的频谱序列，获得去除热流扰动的单色光照明频谱序列，对所述去除热流扰动的单色光照明频谱序列进行傅立叶反变换，获得不包含热流扰动的单色光照明灰度图像序列，再经数字图像相关运算，获得滤除热流扰动的面内变形信息。

2.根据权利要求1所述的基于结构光投影与数字图像相关的高温空气扰动滤除方法，其特征是，在所述被测物(3)的表面构建空间坐标系，通过对摄像机(2)的检测方向的矢量进行矩阵转换，将滤除热流扰动的离面变形信息和滤除热流扰动的面内变形信息合成为被测物(3)的三维形变信息。