CN108955551A - 一种用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，先对稳定热气流影响前后的圆形标识点阵列进行识别，然后通过3D‑DIC算法求解喷有散斑的试件沿x，y，z方向的位移量，并采用热气流的影响造成圆形标识点产生虚位移场的参数矩阵对上述x，y，z方向的位移量进行修正，从而得到更精确的在热气流影响下被测试件表面位移场。本发明测量装置简单，易于实现，便捷有效、成本相对较低，有效减小了热气流对系统成像的影响，能够有效地修正热气流对数字图像相关测量精度的影响。

Description

一种用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法
技术领域
本发明属于光学测量领域，涉及一种利用数字图像处理技术和相机标定技术对热气流引起的应变进行修正的方法。
背景技术
随着光学设备和图像处理技术的不断发展，光学测量技术被广泛应用于工业测量、大地测绘等领域。用光学方法进行高温变形测量在实验力学的发展和应用中是一个值得深入研究的课题，在高温环境中使用的材料，比如：高速航空航天飞行器的结构材料和航空发动机中的耐高温合金，全场的高温变形测量对于确定这些在高温环境中使用的材料的热物理性能和力学特性，显得尤其重要。热气流引起温度、湿度、压强和空气组分发生变化，这些因素会使空气折射率发生变化，造成散斑和基底的边界模糊不清，折射率的改变引起光路发生变化进而影响到数字相机的成像，在极高温环境下，热气流引起的畸变图像所得的表面应变可能超过物体由于荷载引起的应变，从而对最终的应变图的精度造成一定的影响。为了保证在工程测量过程中获取数据的质量，则必须要对热气流引起的应变进行精确测量从而采取相关算法进行修正。
目前相关专家在光路中加入气动装置的方法，用以实时更新光路中被加热的空气来降低光路中空气的温度梯度，从而降低折射率的波动范围。不过，虽然气动装置具有成本低廉、便捷等优点，但单一的使用该方法在很多测量情况下还不能让测试者非常满意。所以，当前我们仍需要寻找一些成本相对较低、便捷且更加有效的方法来减小热气流对系统成像的影响。但是这些评价机制有自身的局限性，因为热环境中各个要素之间相互制约、相互影响，用单一判据去衡量各个影响因素难以全面、系统的评估热气流造成的应变图的畸变程度。
发明内容
技术问题：本发明提供一种装置简便，操作简单，用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法。
技术方案：本发明的用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，包括以下步骤：
1)布置3D-DIC方法所需的试验装置：将试件表面喷涂均匀的哑光白底漆晾干后，在哑光白底漆上均匀喷洒哑光黑色散斑并晾干，从而在试件表面形成灰度均匀的数字散斑场；生成具有中心定位圆的圆形编码点阵列，将贴有圆形编码点阵列的石英玻璃紧贴在试件表面放置，将喷漆处理好的试件固定在隔震台上，确保试件竖直放置；架设3D-DIC设备：将两台工业相机用夹具固定在隔震台上，通过数据线和数据采集卡将采集计算机与相机相连，使试件均匀布置在视场中；在相机和试件之间布置加热装置；调节相机镜头的光圈和焦距至3D-DIC软件得到最佳的图像质量为止；使用标定板进行试验初始标定，保存标定图片至计算机；调节加热器至稳定温度状态，连续采集试件图片，保存至计算机；
2)对稳定热气流影响前后的圆形标识点阵列进行识别，具体方式为：采用3D-DIC算法求解圆形编码点分别沿x，y，z方向的虚位移量uci，vci，wci和圆形编码点的三维坐标xci，yci，zci；
通过线性最小二乘法和下列关系式计算求得参数矩阵和
3)通过3D-DIC算法求解喷有散斑的试件沿x，y，z方向的位移量usi，vsi，wsi。
4)按照下式对所述步骤3)得到的喷有散斑的试件沿x，y，z方向的位移量usi，vsi，wsi进行修正，得到对热气流影响进行修正后喷有散斑的试件的位移场
式中u′si，v′si，z′si分别为对热气流影响进行修正后的喷有散斑的试件沿x，y，z方向的真实位移量；矩阵表示矩阵的逆矩阵。
进一步的，本发明方法中，步骤1)中石英玻璃板上的圆形编码点阵列面积不超过试件表面数字散斑场面积的10％，圆形编码点的中心定位圆的直径为15～20像素。
进一步的，本发明方法中，步骤1)中的标定板为编码标定板。
进一步的，本发明方法中，步骤1)中两台工业相机的光轴夹角为30°。
进一步的，本发明方法中，步骤1)中的加热装置为高温熔炉、红外线加热装置或CO2激光加热器。
进一步的，本发明方法中，步骤2)中，参数矩阵的参数满足R12＝R21，R23＝R32，R13＝R31。
本发明方法对稳定热气流影响前后的圆形标识点阵列进行识别，根据三维视觉测量原理求解圆形标识点的虚位移场，根据虚位移场确定由于热气流的影响造成圆形标识点产生虚位移场的参数矩阵，运用该参数矩阵对用三维数字图像相关(3D-DIC)算法求解的试件表面数字散斑位移场进行修正，从而得到在热气流影响下被测试件表面更精确的位移分布。本发明测量装置简单，易于实现，便捷有效、成本相对较低，有效减小了热气流对系统成像的影响，能够有效地修正热气流对数字图像相关测量精度的影响。
本发明采用粘有圆形编码点的石英玻璃，由于石英玻璃具有耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，试验中石英玻璃作刚体运动，不受热气流影响。对稳定热气流影响前后的圆形标识点阵列进行识别，通过三维数字图像相关(3D-DIC)算法求解圆形标识点的虚位移场，根据伪位移场确定由于热气流的影响造成圆形标识点产生虚位移场的参数矩阵，运用该参数矩阵对用3D-DIC算法求解的试件表面数字散斑位移场进行修正，从而得到在热气流影响下被测试件表面更精确的位移分布场。本发明测量装置简单，易于实现，成本相对较低、便捷且方法更加有效，有效减小了热气流对系统成像的影响，能够全面系统地修正热气流对数字图像相关测量精度的影响，有效地提高数字图像相关测量的环境适应性，实现在热环境下进行更精确测量的目的。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明测量装置简单。与传统的气动装置方法相比，本发明装置仅由两个工业相机、光学防振平台、加热器、标定板组成，不需要布置风扇或风刀等气动装置，试验装置更为简单且易于实现。
(2)操作简单方便。在热环境下进行数字图像相关测量时，传统的方法是通过在光路中加入气动装置的方法，通过控制气动装置风速的大小来减小热气流对试验精度的影响，传统方法控制风速较为困难且对试验精度提高影响甚微；本发明成本相对较低、便捷且方法更加有效，有效减小了热气流对系统成像的影响，能够全面系统地修正热气流对数字图像相关技术的影响。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
图2为粘贴有圆形编码点阵列的透明色石英玻璃。
图中有：1.圆形编码点，2.石英玻璃，3.喷有散斑的试件，4.加热器，5.左相机，6.右相机，7.数据线，8.计算机。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本说明作进一步的说明。
搭建双目立体视觉系统，将两个工业相机固定在光学防振平台上，根据待测量的光学标识点间的距离确定相机的视场、间距，并使得两相机夹角在30°左右，将贴有圆形编码点的石英玻璃放置在喷有散斑的试件表面，待加热器温度达到稳定后，进行试验测量。
本发明用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法包括以下步骤：
1)布置3D-DIC方法所需的试验装置：将试件表面喷涂均匀的哑光白底漆晾干后，在哑光白底漆上均匀喷洒哑光黑色散斑并晾干，从而在试件表面形成灰度均匀的数字散斑场；通过CMM_2014软件生成具有合适直径的中心定位圆的编码点阵列，将贴有圆形编码点阵列的石英玻璃紧贴在试件表面放置，将喷漆处理好的试件固定在隔震台上，确保试件竖直放置；架设3D-DIC设备：将两台工业相机用夹具固定在隔震台上，通过数据线和数据采集卡将采集计算机与相机相连，使试件均匀布置在视场中；在相机和试件之间布置加热装置；调节相机镜头的光圈和焦距至3D-DIC软件得到最佳的图像质量为止；使用标定板进行试验初始标定，保存标定图片至计算机；调节加热器至稳定温度状态，连续采集试件图片，保存至计算机；
2)对稳定热气流影响前后的圆形标识点阵列进行识别，采用3D-DIC算法求解圆形编码点分别沿x，y，z方向的虚位移量uci，vci，wci和圆形编码点的三维坐标xci，yci，zci；因为贴有圆形编码点的石英玻璃作刚体运动且不受热气流影响，故uci，vci，wci满足下式：
式中和为待求的参数矩阵，通过线性最小二乘法计算求得满足等式的参数矩阵和
3)通过3D-DIC算法求解喷有散斑的试件沿x，y，z方向的位移量usi，vsi，wsi；
4)对用3D-DIC方法求解的喷有散斑的试件的位移量usi，vsi，wsi进行修正：因为附有圆形编码点的石英玻璃板和喷有散斑的试件在一个大的刚性平面上，所以uci，vci，wci和usi，vsi，wsi满足的数学表达式和参数矩阵是一样的，故修正后试件的位移场
式中u′si，v′si，z′si分别为对热气流影响进行修正后的喷有散斑的试件沿x，y，z方向的真实位移量；矩阵表示矩阵的逆矩阵
如附图1中所示，本发明的优选实施例中，透明色石英玻璃板上圆形编码点阵列占试件表面数字散斑场面积不超过10％，圆形编码点阵列为10×10，编码点的中心定位圆的直径为20像素，被圆形编码点遮挡的部分散斑的应变分布由插值法求得。标定板为编码标定板，两相机光轴夹角为30°，产生热气流的加热装置为高温熔炉、红外线加热装置或CO2激光加热器。
本发明的另外两个实施例中，编码点的中心定位圆的直径分别为15和18像素。

Claims (6)

1.一种用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)布置3D-DIC方法所需的试验装置：将试件表面喷涂均匀的哑光白底漆晾干后，在哑光白底漆上均匀喷洒哑光黑色散斑并晾干，从而在试件表面形成灰度均匀的数字散斑场；生成具有中心定位圆的圆形编码点阵列，将贴有圆形编码点阵列的石英玻璃紧贴在试件表面放置，将喷漆处理好的试件固定在隔震台上，确保试件竖直放置；架设3D-DIC设备：将两台工业相机用夹具固定在隔震台上，通过数据线和数据采集卡将采集计算机与相机相连，使试件均匀布置在视场中；在相机和试件之间布置加热装置；调节相机镜头的光圈和焦距至3D-DIC软件得到最佳的图像质量为止；使用标定板进行试验初始标定，保存标定图片至计算机；调节加热器至稳定温度状态，连续采集试件图片，保存至计算机；
2)对稳定热气流影响前后的圆形标识点阵列进行识别，具体方式为：采用3D-DIC算法求解圆形编码点分别沿x，y，z方向的虚位移量uci，vci，wci和圆形编码点的三维坐标xci，yci，zci；
通过线性最小二乘法和下列关系式计算求得参数矩阵和
3)通过3D-DIC算法求解喷有散斑的试件沿x，y，z方向的位移量usi，vsi，wsi；
4)按照下式对所述步骤3)得到的喷有散斑的试件沿x，y，z方向的位移量usi，vsi，wsi进行修正，得到对热气流影响进行修正后喷有散斑的试件的位移场
式中u′si，v′si，z′si分别为对热气流影响进行修正后的喷有散斑的试件沿x，y，z方向的真实位移量；矩阵表示矩阵的逆矩阵。
2.根据权利要求1所述的用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，其特征在于，所述步骤1)中石英玻璃板上的圆形编码点阵列面积不超过试件表面数字散斑场面积的10％，圆形编码点的中心定位圆的直径为15～20像素。
3.根据权利要求1所述的用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，其特征在于，所述步骤1)中的标定板为编码标定板。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，其特征在于，所述步骤1)中两台工业相机的光轴夹角为30°。
5.根据权利要求1、2或3所述的用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，其特征在于，所述步骤1)中的加热装置为高温熔炉、红外线加热装置或CO2激光加热器。
6.根据权利要求1、2或3所述的用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，其特征在于，所述步骤2)中，参数矩阵的参数满足R12＝R21，R23＝R32，R13＝R31。
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