CN109141267A - 测量材料表面形变的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种测量材料表面形变的方法及装置，用以解决相关技术中在基于材料表面图像测试材料表面形变时，由于材料在高温下自身产生的辐射光会对材料表面的图像造成干扰的问题。公开的测量材料表面形变的方法，包括：获取试件在被烧蚀过程中所述试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像，第一图像以及第二图像通过紫外相机采集得到，试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；根据第一图像以及第二图像确定试件表面产生的形变。本公开实施例提供的方案，可以避免试件由于高温自身产生辐射光的干扰，使得后续在对获取到的试件表面的图像进行处理的过程中，无需再对图像的光亮度进行校正，简化了图像处理过程。
Description
技术领域
本公开涉及光学技术领域，尤其涉及一种测量材料表面形变的方法及装置。
背景技术
高温合金及复合材料由于其良好的力学特性和抗高温性能，广泛应用于航天航空、核能等领域。特别在航空高超声速飞行器结构材料中，飞行器外形承受的气动热随着飞行器速度的增加而增大，在超高声速飞行情况下，飞行器表面的结构材料会发生形变。形变测量是固体力学、材料科学以及结构健康监测等研究工作中重要的内容，结构在负荷情况下力学行为的研究和预测是在对结构形变精确测量的基础上实现的。
利用高温风洞模拟高超声速飞行器飞行服役环境为飞行器结构及材料提供了理想的测试环境。现有高温风洞分为燃气风洞和电弧风洞，高温电弧风洞中由于物体表面温度较高，无法实现接触式的形变测量，必须利用非接触式的测量，例如基于拍摄物体表面的图像进行测量。根据普朗克辐射定律，随着物体温度的升高，其表面热辐射也随之增加，而且不同波段的辐射相对值也发生变化。故物体自身产生的辐射会对测量得到的图像造成一定影响，使得图像无法真实呈现物体表面产生的形变。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种测量材料表面形变的方法及装置，用以解决相关技术中在基于材料表面图像测试材料表面形变时，由于材料在高温下自身产生的辐射光会对材料表面的图像造成干扰的问题。
根据本公开的一个方面，提供了一种测量材料表面形变的方法，包括：获取试件在被烧蚀过程中所述试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像，所述第一图像以及所述第二图像通过紫外相机采集得到，所述试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；根据所述第一图像以及所述第二图像确定所述试件表面产生的形变。
可选地，所述获取所述第一图像以及所述第二图像，包括：获取通过两个紫外相机同步采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
可选地，所述紫外相机为双目紫外相机，所述获取所述第一图像以及所述第二图像，包括：获取所述双目紫外相机采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
可选地，所述根据所述第一图像以及所述第二图像确定所述试件表面产生的形变，包括：在所述第二图像中确定与所述第一图像中的第一采样区域纹理特征一致的第二采样区域，所述第一采样区域以及所述第二采样区域为所述试件表面的同一子区域；基于所述第一采样区域的中心的第一坐标以及所述第二采样区域中心的第二坐标计算所述试件对应的位移场；根据所述位移场确定所述子区域发生形变对应的应变场，作为所述试件表面发生形变对应的应变场。
可选地，所述试件表面附着有耐烧蚀的散斑，或者所述试件表面具有裂纹、凹槽或凸起。
根据本公开的第二个方面，提供了一种测量材料表面形变的装置，包括：获取模块，用于获取试件在被烧蚀过程中所述试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像，所述第一图像以及所述第二图像通过紫外相机采集得到，所述试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；确定模块，用于根据所述第一图像以及所述第二图像确定所述试件表面产生的形变。
可选地，所述获取模块，包括：获取通过两个紫外相机同步采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
可选地，所述紫外相机为双目紫外相机，所述获取模块用于：获取所述双目紫外相机采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
可选地，所述确定模块，包括：第一确定单元，用于在所述第二图像中确定与所述第一图像中的第一采样区域纹理特征一致的第二采样区域，所述第一采样区域以及所述第二采样区域为所述试件表面的同一子区域；计算单元，用于基于所述第一采样区域的中心的第一坐标以及所述第二采样区域中心的第二坐标计算所述试件对应的位移场；第二确定模块，用于根据所述位移场确定所述子区域发生形变对应的应变场，作为所述试件表面发生形变对应的应变场。
可选地，所述试件表面附着有耐烧蚀的散斑，或者所述试件表面具有裂纹、凹槽或凸起。
基于本公开实施例的方案，由于物体只有在其温度高于5900℃自身才会辐射紫外光波段的光，故在被测材料温度不高于5900℃的情况下，本公开实施例的测量材料表面形变的方法，利用紫外光作为入射光源照射试件表面，利用紫外相机获取试件表面的图像，可以避免试件由于高温自身产生辐射光的干扰，使得后续在对获取到的试件表面的图像进行处理的过程中，无需再对图像的光亮度进行校正，简化了图像处理过程。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种测量材料表面形变的方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例的测量材料表面形变的系统；
图3是根据一示例性实施例示出的测量材料表面形变的装置的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1是根据一示例性实施例示出的一种测量材料表面形变的方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101：获取试件在被烧蚀过程中试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像；其中，第一图像以及第二图像通过紫外相机采集得到，试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；
在本实施例中，可以将试件置于高温风洞中对试件进行烧蚀，高温风洞可以采用燃气风洞或电弧风洞。例如，可以采用50MW电弧风洞。
本实施例中的试件为某一被测材料的测试件，该试件的尺寸可以为50mm×50mm×10mm。
步骤102：根据第一图像以及第二图像确定试件表面产生的形变。
由于物体只有在其温度高于5900℃自身才会辐射紫外光波段的光，故在被测材料温度不高于5900℃的情况下，本实施例的测量材料表面形变的方法，利用紫外光作为入射光源照射试件表面，利用紫外相机获取试件表面的图像，可以避免试件由于高温自身产生辐射光的干扰，使得后续在对获取到的试件表面的图像进行处理的过程中，无需再对图像的光亮度进行校正，简化了图像处理过程。
为了能够在三维空间下了解试件在被烧蚀过程中试件表面产生的形变状况，可以获取试件表面动态变化的三维图像。基于此，在一种可实现方式中，获取试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像的步骤，包括：获取通过两个紫外相机同步采集的一组第一图像以及一组第二图像，其中，一组第一图像包括两个紫外相机分别采集到的两个第一图像，一组第二图像包括两个紫外相机分别采集到的两个第二图像。此外，在获取图像的过程中，将两个相机对焦到同一物体表面，使其在两个相机中均有成像，该两个相机固定，保证其相对位移不变。在另一种可实现方式中，紫外相机为双目紫外相机，基于此，获取第一图像以及第二图像的步骤，包括：获取双目紫外相机采集的一组第一图像以及一组第二图像，其中，每组第一图像以及第二图像包括通过该两个紫外相机采集到的两个图像。
在一种实现方式中，根据第一图像以及第二图像确定试件表面产生的形变的步骤包括：在第二图像中确定出与第一图像中的第一采样区域纹理特征一致的第二采样区域，其中，第一采样区域以及第二采样区域为试件表面的同一子区域；基于第一采样区域的中心的第一坐标以及第二采样区域中心的第二坐标计算试件对应的位移场；其中，试件对应的位移场即为由于试件表面产生形变，导致试件的三维图像中图像采样区域中的采样点产生的位移场。根据试件对应的位移场确定试件表面的子区域产生形变对应的应变场，作为试件发生形变对应的应变场。示例的，一个半径为r位于参考图像中的圆形子区，其中，参考图像为上述第一图像的一个示例，圆形子区为上述采样区域的一个示例，确定其在当前图像中的位置，当前图像为上述第二图像的一个示例。当位于参考图像中的圆形子区与对应的当前图像中的子区匹配时，子区的中心坐标(xc，yc)和(xc’，yc’)得以确定，相应的子区中心的位移(u，v))可以通过下式计算得出：
应变场εxx、εyy、εxy可以通过对位移场求差分得到，或者通过最小二乘法拟合子区的位移场，得到位移场方程，对拟合的位移场方程求导后得到(实际上拟合得到的系数即为位移场)。
为了便于对获取到的试件的图像进行特征识别，在一种可实现方式中，可以在试件表面设置散斑，例如，在试件表面附着有耐烧蚀的散斑，还可以基于试件本身具有的纹理特征进行识别，例如试件表面具有的裂纹、凹槽或凸起。
图2是根据一示例性实施例的测量材料表面形变的系统，该系统在高温风洞中利用紫外光作为入射和接收光源的双目视觉装置基于被测材料表面的散斑或特征点对固体材料表面的形变进行实时测量，其中，特征点指材料表面本身具有的裂纹、凹槽或凸起。该系统包括：高温风洞21、被测材料的试件22、观测窗口23、紫外相机24、紫外光源25、紫外相机26、同步处理单元27以及图像处理单元28；其中，被测材料的试件26置于高温风洞21中，高强的紫外光光源25经过观测窗口23照射在试件22表面，紫外相机24以及紫外相机26透过高温风洞上的观测窗口23对试件22表面进行拍摄，紫外相机24以及紫外相机26和紫外光源25连接到同步控制单元27，以及图像处理单元28，双目视觉系统的紫外相机24和26通过同步控制单元27链接，在同步控制单元27对紫外相机24以及26进行的同步控制下，紫外相机24和26透过高温风洞21上的观察窗口23对试件22表面进行同步拍摄，并将拍摄得到的图像传输给图像处理单元28。图像处理单元28可以通过DIC(Digital Image Correlation，数字图像相关技术)处理算法，实时获取高温风洞中被测材料试件表面的图像，以对被测材料试件表面的形变进行实时监测。
在一种可实现方式中，基于图2所示的系统，测量材料表面形变的方法可以包括如下处理：
在被测材料试件表面均匀喷洒耐烧蚀的散斑；
将被测材料试件置于高温风洞中，开启高温风洞对材料进行烧蚀；
将高强度的紫外光透过高温风洞的观察窗口对准被测材料试进行照射；
将两个紫外相机，对焦到被测材料试件表面，使其在两个紫外相机中均有成像，两个紫外相机固定，保证其相对位移不变。将准备好的标定靶置于被测材料试件表面上方，采集标定靶图像，进行标定以获得两个相机的内参数、外参数及畸变参数。同步控制单元对两个紫外相机进行控制，使两个紫外相机同步对被测材料试件表面进行拍摄，将拍摄得到的图像发送至图像处理单元，图像处理单元通过DIC处理算法，实时获取被测材料试件在被烧蚀的过程中其表面的图像。利用二维数字图像相关法对两个相机采集的图像进行相关匹配，得到试件表面的采样点在两个相机拍摄得到的图像中的像素位置。再通过双目视觉原理和标定的参数、外参数及畸变参数基于已有的三维图像原理即能恢复试件的三维形态。由于试件表面的纹理信息不会随着试件表面的形变而变化，因此试件表面形变前以及形变后的图像可以使用数字图像相关匹配法进行匹配，得到试件形变前后对应的图像坐标。通过形变前后的图像坐标确定试件形变前后的对应三维坐标。将对应的三维坐标相减可得到物体的位移场。通过对位移场结合试件三维坐标进行局部拟合计算，得到试件形变前后的三维应变场，该三维应变场即可以在三维空间内表示应变状态随空间点的变化。
图3是根据一示例性实施例示出的测量材料表面形变的装置的框图，如图3所示，该装置30包括如下组成部分：
获取模块31，用于获取试件在被烧蚀过程中试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像，第一图像以及第二图像通过紫外相机采集得到，试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；
确定模块32，用于根据第一图像以及第二图像确定试件表面产生的形变。
在一种可实现方式中，获取模块31可以包括：获取通过两个紫外相机同步采集的一组第一图像以及一组第二图像。在另一种可实现方式中，紫外相机为双目紫外相机，基于此，获取模块31可以用于：获取双目紫外相机采集的一组第一图像以及一组第二图像。
在一种可实现方式中，确定模块32包括：第一确定单元，用于在第二图像中确定与第一图像中的第一采样区域纹理特征一致的第二采样区域，第一采样区域以及第二采样区域为试件表面的同一子区域；计算单元，用于基于第一采样区域的中心的第一坐标以及第二采样区域中心的第二坐标计算试件对应的位移场；第二确定模块，用于根据位移场确定子区域发生形变对应的应变场，作为试件发生形变对应的应变场。
在一种可实现方式中，试件表面附着有耐烧蚀的散斑，或者试件表面具有裂纹、凹槽或凸起。
本实施例提供的方案，利用紫外光结合散斑及特征点对材料表面形变进行测量，满足高温电弧风洞的测量要求。由于高温风洞内的材料表面温度一般小于3000℃，而温度小于5900℃时物体本身并不会向外辐射紫外光，因此在高温风洞中利用紫外光光源作为入射光以及利用紫外相机作为接收光测量材料表面形变不会存在物体自身辐射光的干扰。从而无需对拍摄得到的图像进行光亮度校正，简化了图像处理过程。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种测量材料表面形变的方法，其特征在于，包括：
获取试件在被烧蚀过程中所述试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像，所述第一图像以及所述第二图像通过紫外相机采集得到，所述试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；
根据所述第一图像以及所述第二图像确定所述试件表面产生的形变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述第一图像以及所述第二图像，包括：
获取通过两个紫外相机同步采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外相机为双目紫外相机，所述获取所述第一图像以及所述第二图像，包括：
获取所述双目紫外相机采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一图像以及所述第二图像确定所述试件表面产生的形变，包括：
在所述第二图像中确定与所述第一图像中的第一采样区域纹理特征一致的第二采样区域，所述第一采样区域以及所述第二采样区域为所述试件表面的同一子区域；
基于所述第一采样区域的中心的第一坐标以及所述第二采样区域中心的第二坐标计算所述试件对应的位移场；
根据所述位移场确定所述子区域发生形变对应的应变场，作为所述试件表面发生形变对应的应变场。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试件表面附着有耐烧蚀的散斑，或者所述试件表面具有裂纹、凹槽或凸起。
6.一种测量材料表面形变的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取试件在被烧蚀过程中所述试件表面产生形变之前的第一图像以及产生形变之后的第二图像，所述第一图像以及所述第二图像通过紫外相机采集得到，所述试件在被烧蚀的过程中被紫外光照射；
确定模块，用于根据所述第一图像以及所述第二图像确定所述试件表面产生的形变。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块，包括：
获取通过两个紫外相机同步采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述紫外相机为双目紫外相机，所述获取模块用于：
获取所述双目紫外相机采集的一组所述第一图像以及一组所述第二图像。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述确定模块，包括：
第一确定单元，用于在所述第二图像中确定与所述第一图像中的第一采样区域纹理特征一致的第二采样区域，所述第一采样区域以及所述第二采样区域为所述试件表面的同一子区域；
计算单元，用于基于所述第一采样区域的中心的第一坐标以及所述第二采样区域中心的第二坐标计算所述试件对应的位移场；
第二确定模块，用于根据所述位移场确定所述子区域发生形变对应的应变场，作为所述试件表面发生形变对应的应变场。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述试件表面附着有耐烧蚀的散斑，或者所述试件表面具有裂纹、凹槽或凸起。
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