CN109916339B - 一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法及装置，所述装置包括24个led光源，高速照相机，环形支架以及图像处理计算单元；所述测量方法包括如下步骤：1)，将复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准待测碳纤维复合材料，距离大概在20cm左右；2)，环形led光源自第一号光源开始，环形亮光源一圈，每号光源亮的时候，其他所有光源关闭，同时，高速照相机记录没号光源亮的时候被测物体的反光情况；3)，将所记录的照片导入图像处理计算单元，计算碳纤维材料的角度情况。本发明针对碳纤维材料角度的测量，能显著提高碳纤维复合材料的性能预测结果。

Description

一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法及装置

【技术领域】

本发明涉及一种纤维角度的预测方法及装置，具体涉及一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法及装置，属织物增强复合材料技术领域。

【背景技术】

从机器视觉诞生之初，人们就开始研究纤维复合材料角度的自动检测。纹理分析是对碳纤维材料进行分割、分类和缺陷检测的主要工具。近年来，随着工业制造中碳纤维材料和玻璃纤维材料的增多，这一问题越来越受到人们的关注。然而，由于这些纤维材料的镜面反射现象以及碳纤维对光的高吸收率现象，它们的光学性能使得角度识别难度很大。为解决这种问题，传统的机器视觉方法为使用漫射光来抑制镜面反射，生成均匀的图像来处理上述问题带来的负面效果。然而，这种方法同时也降低了重要纹理特征的对比度，使得测量效果降低，所测得角度偏差变大。

光照体视系统，即光度立体视觉是计算机视觉中的一种技术，通过观察物体在不同光照条件下的表面法线来测量物体的角度。它是基于这样一个现象，即一个物体的表面所反射的光量取决于该表面相对于光源和观察者的方向。通过测量射入的光量，可以测得所测量物体的表面法线，继而测量出待测物体的角度。

目前，纤维角度的主要测量方法为使用复杂的算法来跟踪纤维的方向，这可以扫描低质量的图像。然而，这些方法不利于纤维角度测量的快速进行，纤维的识别主要根据其颜色与非纤维的材料的色差进行分别，但由于色差的不明显以及纤维的数量庞大，造成了需要大量的计算成本与计算时间，效率过低。此外，目前的算法进行全图的识别，步骤繁琐，过于复杂，虽然检测准确率高，但不符合目前需求，性价比低。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的基于光照体视系统的测量纤维角度的方法及装置，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法，其针对碳纤维材料角度的测量，能显著提高碳纤维复合材料的性能预测结果。

本发明的目的在于提供一种基于光照体视系统的测量纤维角度的装置。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法，其采用一种复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置，该装置包括24个led光源，高速照相机，环形支架以及图像处理计算单元；

所述测量方法包括如下步骤：

1)，将复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准待测碳纤维复合材料，距离大概在20cm左右；

2)，环形led光源自第一号光源开始，环形亮光源一圈，每号光源亮的时候，其他所有光源关闭，同时，高速照相机记录没号光源亮的时候被测物体的反光情况；

3)，将所记录的照片导入图像处理计算单元，计算碳纤维材料的角度情况。

本发明的基于光照体视系统的测量纤维角度的方法进一步为：所述的高速相机所得图像根据图像处理计算单元可知反射现象最明显的两张图像，并得出相对的两个反射现象最明显的led光源的位置坐标，已知被测物体观测位置与高速相机的位置坐标，计算得出ol1向量与oc向量；

其中一个led光源位置与被测物体观测位置的方向向量为ol1向量，被测物体观测位置与高速相机的方向向量为oc向量；而s1向量为ol1向量与oc向量在被测物体观测位置o的法向量；同理，可计算得出的ol2向量与oc向量；

另一个led光源位置与被测物体观测位置的方向向量为ol2向量，被测物体观测位置与高速相机的方向向量为oc向量，s2向量为向量ol2与向量oc在被测物体观测位置o的法向量；

而碳纤维方向f向量即为向量s1与向量s2的叉乘。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种基于光照体视系统的测量纤维角度的装置，其包括24个led光源，高速照相机，环形支架以及图像处理计算单元；其中，所述24个led光源环形安装于环形支架之上；高速相机安装于环形支架的同一水平面上，在每一个led光源点亮时拍摄被测碳纤维材料的反射情况，用于后续的角度计算；所述图像处理计算单元安装于图像获取单元后，用于图像的后续处理与角度的计算；复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准待测复合纤维材料，以获取后续图像。

本发明的基于光照体视系统的测量纤维角度的装置进一步为：所述复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准被测碳纤维材料，高速相机记录24盏led光源照射的情况，当碳纤维复合材料的排列角度一致时，将会在两种不同的角度的led照射情况下产生强烈的反射现象；高速相机记录的图像信息由图像处理计算单元分析，并得出所产生强烈的反射现象的两个led光源相对于被测碳纤维材料的角度，用于后续的碳纤维材料的角度计算。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的基于成熟的光照体视系统技术，利用并延伸于织物增强复合材料技术领域，用于测量纤维的角度，本方法所需成本较低，并能有较优良的检测效果，可以应用于平面的碳纤维材料的整体表面角度测量。

2.本发明的角度计算较为简便，可以在短时间内得出结果，用于数据分析，可用于碳纤维复合材料的机械性能的测量，特别是压缩刚度或强度，有利于碳纤维材料行业的发展。

【附图说明】

图1是推导所述碳纤维材料角度计算辅助用图1。

图2是推导所述碳纤维材料角度计算辅助用图2。

图3是推导所述碳纤维材料角度计算辅助用图3。

图4是推导所述碳纤维材料角度计算辅助用图4。

图5-1和图5-2是基于光照体视系统的测量纤维角度的装置的示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图5-2所示，本发明为一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法及装置，所述装置为一种复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置，其高速照相机1，24个led光源2，环形支架3，图像处理计算单元4，其主要作用为获取每盏led光源2点亮时的被测碳纤维材料的反光情况，为后续的碳纤维复合材料提供计算数据。

其中，所述高速照相机1的镜头对准待测复合纤维材料。所述环形支架2安装于高速照相机1的同一水平面。24个led光源3环形安装于环形支架2之上，在测量时相继接通电源点亮，环形点亮一周，每个led光源3点亮时剩余led光源关闭电源。所述高速相机1在每一个led光源3点亮时拍摄被测碳纤维材料的反射情况。所述图像处理计算单元4安装于图像获取单元上方，用于图像获取后的分析与计算。

所述复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准被测碳纤维材料，高速相机1记录24盏led光源2照射的情况，当碳纤维复合材料的排列角度一致时，将会在两种不同的角度的led照射情况下产生强烈的反射现象；高速相机1记录的图像信息由图像处理计算单元4分析，并得出所产生强烈的反射现象的两个led光源2相对于被测碳纤维材料的角度，用于后续的碳纤维材料的角度计算。

因此，上述装置的测量方法包括如下步骤：

1)，将复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准待测碳纤维复合材料，距离大概在20cm左右；

2)，环形led光源自第一号光源开始，环形亮光源一圈，每号光源亮的时候，其他所有光源关闭，同时，高速照相机记录没号光源亮的时候被测物体的反光情况；

3)，将所记录的照片导入图像处理计算单元，计算碳纤维材料的角度情况。

所述高速相机所得图像根据图像处理计算单元可知反射现象最明显的两张图像，并得出相对的两个反射现象最明显的led光源的位置坐标，又被测物体观测位置与高速相机的位置固定，可知被测物体观测位置与高速相机的位置坐标。可由上述推导过程，计算得出在图4中的ol1向量与oc向量。其中，一个led光源位置与被测物体观测位置的方向向量为ol1向量，被测物体观测位置与高速相机的方向向量为oc向量。而s1向量为ol1向量与oc向量在被测物体观测位置o的法向量。同理，可计算得出的ol2向量与oc向量。其中，另一个led光源位置与被测物体观测位置的方向向量为ol2向量，被测物体观测位置与高速相机的方向向量为oc向量，s2向量为向量ol2与向量oc在被测物体观测位置o的法向量。而碳纤维方向f向量即为向量s1与向量s2的叉乘。

实施例

在图1中，假设圆柱为半径为r，长度为2r的碳纤维，r_in为所述led光源发射的入射光线，而r_out为反射光线，点p为碳纤维表面的任意点，n向量为p点关于纤维表面的法向量，n向量与y轴正半轴的夹角为γ，入射光线r_in与p点的夹角为α，反射光线r_out与p点的夹角为θ。

定义

由于n向量为p点在纤维表面的法向量，则：

由图2所述，可将其化简为三维坐标系中的xz面来计算：

由图2可知：

其中，

为

而

为

所以，转为求

这里OP是AO在法向量N上的投影，所以由图3可推导投影向量计算：

因为点积公式：a·b＝|a|·|b|·cosθ

所以

求法向量N的单位法向量n：

所以

即

又由于

其中

为x负半轴的单位法向量

将

带入得：

因为

与

的夹角为90度，所以

所以

所以θ＝α。

由上述可知θ＝α且

与

为单位法向量，所以

在图4中，将图1的纤维半径趋近于0即为f(所述碳纤维复合材料中的一根)，c点为所述高速相机位置，l1与l2为所述led光源的两个反射现象明显的点的位置，所述led光源l1，l2向纤维f发射led光线，经o点反射至观测点高速相机。

则s1为ol1向量与oc向量在点o的法向量，同理可得s2为向量ol2与向量oc在点o的法向量，所以向量s1与向量s2垂直于碳纤维f，又根据基本定理，可知面s₁of与面s₂of相交的线即为纤维f，所以

f向量即为所求纤维的方向向量，本方明可根据所得碳纤维f的方向向量计算碳纤维材料的纤维角度。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于光照体视系统的测量纤维角度的方法，其特征在于：其采用一种碳纤维复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置，该装置包括24个led光源，高速照相机，环形支架以及图像处理计算单元；所述24个led光源环形安装于环形支架之上；高速相机安装于环形支架的同一水平面上，在每一个led光源点亮时拍摄被测碳纤维复合材料的反射情况，用于后续的角度计算；所述图像处理计算单元安装于图像获取单元后，用于图像的后续处理与角度的计算；碳纤维复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准待测复合纤维材料，以获取后续图像；

所述测量方法包括如下步骤：

1)，将碳纤维复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准待测碳纤维复合材料，距离大概在20cm左右；

2)，环形led光源自第一号光源开始，环形亮光源一圈，每号光源亮的时候，其他所有光源关闭，同时，高速照相记录没号光源亮的时候被测物体的反光情况；

3)，将所记录的照片导入图像处理计算单元，计算碳纤维复合材料的角度情况；

所述的高速相机所得图像根据图像处理计算单元可知反射现象最明显的两张图像，并得出相对的两个反射现象最明显的led光源的位置坐标，已知被测物体观测位置与高速相机的位置坐标，计算得出ol1向量与oc向量；

其中一个led光源位置与被测物体观测位置的方向向量为ol1向量，被测物体观测位置与高速相机的方向向量为oc向量；而s 1向量为ol1向量与oc向量在被测物体观测位置o的法向量；同理，可计算得出的ol2向量与oc向量；

另一个led光源位置与被测物体观测位置的方向向量为ol2向量，被测物体观测位置与高速相机的方向向量为oc向量，s2向量为向量ol2与向量oc在被测物体观测位置o的法向量；

而碳纤维方向f向量即为向量s1与向量s2的叉乘。

2.如权利要求1所述的基于光照体视系统的测量纤维角度的方法，其特征在于：所述碳纤维复合材料在不同角度光源的反光情况的获取装置垂直对准被测碳纤维复合材料，高速相机记录24盏led光源照射的情况，当碳纤维复合材料的排列角度一致时，将会在两种不同的角度的led照射情况下产生强烈的反射现象；高速相机记录的图像信息由图像处理计算单元分析，并得出所产生强烈的反射现象的两个led光源相对于被测碳纤维复合材料的角度，用于后续的碳纤维复合材料的角度计算。

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