CN110702505B - 一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计 - Google Patents
一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，远心镜头可用来进行高精度位移追踪，不仅可以消除镜头畸变带来的不利影响，还可以避免相机自热和离面位移对测量结果的不利影响；利用立方棱镜的折射原理，可以使远心镜头对被测试件表面的两个不连续视场进行同步、高空间分辨率捕获，利用数字图像相关方法的图像配准算法可精确地追踪标距两个离散的测试点的亚像素精度的位移，通过立方棱镜估算出标距长度，经后期实验数据处理可以确定两个测试点之间的平均应变以及试件的泊松比。由于远心镜头仅捕获包含两个测试点及其附近区域的两个视场的图像，而非被测试件的整个图像，因此，可以实现大标距、高精度、超灵敏的平均应变测量。
Description
技术领域
本发明涉及光测力学技术领域，尤其涉及一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计。
背景技术
运用力学测试方法表征材料的力学性能，是设计、分析材料结构的必备方式，它一直是科研人员和工程师关注的焦点。在众多先进的力学测试方法中，使用万能试验机(UTM)进行单轴拉伸和压缩测试是最有效和广泛采用的方法，因为其具有简单、直接的特点，并且已成功用于表征材料的弹性模量、泊松比、极限拉伸强度等重要参数。为了估计这些材料特性，需要利用有效的方式对被测试件表面的应变进行准确测量。用于测量被测试件表面应变的方法大致可以分为接触式测量方法和非接触式测量方法两种。下面对这两种测量方法进行详细说明。
接触式测量方法，例如，应变片和夹式力学引伸计，特别适合于测量大刚度被测试件的应变。具体地，可以通过在被测试件上粘贴应变片或者通过将夹式力学引伸计安装到被测试件上获得实时应变。但是应变片测量的应变率少于2％，这限制了其在大变形方面的应用。夹式力学引伸计通过将两个刀刃安装到被测试件上来测量平均应变，其安装方式会降低测量精度甚至破坏被测试件。为了稳定地测量被测试件表面应变，需要将夹式力学引伸计固定在被测试件上，这可能会在被测试件上产生应力集中甚至破坏，例如，在测试聚合物、生物材料等软材料时，夹式力学引伸计自身的重量可能会在被测试件上引入额外不必要的变形。当被测试件被破坏时，夹式力学引伸计也很容易损坏。
非接触式测量方法可以有效解决接触式测量方法的自身局限。常规的非接触式测量方法的原理主要为：(1)使用成像系统(例如一个或两个配有常规或特殊镜头的相机)记录被测物体；(2)用数字图像处理方法，例如特征点(网格、圆点等)检测和数字图像相关方法，从捕获的图片中提取两个检测点之间的平均应变。非接触式测量方法在真实实验中，由于不完美加载、相机自热、材料泊松比等因素的存在会产生离面位移，微小的离面位移会产生极大的虚应变，并且，放大倍率的变化在测量结果上也会产生巨大的虚应变，这都会降低测量结果的精确性。此外，由单个相机和常规镜头(满足理想针孔模型)组成的视频引伸计，由于被测试件在拉伸过程中不可避免会产生离面位移，离面位移会改变成像系统的成像关系，从而导致很大的面内变形测量误差，因此，这种采用普通相机的单相机视频引伸计存在测量误差大、精度低的问题；若利用基于双目立体视觉的三维数字图像相关方法(3D-DIC)用作视频引伸计，虽然可以同步测量被测试件的各个方向的位移且不需要考虑离面位移的影响，但系统和算法都非常复杂，且双目立体视觉的系统需要提前标定。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，用以实现高精度、超灵敏的平均应变测量。
因此，本发明提供了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，包括：位于被测试件同一侧且依次排列的立方棱镜、远心镜头和相机，与所述相机电性连接的计算机，以及单色光源；其中，所述单色光源与所述立方棱镜位于所述被测试件的同一侧；所述立方棱镜的光轴与所述视频引伸计整体光路的光轴重合；
所述单色光源，用于对所述被测试件进行照明；
所述立方棱镜，用于将所述被测试件的反射光折射后，分离成两个视场；
所述远心镜头，用于正交捕获所述两个视场的图像；
所述相机，用于实时采集所述两个视场的图像，并将采集的两个视场的图像实时传输到所述计算机；
所述计算机，用于实时显示并存储所述两个视场的图像，在所述相机采集完所有图像之后，对存储的两个视场的图像进行处理，得到两个测试点之间的平均应变；其中，所述两个测试点分别位于所述两个视场的图像中，且沿力的加载方向排列。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，还包括：位于所述立方棱镜与所述远心镜头之间的滤波片；
所述滤波片，用于滤掉所述单色光源的波段以外的光线，保留与所述单色光源的波段对应的光线。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，所述单色光源为蓝光光源。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，所述远心镜头为双远心镜头或物方远心镜头。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，以所述立方棱镜的基底中靠近所述远心镜头的顶点为原点O，建立坐标系O-XYZ，轴OX垂直于所述立方棱镜的基底，轴OY平行于所述立方棱镜的基底且垂直于所述立方棱镜的光轴，轴OZ与所述立方棱镜的光轴重合；
对所述被测试件加载平行于轴OY方向的力，则所述两个测试点之间的平均应变为：
εy＝s(v1-v2)/L；
L＝s(y1-y2)+2K；
其中，v1＝y′1-y1，v2＝y′2-y2，表示所述两个测试点沿力的加载方向的位移，对所述被测试件加载力之前，所述两个测试点在所述相机上所呈的图像点的坐标分别为(x1，y1)和(x2，y2)，对所述被测试件加载力之后，所述两个测试点在所述相机上所呈的图像点的坐标分别为(x′1，y′1)和(x′2，y′2)；s表示所述相机的分辨率与视场大小之间的相互关系，单位为mm/pixel；
d为所述立方棱镜的边长，α＝π/4，
β＝π/2-α，β为光线经过所述立方棱镜的入射角，γ为光线经过所述立方棱镜的折射角。
本发明提供了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，该双视场视频引伸计能够同时追踪两个离散的测试点，两个测试点之间标距的变化量与原始标距的比值即为所需的平均应变。为了获得高灵敏度、高精度的应变测量，需要同时满足大标距与高精度特征点跟踪的要求。本发明采用的远心镜头具有视场小、成像放大倍率高、畸变小的特点，能够采集高放大倍率的图像，可用来进行高精度位移追踪，不仅可以消除镜头畸变带来的不利影响，还可以避免相机自热和离面位移对测量结果的不利影响。但小视场导致无法同时观测到两个给定标距的测试点，基于此，本发明利用立方棱镜的折射原理，能够使远心镜头对被测试件表面的两个不连续视场进行同步、高空间分辨率捕获，从而实现大标距的要求。通过更换棱镜尺寸，本发明的双视场视频引伸计能够满足不同的标距要求。根据棱镜的折射率与尺寸参数，能够高精度地计算两个测试点之间的标距，利用基于数字图像相关方法的图像配准算法可精确地追踪标距两个测试点的亚像素精度的位移，通过立方棱镜估算出标距长度，经后期实验数据处理可以确定两个测试点之间的平均应变以及试件的泊松比。由于远心镜头仅捕获包含两个测试点及其附近区域的两个视场的图像，而非被测试件的整个图像，因此，可以实现超灵敏、高精度的平均应变测量。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计的结构示意图之一；
图2为图1所示的视频引伸计对应的光路图；
图3为本发明提供的一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计的结构示意图之二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供的一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，如图1所示，包括：位于被测试件1同一侧且依次排列的立方棱镜2、远心镜头3和相机4，与相机4电性连接的计算机5，以及单色光源6；其中，单色光源6与立方棱镜2位于被测试件1的同一侧；立方棱镜2的光轴(即立方棱镜2基底的对角线方向)与视频引伸计整体光路的光轴(如图2所示的远心镜头3中的虚线所示，图2为图1对应的光路图)重合；
单色光源6，用于对被测试件1进行照明；
立方棱镜2，用于将被测试件1的反射光折射后，分离成两个视场；
远心镜头3，用于正交捕获两个视场的图像；
相机4，用于实时采集两个视场的图像，并将采集的两个视场的图像实时传输到计算机5；
计算机5，用于实时显示并存储两个视场(FOV，Field of View)FOV1和FOV2的图像，在相机4采集完所有图像之后，对存储的两个视场的图像进行处理，得到两个测试点之间的平均应变；其中，两个测试点分别位于两个视场的图像中，且沿力的加载方向排列。
本发明提供了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，该双视场视频引伸计能够同时追踪两个离散的测试点，两个测试点之间标距的变化量与原始标距的比值即为所需的平均应变。为了获得高灵敏度、高精度的应变测量，需要同时满足大标距与高精度特征点跟踪的要求。本发明采用的远心镜头具有视场小、成像放大倍率高、畸变小的特点，能够采集高放大倍率的图像，可用来进行高精度位移追踪，不仅可以消除镜头畸变带来的不利影响，还可以避免相机自热和离面位移对测量结果的不利影响。但小视场导致无法同时观测到两个给定标距的测试点，基于此，本发明利用立方棱镜的折射原理，能够使远心镜头对被测试件表面的两个不连续视场进行同步、高空间分辨率捕获，从而实现大标距的要求。通过更换棱镜尺寸，本发明的双视场视频引伸计能够满足不同的标距要求。根据棱镜的折射率与尺寸参数，能够高精度地计算两个测试点之间的标距，利用基于数字图像相关方法的图像配准算法可精确地追踪标距两个测试点的亚像素精度的位移，通过立方棱镜估算出标距长度，经后期实验数据处理可以确定两个测试点之间的平均应变以及试件的泊松比。由于远心镜头仅捕获包含两个测试点及其附近区域的两个视场的图像，而非被测试件的整个图像，因此，可以实现超灵敏、高精度的平均应变测量。
在具体实施时，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，如图3所示，还可以包括：位于立方棱镜2与远心镜头3之间的滤波片7；具体地，滤波片7可以安装在远心镜头3上，滤波片7可以将单色光源6对应波段以外的光线过滤掉，仅保留与单色光源6的波段对应的光线，这样，可以避免被测试件周围光波动对相机成像产生不利影响。
较佳地，为了提高采集到的图像的稳定性，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，单色光源选择蓝光光源，这是因为蓝光可以应用在高温环境中，相机对蓝光的响应较高，光谱中蓝光的分量较小。当然，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，单色光源也可以选择其他波段的光源，例如，红光光源、紫外光源等，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述双视场视频引伸计中，远心镜头为双远心镜头；或者，远心镜头也可以为物方远心镜头，在此不做限定。
下面通过一个具体的实施例对本发明提供的上述双视场视频引伸计的具体原理进行详细说明。
实施例1：
如图2所示，以立方棱镜的基底OABC中靠近远心镜头的顶点O为原点，建立坐标系O-XYZ，轴OX垂直于立方棱镜的基底OABC，轴OY平行于立方棱镜的基底OABC且垂直于立方棱镜的光轴，轴OZ与立方棱镜的光轴重合。立方棱镜的物理参数如下：边长为d，
∠AOC＝2α，则
折射率为n＝1.52。以对被测试件加载平行于轴OY方向的力为例。
被测试件的表面在轴OZ的数值恒定为z0，被测试件的反射光从测试点P1发出，在与立方棱镜的交点D、E处产生折射，最终到达相机的Q1点处。图像点Q1的坐标为(x1,y1)，则E点的坐标为：
E＝(xE,yE)＝(-s(x1-cx),-s(y1-cy))
其中，s表示相机的分辨率与视场大小之间的相互关系，单位为mm/pixel；(cx,cy)是原点O在图像上的投影，以像素为单位。在该光路中，所有光线在平行于立方棱镜基底OABC的平面中传播，因此，所有光线都具有恒定的X坐标。为了便于解释，在不失一般性的情况下，可以忽略X坐标，仅考虑简化的二维条件。
由于轴OZ将∠AOC减半，且∠AOC＝2α，因此，∠AOY＝α。当E点位于立方棱镜基底OABC的边OA上时，即yE>0，则E点的坐标为：
E＝(yE,zE)＝(yE,yEcotα)
在E点处，光将发生折射，光的入射角
根据经典的Snell定律可以得到光的折射角γ为：
因此，线DE和轴OZ之间的夹角为
根据E点的坐标和线DE的方向矢量，可以得到线DE的方程如下：
由于点B位于轴OZ上，则点B的坐标为(0,2dcosα)，线BC的方向矢量为(sinα,cosα)，根据B点的坐标和线BC的方向矢量，可以得到线BC的方程如下：
ycotα+2d cosα-z＝0
由于D点是线DE和线BC的交点，因此，根据线DE和线BC的方程，可以得到D点的坐标为：
其中，
并且，-dsinα<yE-K<0。因此，被测试件表面的测试点P1的坐标为：
P1＝(Y1,Z1)＝(yE-K,z0)＝(-s(y1-cy)-K,z0)
以类似的方式，被测试件的反射光从测试点P2发出，经立方棱镜的折射后，最终到达相机的Q2点处，图像点Q2点的坐标为(x2,y2)，则测试点P2的坐标为：
P2＝(Y2,Z2)＝(-s(y2-cy)+K,z0)
显然，K仅涉及立方棱镜的配置，也就是说，被测试件表面的测试点的位置线性地取决于其在相机上的投影。假设测试点P1和测试点P2是用于应变测量的标准点，则标距长度为：
L＝Y2-Y1＝s(y1-y2)+2K
对被测试件加载力使其发生变形后，测量点P1和测量点P2分别变为P1′点和P2′点，分别对应相机上的点的坐标为(x′1,y′1)和(x′2,y′2)，则标距长度变为：
L′＝Y′2-Y′1＝s(y′1-y′2)+2K
因此，两个测量点P1和P2之间的平均应变为：
εy＝(L′-L)/L＝s(v1-v2)/L
其中，v1＝y′1-y1，v2＝y′2-y2，是测量点P1和测量点P2沿力的加载方向即轴OY方向的位移，利用图像匹配算法跟踪即可。
本发明提供的上述双视场视频引伸计，基于远心镜头和立方棱镜的成像系统，能够同时追踪两个离散的测试点，两个测试点之间标距的变化量与原始标距的比值即为所需的平均应变。为了获得高灵敏度、高精度的应变测量，需要同时满足大标距与高精度特征点跟踪的要求。本发明采用的远心镜头具有视场小、成像放大倍率高、畸变小的特点，能够采集高放大倍率的图像，可用来进行高精度位移追踪，不仅可以消除镜头畸变带来的不利影响，还可以避免相机自热和离面位移对测量结果的不利影响。但小视场导致无法同时观测到两个给定标距的测试点，基于此，本发明利用立方棱镜的折射原理，能够使远心镜头对被测试件表面的两个不连续视场进行同步、高空间分辨率捕获，从而实现大标距的要求。通过更换棱镜尺寸，本发明的双视场视频引伸计能够满足不同的标距要求。根据棱镜的折射率与尺寸参数，能够高精度地计算两个测试点之间的标距，利用基于数字图像相关方法的图像配准算法可精确地追踪标距两个测试点的亚像素精度的位移，通过立方棱镜估算出标距长度，经后期实验数据处理可以确定两个测试点之间的平均应变以及试件的泊松比。由于远心镜头仅捕获包含两个测试点及其附近区域的两个视场的图像，而非被测试件的整个图像，因此，可以实现超灵敏、高精度的平均应变测量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，其特征在于，包括：位于被测试件同一侧且依次排列的立方棱镜、远心镜头和相机，与所述相机电性连接的计算机，以及单色光源；其中，所述单色光源与所述立方棱镜位于所述被测试件的同一侧；所述立方棱镜的光轴与所述视频引伸计整体光路的光轴重合；
所述单色光源，用于对所述被测试件进行照明；
所述立方棱镜，用于将所述被测试件的反射光折射后，分离成两个视场；
所述远心镜头，用于正交捕获所述两个视场的图像；
所述相机，用于实时采集所述两个视场的图像，并将采集的两个视场的图像实时传输到所述计算机；
所述计算机，用于实时显示并存储所述两个视场的图像，在所述相机采集完所有图像之后，对存储的两个视场的图像进行处理，得到两个测试点之间的平均应变；其中，所述两个测试点分别位于所述两个视场的图像中，且沿力的加载方向排列；
以所述立方棱镜的基底中靠近所述远心镜头的顶点为原点O，建立坐标系O-XYZ，轴OX垂直于所述立方棱镜的基底，轴OY平行于所述立方棱镜的基底且垂直于所述立方棱镜的光轴，轴OZ与所述立方棱镜的光轴重合；
对所述被测试件加载平行于轴OY方向的力，则所述两个测试点之间的平均应变为：
εy＝s(v1-v2)/L；
L＝s(y1-y2)+2K；
其中，v1＝y′1-y1，v2＝y′2-y2，表示所述两个测试点沿力的加载方向的位移，对所述被测试件加载力之前，所述两个测试点在所述相机上所呈的图像点的坐标分别为(x1，y1)和(x2，y2)，对所述被测试件加载力之后，所述两个测试点在所述相机上所呈的图像点的坐标分别为(x′1，y′1)和(x′2，y′2)；s表示所述相机的分辨率与视场大小之间的相互关系，单位为mm/pixel；L表示标距长度；
d为所述立方棱镜的边长，α＝π/4，
β＝π/2-α，β为光线经过所述立方棱镜的入射角，γ为光线经过所述立方棱镜的折射角。
2.如权利要求1所述的双视场视频引伸计，其特征在于，还包括：位于所述立方棱镜与所述远心镜头之间的滤波片；
所述滤波片，用于滤掉所述单色光源的波段以外的光线，保留与所述单色光源的波段对应的光线。
3.如权利要求1所述的双视场视频引伸计，其特征在于，所述单色光源为蓝光光源。
4.如权利要求1所述的双视场视频引伸计，其特征在于，所述远心镜头为双远心镜头或物方远心镜头。
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