CN111412850B - 一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统及方法，属于数字图像应用领域。本发明所述系统包括：He‑Ne激光器、工业相机、平面镜Ⅱ、平面镜Ⅰ、平面镜Ⅲ、扩束镜、准直镜、毛玻璃等；利用在被测物体喷涂绿色随机散斑点作为标识点Ⅰ，通过He‑Ne激光器透过毛玻璃产生随机红色散斑点作为标识点Ⅱ，随着被测物体的移动，标识点Ⅰ随着物体的移动而发生移动，而标识点Ⅱ并不发生移动。对标识点Ⅰ和Ⅱ的散斑图像分别计算位移场，两者的差值作为被测物体实际的变形场，极大地消除了热扰动所带来的影响。本发明所述装置用于在高温环境下对物体进行三维形貌及其变形场的测量，消除热扰动带来的测量误差，使结果更加精确。

Description

一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统及方法，属于数字图像应用领域。
背景技术
数字图像相关作为一种非接触式的测量方法，在航天，机械，土木等领域展现出巨大的优势。随着科技的飞速发展，对材料的要求也逐步提高。许多新型材料需要在高温高压腐蚀性的恶劣环境下工作，例如航空喷气式发动机最高温度可达1000℃。因此，研究材料在高温环境下的力学性能显得至关重要，目前测量材料力学性能的手段大多是一些接触式的测量方法。例如：应变片测量，传感器测量等。由于材料处在高温环境中，传统的接触式测量方法便不再合适，数字图像处理作为一种非接触式的测量手段，就展现出其独特的优势。
材料处在高温环境中，空气受温度的影响，空间局部温度不均匀，导致空气密度分布不均匀，光在非均匀介质中传播，其传播路线也会发生偏移，造成成像模糊，无法观测到真实图像，因此，在成像过程中，需要对热扰动影响进行修正。通过数字图像相关的方法进行测量时，如何修正热扰动所带来的影响，成为能否精确测量的关键。
传统的三维数字图像处理都是基于多个工业摄像头，成本昂贵，同时加大了硬件和软件上的复杂性；通时，采用两个摄像头，会增加同步传输中的时间误差，特别是在高速摄像机中，该误差会进一步放大；因此，选择更为经济，且算法更为简单的测量系统迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统，不仅发挥了数字图像处理中的非接触的优点，并且消除了热扰动和时间传输的影响，节约出成本，优化算法。
所述高温三维数字图像相关测量系统，包括工业相机1、遮光器2、He-Ne激光器3、扩束镜4、准直镜5、平面镜Ⅰ6、平面镜Ⅱ7、毛玻璃8、待测高温试件9、平面镜Ⅲ10，He-Ne激光器3发射激光，发射的激光依次经过扩束镜4、准直镜5、毛玻璃8后让其散斑点随机分布在待测高温试件9表面，作为标识点Ⅱ，待测高温试件9表面用绿色油漆涂有随机绿色散斑；标定板位于待测高温物体处，用于探测系统各项参数；
平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7位于待测高温试件9斜上方，成一定的角度对称放置，待测高温试件9表面的光线反射到平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7中，平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7中的光线，反射到平面镜Ⅲ10中，工业相机1位于待测高温试件9的正前方，平面镜Ⅲ10位于工业相机1的前方；He-Ne激光器3、扩束镜4、准直镜5、毛玻璃8、工业相机1、平面镜Ⅲ10位于平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7的对称轴线上，依次排列放置；工业相机1可上下左右调节角度和距离，镜头正对平面镜Ⅲ10。
优选的，本发明所述标定板为几何尺寸已知的棋盘格或其他形式。
本发明的另一目的在于提供一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量方法，利用在被测物体喷涂绿色随机散斑点作为标识点Ⅰ，通过He-Ne激光器透过毛玻璃产生随机红色散斑点作为标识点Ⅱ，随着被测物体的移动，标识点Ⅰ随着物体的移动而发生移动，标识点Ⅱ则并不随着待测高温试件的移动而移动，其改变量近似可看成是因热扰动所引起的折射差带来的位移，对标识点Ⅰ和Ⅱ的散斑图像分别计算位移场，两者的差值作为被测物体实际的变形场；具体包括以下步骤：
(1)首先，将标定板放置在系统中央，通过标定和测量获得系统与相机的内外参数，其中内参：
Figure BDA0002421920740000021
u,v,f，分别是x方向一个像素占多少单位；y方向一个像素占多少单位；u,v为图像中心，单位为像素，也就是成像平面中心在像素坐标上的偏移，一般为像素长宽的中心值，F相机焦距；外参：x,y,z方向上，三个方向的旋转参数和三个平移参数ω,δ,θ,TX,TY,TZ；畸变参数：径向畸变参数k1,k2,k3，切向畸变参数p1,p2。
(2)按照待测高温试件9的测量要求，将待测高温试件9放置于系统中央，表面用绿色油漆随机喷涂，作为标识点Ⅰ。
(3)打开He-Ne激光器3，发射的激光经扩束、准直后透过薄片毛玻璃8，让其散斑点随机分布在待测高温试件表面，作为标识点Ⅱ。
(4)放置平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7，平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7成一定的角度放置，使其充分映射出物体的三维信息，平面镜Ⅰ6与水平面夹角为α(10°～20°)，平面镜Ⅱ7与水平面夹角为β(160°～170°)，满足α+β＝π，对称放置在待测高温物体9的两侧，使得待测高温物体9在平面镜Ⅰ6中的像面和平面镜Ⅱ7中的像面重叠部分最多，调整工业相机1，使镜头的中垂线经过平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7在平面镜Ⅲ10中像面的分界线(即平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7的对称轴线上)，保证工业相机1拍摄的照片中两幅像面所占空间尽量相等。
(5)打开工业相机1，装上遮光器2，设平面镜Ⅲ10中，像面所占面的长为a，镜头焦距为f，相机CCD的长为b，移动待测高温试件(9)固定距离，使得相机距平面镜Ⅲ10距离为h，满足
Figure BDA0002421920740000031
拍摄到待测高温试件9，采集图片，将图片按照不同平面镜的像面分割成两部分并对其进行校正，分别提取标识点Ⅰ和标识点Ⅱ的散斑信息，通过1所测系统各项几何参数校正图像，通过分离红绿通道将照片中标识点Ⅰ和标识点Ⅱ的信息分离出来，使用三维数字图像处理，获得全场位移场。
(6)用标识点Ⅰ获取的位移数据减去标识点Ⅱ所获得的位移数据，得到修正后的待测高温物体实际位移，即得到待测高温试件实际变形场。
本发明所述该工业相机的数量是1件，其空间分辨率按测量要求选定即可。
本发明所述工业相机在激光器的上方，配备遮光器，尽可能的禁止激光散斑点漫反射进入镜头。
本发明有益效果：
(1)系统组成结构简单，经济实用，创意巧妙。采用非接触式的数字图像处理方法对试件进行测量，避免了高温环境对接触式测量仪器的损毁，拓宽了测量范围；采用单个镜头，完成三维图像变形场的测量，经济实用，同时避免了多个镜头带来的同步传输中的时间误差。
(2)当试件处在高温环境中，温度分布不均匀造成空气密度不均匀，引起密度的改变，使得光线在传输过程中发生折射，本发明可以很好的消除因高温带来的误差，更好的呈现试件的三维位移场全貌。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图中：1-工业相机；2-遮光器；3-He-Ne激光器；4-扩束镜；5-准直镜；6-平面镜Ⅰ；7-平面镜Ⅱ；8-毛玻璃；9-待测高温试件；10-平面镜Ⅲ。
图2是各散斑点坐标表示示意图。
图3是系统算法流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统，所述高温三维数字图像相关测量系统，包括工业相机1、遮光器2、He-Ne激光器3、扩束镜4、准直镜5、平面镜Ⅰ6、平面镜Ⅱ7、毛玻璃8、待测高温试件9、平面镜Ⅲ10，He-Ne激光器3发射激光，发射的激光依次经过扩束镜4、准直镜5、毛玻璃8后让其散斑点随机分布在待测高温试件9表面，作为标识点Ⅱ，待测高温试件9表面用绿色油漆涂有随机绿色散斑；标定板位于待测高温物体处，用于探测系统各项参数；
平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7位于待测高温试件9斜上方，成一定的角度对称放置，待测高温试件9表面的光线反射到平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7中，平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7中的光线，反射到平面镜Ⅲ10中，工业相机1位于待测高温试件9的正前方，平面镜Ⅲ10位于工业相机1的前方；He-Ne激光器3、扩束镜4、准直镜5、毛玻璃8、工业相机1、平面镜Ⅲ10位于平面镜Ⅰ6和平面镜Ⅱ7的对称轴线上，依次排列放置；工业相机1可上下左右调节角度和距离，镜头正对平面镜Ⅲ10，如图1所示。
实施例2
一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量方法，具体包括以下步骤：
(1)首先，放置好系统各个部件，将标定板放置在系统中央，获取系统和相机的各项参数，包括平面镜Ⅰ6与平面镜Ⅱ7之间的距离，相机距平面镜Ⅲ的距离，工业相机的各项参数。
(2)按照待测高温试件9的测量要求，将待测高温试件9放置于系统中央，表面用绿色油漆随机喷涂，作为标识点Ⅰ。
(3)打开He-Ne激光器3，发射的激光经扩束、准直后透过薄片毛玻璃处8，让其散斑点随机分布在待测高温试件表面，作为标识点Ⅱ；根据步骤(1)获取的几何参数，校正原始图像。
(4)根据图2所示，对获取的校正图像中任意一散斑点P(x,y,z)进行坐标转换，将图像坐标转换为角度坐标，L表示左平面镜，R表示右平面镜，L,R之间的距离用l来表示，O表示为l的中点，C是两平面镜中垂线的焦点；设P是物体表面任意一点，过PLR作三角形PLR的外接圆，其圆心为O'，半径为r，面PLR与面LRO的夹角设为ψ
LO'与LR的夹角设为λL，LO'设为T，所求角∠PLR＝θL，∠PRL＝θR满足：
Figure BDA0002421920740000051
Figure BDA0002421920740000052
(6)采用归一化互相关函数进行匹配，
Figure BDA0002421920740000053
(7)反算出任意一散斑点P(x,y,z)
Figure BDA0002421920740000054
(8)将标识点Ⅰ和标识点Ⅱ的散斑点位移全部计算出来，分别得到标识点Ⅰ中各散斑点位移值(xi,yi,zi)与标识点Ⅱ中各散斑点位移值(x'i,y'i,z'i)，分别进行三维重构。获得全场位移场。
(9)随着待测高温物体的振动，标识点Ⅱ并未发生位移改变，故其各散斑点位移可近似看成是由于高温带来的热扰动所引起的改变，用标识点Ⅰ重构的三维图像减掉Ⅱ重构的三维图像即可得到原待测高温物体真实的三维图像位移，即得到高温环境下待测物体真实的变形场。

Claims (3)

1.一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统，其特征在于：包括工业相机（1）、遮光器（2）、 He-Ne激光器（3）、扩束镜（4）、准直镜（5）、平面镜Ⅰ（6）、平面镜Ⅱ（7）、毛玻璃（8）、待测高温试件（9）、平面镜Ⅲ（10），He-Ne激光器（3）发射激光，发射的激光依次经过扩束镜（4）、准直镜（5）、毛玻璃（8）后让其散斑点随机分布在待测高温试件（9）表面作为标识点Ⅱ，待测高温试件（9）表面用绿色油漆涂有随机绿色散斑；标定板位于待测高温物体处，用于探测系统各项参数；
平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7）位于待测高温试件（9）斜上方，成一定的角度对称放置，待测高温试件（9）表面的光线反射到平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7）中，平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7）中的光线反射到平面镜Ⅲ（10）中，工业相机（1）位于待测高温试件（9）的正前方，平面镜Ⅲ（10）位于工业相机（1）的前方；He-Ne激光器（3）、扩束镜（4）、准直镜（5）、毛玻璃（8）、工业相机（1）、平面镜Ⅲ（10）位于平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7）的对称轴线上，依次排列放置；工业相机（1）可上下左右调节角度和距离，镜头正对平面镜Ⅲ（10）。
2.一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）首先，将标定板放置在系统中央，通过标定与测量获得系统与相机的内外参数；
（2）按照待测高温试件（9）的测量要求，将待测高温试件（9）放置于系统中央，表面用绿色油漆随机喷涂，作为标识点Ⅰ；
（3）打开He-Ne激光器（3），发射的激光经扩束、准直后透过薄片毛玻璃（8），让其散斑点随机分布在待测高温试件（9）表面，作为标识点Ⅱ；
（4）放置平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7），设定一定的角度，使其充分映射出物体的三维信息；所述平面镜Ⅰ（6）与水平面夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，平面镜Ⅱ（7）与水平面夹角为
Figure 787045DEST_PATH_IMAGE002
，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7）对称放置在待测高温物体（9）两侧，使得待测高温物体（9）在平面镜Ⅰ（6）中的像面和平面镜Ⅱ（7）中的像面重叠部分最多，调整工业相机（1），使镜头的中垂线经过平面镜Ⅰ（6）和平面镜Ⅱ（7）在平面镜Ⅲ（10）中像面的分界线，保证工业相机（1）拍摄的照片中两幅像面所占空间相等；
（5）打开工业相机（1），装上遮光器（2），设平面镜Ⅲ（10）中，像面所占面的长为
Figure 563240DEST_PATH_IMAGE004
，镜头焦距为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，相机CCD的长为b，移动待测高温试件（9）固定距离，使得相机距底面距离为
Figure 234655DEST_PATH_IMAGE006
拍摄到待测高温试件（9）图片，采集图片后将图片按照不同平面镜的像面分割成两部分并对其进行校正，分别提取标识点Ⅰ和标识点Ⅱ的散斑信息，通过步骤（1）所测系统各项几何参数校正图像；通过分离红绿通道将照片中标识点Ⅰ和标识点Ⅱ的信息分离出来，通过三维数字图像处理，获得全场位移场；
（6）用标识点Ⅰ获取的位移数据减去标识点Ⅱ所获得的位移数据，得到修正后的待测高温物体实际位移，即得到待测高温试件实际变形场。
3.根据权利要求2所述基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量方法，其特征在于：步骤（4）中
Figure 692181DEST_PATH_IMAGE001
为10°~20°，
Figure 896766DEST_PATH_IMAGE002
为160°~170°。
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