CN112066912B - 模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，该方法的步骤包括：步骤S1：在模型表面喷涂压力敏感涂料；调整结构光发生器生成的结构光光路，将输出光经结构光扩束后投射至模型；结构光发生器将点光源转换为条纹光用以激发涂层，以激发压力敏感涂料；步骤S2：按照时序控制，同步触发激励光源和相机，捕获了一组四个相移图像；步骤S3：三维表面轮廓和表面压力测量数据处理分为两个并行路径处理；表面压力测量为基于模型的图像灰度信息，计算模型表面压力值；三维表面轮廓为基于相位信号，计算重建模型的3维表面轮廓。该测量装置用来实施上述方法。本发明具有操作简单、非接触式、精度高、测量效率高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到风洞和飞行测试研究技术领域，特指一种基于相移轮廓仪和压敏漆的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置。
背景技术
压敏漆（PSP）技术是一种具有高时空分辨率的表面压力测量技术。与传统的压力扫描阀技术相比，PSP可以在具有高空间分辨率的复杂空气动力学表面上提供非接触式全场测量。在过去的二十年中，PSP技术已广泛应用于风洞和飞行测试研究中。近年来，随着材料科学和光学设备的迅速发展，高性能PSP应用已扩展到恶劣的环境。例如，使用快速响应的PSP的快速移动模型和高超声速测试的测量应用。
PSP的一个优点是它可以轻松地在测试表面上喷涂，使其适合研究具有复杂几何形状的测试模型（例如飞机模型和燃气轮机叶片）的空气动力学和传热问题。在这些应用中，需要三维空气热力学结果来研究空气动力学负载或冷却效率，进而优化空气动力学或冷却配置。为此，结合PSP技术和3D轮廓测定法的3D-PSP研究的兴趣逐渐增加。
现有能实现3维轮廓和表面压力场同步测量的方案有：立体视觉、视频摄影模型变形（VMD）、直接线性变换（DLT）、基于光场相机（LF）的LF-3D-PSP、数字图像相关（DIC）。
DIC和立体视觉方法需要包含两个或更多摄像机的复杂数据采集系统。LF-3D-PSP技术仅需要一个光场相机，就系统复杂性而言具有优势，但需要成本高昂的特制光场相机。单摄像机VMD方法和DLT方法仅需要一台普通摄像机，但必须事先获得有关模型的一些几何信息，例如目标的跨度位置或标记点的真实3D坐标。同时，在立体摄影测量法和VMD，DLT和DIC方法中，在PSP涂层上需要网状网格，或斑点图案。这些会干扰PSP测量，导致图像质量差，空间分辨率降低和近壁流场中的干扰。立体摄影测量法，VMD和DLT方法仅直接计算有限离散点的坐标，这导致有限的空间分辨率，然后通过插值或拟合算法重建整个视场表面。LF-3D-PSP方法由于具有使用光场相机捕获全场信息的能力而具有相对中等的空间分辨率。但是，空间分辨率直接由微透镜阵列（MLA）的分辨率确定，通常情况下成本高昂且分辨率低。从理论上讲，DIC方法可用于逐像素获得高空间分辨率3D轮廓，但是通常采用下采样以节省计算资源和时间。在现有的3D-PSP技术中，立体摄影测量法以及VMD和DIC方法在3D轮廓测量中具有高精度。通常，VMD结果的标准偏差约为1毫米。DIC技术测量偏差约为0.1毫米。相比之下，LF-3DPSP的测量精度略低，约为±1 mm。
除了上述较为常规的现有技术之外，基于结构光（SL）的3D扫描技术的研究也非常活跃，由于其灵活性，高空间分辨率和高测量精度，对开发和使用的兴趣日益浓厚。SL系统类似于立体声系统，不同之处在于它用投影仪代替一台摄像机。携带编码信息的投影结构化图案会因测试对象的形状而变形。基于三角光学装置的几何关系，可以重建测试模型的3D轮廓。基于相移的技术是SL轮廓测量法的一种广泛使用的形式，它通常鲁棒性很好，并且可以实现具有更高分辨率和精度的逐像素相位测量。然后，使用现有的结构光，只能对模型3D表面轮廓进行精密测量，无法实现表面压力和3D轮廓同步测量。如需实现3D表面轮廓与表面压力场同步测量，仍需对系统进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其步骤包括：
步骤S1：在模型表面喷涂压力敏感涂料；调整结构光发生器生成的结构光光路，将输出光经结构光扩束后投射至模型；所述结构光发生器将激励光源转换为条纹光用以激发涂层，以激发压力敏感涂料；
步骤S2：按照时序控制，同步触发激励光源和相机，捕获了一组四个相移图像；
步骤S3：三维表面轮廓和表面压力测量数据处理分为两个并行路径处理；所述表面压力测量为基于模型的图像灰度信息，计算模型表面压力值；所述三维表面轮廓为基于相位信号，计算重建模型的3D表面轮廓。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中的流程包括：
步骤S201：预先设置好的正弦条纹图像根据设定的时间投影到模型表面；
步骤S202：依次投影四个具有π/2相移的条纹图像，并完成SL激励周期。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，对模型表面压力进行测量，即基于模型图像灰度信息，计算桨叶表面压力值；具体流程包括：
步骤S311：将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线；
步骤S312：提取试验图像中高速旋转与静止状态下图像灰度信息，结合校准参数曲线，带入Stern-Volmer方程计算模型表面压力值。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，对模型的三维表面轮廓进行处理，即基于相位信号，计算重建模型的3D表面轮廓；具体流程包括：
步骤S321：将获取的四幅图像表示为：
其中I表示图像，
是包含模型表面深度信息的变形条纹的相位值，A是条纹图像的平均强度，B是强度调制；使用三角函数，A和
可以计算如下：
步骤S322：相位7分布与3D表面轮廓相关联，通过建立相位值和3D坐标之间的关系来重建该轮廓。即，首先进行包裹相位，随后通过分支剪切算法，将相位进行展开；之后带入校准矩阵，计算模型3D表面轮廓；
步骤S323：获得具有压力场信息的模型3D坐标点云。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，结构光扩束后覆盖并略大于模型平面。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2以相同的曝光时间和间隔时间将四个固定场图像投影为均匀的激励周期；交替投影结构化的激励周期和均匀激励周期，直到相机记录了足够的激发图像为止；相机在外部触发模式下工作，对于每个投影，SL生成器都产生一个脉冲信号，该脉冲信号触发相机快门并捕获一个发射图像；相机的曝光时间与投影配置同步。
作为本发明方法的进一步改进：位于模型测试表面上涂层的压力敏感涂料为：含有探针为五氟四苯基卟啉铂的压敏漆涂料。
本发明进一步提供一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量装置，其包括：
激励光源，用来生成紫外光，通过光纤引导进入结构光发生器，将点光源转换为条纹光用以激发测试表面上的涂层；作为响应，涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光；
相机，用来捕获涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光；
计算机，用于控制结构光发生器条纹移动，以及同步触发相机和图像存储。
作为本发明装置的进一步改进：所述激励光源用来生成波长为390-405nm的紫外光。
作为本发明装置的进一步改进：所述相机使用装有650±50nm带通滤光片镜头工作，所述滤光片覆盖大部分发射能量，并且不包含紫外线激发光。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好，其集成了PSP和相移轮廓仪技术，可使用单相机系统以高空间分辨率和精度实现同时3D表面轮廓和压力测量。与现有的3D-PSP技术相比，本发明提出的系统类似于常规的单相机PSP系统，但是使用紫外（UV）SL发生器代替常规的UV光源。无需修改PSP涂层，从而确保了高质量的测量结果。
2、本发明的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，可使用普通单相机系统实现模型高空间分辨率和高精度3D表面轮廓和压力场同步测量。即，仅使用一台普通的相机，且无需在模型表面粘贴标记点，就能得到3D轮廓和表面压力场信息，且空间分辨率及测量精度都非常高，空间分辨率为像素级，测量精度优于0.1mm。
3、本发明的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，通过修改后的数字光处理（DLP）投影的结构光发生器用于编码紫外LED光并生成条纹投影，以激发压敏涂料。使用四个相移发射图像重建3D轮廓。同时，获得表面强度比分布，实现了模型表面轮廓和压力场的同步测量。
4、本发明的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，对单独的3D轮廓测量和表面压力测量（PSP）方法和算法进行巧妙的结合，对PSP激励光进行结构光改造，实现了同步性测量；同步性是指：利用一套设备（主要是PSP测量的设备），一次图像拍照，在拍摄图像后进行两种算法并行后处理，实现压力场和表面轮廓同步测量，而后有机结合的过程。
附图说明
图1是本发明测试方法的流程示意图。
图2是本发明测试装置的结构原理示意图。
图3是本发明在具体实施例中的时序控制示意图。
图4是本发明在具体实施例中的数据处理流程示意图。
图例说明：
1、激励光源；2、光纤；3、结构光发生器；4、相机；5、滤光片；6、计算机；7、模型。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1-图4所示，本发明的一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，为基于相移轮廓仪和压敏漆的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其步骤包括：
步骤S1：在模型7表面喷涂压力敏感涂料；调整结构光发生器生成的结构光光路，将输出光经结构光扩束后投射至模型7；其中，结构光发生器将激励光源1转换为条纹光用以激发涂层，即用于编码紫外LED光并生成条纹投影，以激发压力敏感涂料。在较佳实施例中，结构光扩束后覆盖并略大于模型7平面。
步骤S2：按照时序控制，同步触发激励光源1和相机4，捕获了一组四个相移图像。
步骤S3：三维表面轮廓和表面压力测量数据处理分为两个并行路径处理；所述表面压力测量为基于模型7的图像灰度信息，计算模型表面压力值；所述三维表面轮廓为基于相位信号，计算重建模型7的3D表面轮廓；即，使用四个相移发射图像，用以重建3D轮廓。
在具体应用实例中，步骤S2中的流程包括：
步骤S201：预先设置好的正弦条纹图像根据设定的时间投影到模型7表面。
步骤S202：依次投影四个具有π/2相移的条纹图像，并完成SL激励周期。
在具体应用实例中，步骤S3中，对模型7表面压力进行测量，以模型7为桨叶为例，即基于桨叶图像灰度信息，计算桨叶表面压力值；具体流程包括：
步骤S311：将喷涂于模型7表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线。
步骤S312：提取试验图像中高速旋转与静止状态下旋翼图像灰度信息，结合校准参数曲线，带入Stern-Volmer方程计算桨叶表面压力值。
参见图4，在具体应用实例中，步骤S3中，对模型7的三维表面轮廓进行处理，即基于相位信号，计算重建模型7的3D表面轮廓；具体流程包括：
步骤S321：将获取的四幅图像表示为：
其中I表示图像，
是包含模型表面深度信息的变形条纹的相位值，A是条纹图像的平均强度，B是强度调制。使用三角函数，A和
可以计算如下：
步骤S322：相位7分布与3D表面轮廓相关联，通过建立相位值和3D坐标之间的关系来重建该轮廓。即，首先进行包裹相位，随后通过分支剪切算法，将相位进行展开；之后带入校准矩阵，计算模型3D表面轮廓。
步骤S323：获得具有压力场信息的模型3D坐标点云。
参见图2，本发明进一步提供一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量装置，其包括：
激励光源1，用来生成波长为390-405nm的紫外光，通过光纤2引导进入结构光发生器3，将点光源转换为条纹光用以激发测试表面上的涂层。作为响应，涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光。
相机4，用来捕获涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光。
计算机6，用于控制结构光发生器3条纹移动，以及同步触发相机4和图像存储。
在上述结构中，位于模型7测试表面上涂层的压力敏感涂料为：含有探针为五氟四苯基卟啉铂（PtTFPP）的压敏漆涂料。根据实际需要，可以通过空气喷涂将涂层加工到测试表面上。
在具体应用实例中，作为响应，涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光，该图案由CCD相机4（如：PCO1600，14位）捕获，空间分辨率约为10像素/mm。相机4使用装有650±50nm带通滤光片5的镜头工作，该滤光片5可覆盖大部分发射能量，并且不包含紫外线激发光。相机4根据实际需要应选取合适的镜头，使相机4的视场覆盖整个模型且略大于模型尺寸（如：相机4的镜头焦距可以通常选取为30mm-160mm）。
本发明的上述整个系统通过结构光发生器3的曝光信号进行同步。预先设置好的正弦条纹图像将被预先存储到随机存取存储器（RAM）中，并根据设定的时间投影到模型表面。
首先，投影带有标记的空白图案，标记可以为“+“等任意图案，并用于确定相位4展开中的0相位置。
然后，依次投影四个具有π/2相移的条纹图像，并完成SL激励周期。
参见图3，系统时序控制如图所示。一张参考标记图像(I 0)以及四张相移量为π/2的正弦条纹图像（I 1~I 4）被预先存储进结构光生成器的内存中。其中参考标记图像为一张带有标记点的空白图像，标记点可以为“+”等易于定位图像信号中像素坐标位置的符号。该参考标记图像仅用于确定相位展开中的“0相位”位置。四张条纹图像中的正弦条纹相位依次增加π/2。测量中，参考标记图像首先被投影于测试模型表面，然后四张条纹图像按相位增加的顺序编为一组，周期性的投影于测试模型表面，以激发压敏漆涂层。单帧投影持续时间为280毫秒，两帧投影的时间间隔为300毫秒。图像采集系统通过结构光发生器的曝光信号进行同步，每投影一帧图像，结构光生成器都会产生一个脉冲信号，该脉冲信号触发CCD相机快门并捕获一张压敏漆荧光图像。CCD相机的曝光时间为280毫秒，与单帧投影的持续时间一致。在实际应用中，重复投影四帧条纹图像，直到CCD相机记录了足够数量的压敏漆荧光图像为止。数据处理中，对不同激发周期中相同相位的图像信号进行算数平均以减小随机噪声误差。
下表1中对本发明及现有3D-PSP技术进行了比较。数字图像相关（DIC）和立体视觉方法需要包含两个或更多摄像机的复杂数据采集系统。光场相机（LF）LF-3D-PSP技术仅需要一个光场相机，就系统复杂性而言具有优势，但需要成本高昂的特制光场相机。单摄像机视频摄影模型变形（VMD）方法和直接线性变换DLT方法仅需要一台普通摄像机，但必须事先获得有关模型的一些几何信息，例如目标的跨度位置或标记点的真实3D坐标。同时，在立体摄影测量法和VMD，DLT和DIC方法中，在PSP涂层上需要网状网格，或斑点图案。这些会干扰PSP测量，导致图像质量差，空间分辨率降低和近壁流场中的干扰。立体摄影测量法，VMD和DLT方法仅直接计算有限离散点的坐标，这导致有限的空间分辨率，然后通过插值或拟合算法重建整个视场表面。 LF-3D-PSP方法由于具有使用光场相机捕获全场信息的能力而具有相对中等的空间分辨率。但是，空间分辨率直接由微透镜阵列（MLA）的分辨率确定，通常情况下成本高昂且分辨率低。从理论上讲，DIC方法可用于逐像素获得高空间分辨率3D轮廓，但是通常采用下采样以节省计算资源和时间。在现有的3D-PSP技术中，立体摄影测量法以及VMD和DIC方法在3D轮廓测量中具有高精度。通常，VMD结果的标准偏差约为1毫米。DIC技术测量偏差约为0.1毫米。相比之下，LF-3DPSP的测量精度略低，约为±1 mm。
表1不同 3D-PSP 技术对比
而本发明提出的上述方法及装置，集成了PSP和相移轮廓仪技术，可使用单相机系统以高空间分辨率和精度实现同时3D表面轮廓和压力测量。与现有的3D-PSP技术相比，本发明提出的系统类似于常规的单相机PSP系统，但是使用紫外（UV）SL发生器代替常规的UV光源。无需修改PSP涂层，从而确保了高质量的测量结果。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，其步骤包括：
步骤S1：在模型表面喷涂压力敏感涂料；调整结构光发生器生成的结构光光路，将输出光经结构光扩束后投射至模型；所述结构光发生器将激励光源转换为条纹光用以激发涂层，以激发压力敏感涂料；
步骤S2：按照时序控制，同步触发激励光源和相机，捕获了一组四个相移图像；
步骤S3：三维表面轮廓和表面压力测量数据处理分为两个并行路径处理；所述表面压力测量为基于模型的图像灰度信息，计算模型表面压力值；所述三维表面轮廓为基于相位信号，计算重建模型的3D表面轮廓。
2.根据权利要求1所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，所述步骤S2中的流程包括：
步骤S201：预先设置好的正弦条纹图像根据设定的时间投影到模型表面；
步骤S202：依次投影四个具有π/2相移的条纹图像，并完成SL激励周期。
3.根据权利要求1所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，对模型表面压力进行测量，即基于模型图像灰度信息，计算桨叶表面压力值；具体流程包括：
步骤S311：将喷涂于模型表面的涂料，在校准箱中进行校准，得到校准曲线；
步骤S312：提取试验图像中高速旋转与静止状态下图像灰度信息，结合校准参数曲线，带入Stern-Volmer方程计算模型表面压力值。
4.根据权利要求1所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，对模型的三维表面轮廓进行处理，即基于相位信号，计算重建模型的3D表面轮廓；具体流程包括：
步骤S321：将获取的四幅图像表示为：
其中I表示图像,I i 表示第i幅图像，
是包含模型表面深度信息的变形条纹的相位值，A是条纹图像的平均强度，B是强度调制；使用三角函数，A和
可以计算如下：
步骤S322：相位7分布与3D表面轮廓相关联，通过建立相位值和3D坐标之间的关系来重建该轮廓，即，首先进行包裹相位，随后通过分支剪切算法，将相位进行展开；之后带入校准矩阵，计算模型3D表面轮廓；
步骤S323：获得具有压力场信息的模型3D坐标点云。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，所述步骤S1中，结构光扩束后覆盖并略大于模型平面。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，所述步骤S2以相同的曝光时间和间隔时间将四个固定场图像投影为均匀的激励周期；交替投影结构化的激励周期和均匀激励周期，直到相机记录了足够的激发图像为止；相机在外部触发模式下工作，对于每个投影，SL生成器都产生一个脉冲信号，该脉冲信号触发相机快门并捕获一个发射图像；相机的曝光时间与投影配置同步。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法，其特征在于，位于模型测试表面上涂层的压力敏感涂料为：含有探针为五氟四苯基卟啉铂的压敏漆涂料。
8.一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量装置，其特征在于，包括：
激励光源，用来生成紫外光，通过光纤引导进入结构光发生器，将点光源转换为条纹光用以激发测试表面上的涂层；作为响应，涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光；
相机，用来捕获涂层中的涂料发出具有正弦条纹图案的发光；
计算机，用于控制结构光发生器条纹移动，以及同步触发相机和图像存储。
9.根据权利要求8所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量装置，其特征在于，所述激励光源用来生成波长为390-405nm的紫外光。
10.根据权利要求8所述的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量装置，其特征在于，所述相机使用装有650±50nm带通滤光片镜头工作，所述滤光片覆盖大部分发射能量，并且不包含紫外线激发光。
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