CN113099124A - 一种视频监测区域位移场检测方法 - Google Patents

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肖勇
杨金虎
康厚清
刘文伍
张钊
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Abstract

本发明涉及机器视觉技术领域，具体涉及一种视频监测区域位移场检测方法，包括：S1、根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像；S2、对初始表面图像进行图像拼接，得到第一图像；对变形后的表面图像进行图像拼接，得到第二图像；S3、对第一图像进行分割得到第一子图，对第二图像进行分割得到第二子图；S4、对各第一子图的特征进行提取，得到第一特征；根据第一特征确定第二位置，根据第二位置得到第二中心坐标；S5、根据各第一子图的第一中心坐标和第二中心坐标，得到位移场。本发明解决了现有技术无法在大亮度梯度的环境下无法清楚地获取全局图像的技术问题。

Description

一种视频监测区域位移场检测方法
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域，具体涉及一种视频监测区域位移场检测方法。
背景技术
在工程中经常需要位移场、应变场等变形数据，测量物体形变的方法包括电子散斑干涉法、数字图像相关法等，其中数字图像相关法因其光路简单、精度高、非接触等优点得到了广泛应用。数字图像相关法(digital image correlation，DIC)仅需白光的光源即可，通过图像采集以及后续图像处理的方式进行非接触式全场检测，检测基本为离线式的，实时检测鲜有涉及。
对此，中国专利CN112233104A公开了一种实时位移场和应变场检测方法，包括步骤：获取第一图像，第一图像为待测物的初始表面图像；获取第一配置参数；根据第一配置参数对第一图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第一子图，记录各所述第一子图的第一中心坐标；对各第一子图的特征进行提取，得到各第一子图的第一特征；获取第二图像，第二图像为待测物变形后的表面图像；获取第二配置参数；根据第二配置参数对第二图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第二子图，第一子图的长度小于第二子图，第一子图的宽度小于第二子图，第一子图的数量与第二子图相同，每个第二子图均对应有一个中心相同的第一子图；根据各第一子图的第一特征进行特征搜索，确定各第一子图的第一特征在对应的第二子图中的第二位置，根据第二位置得到各第一子图的第二中心坐标；根据各第一子图的第一中心坐标和第二中心坐标，得到位移场和应变场。
在高温环境下，比如说高速风洞以及火焰烧蚀的测试环境中，相较于常规的环境来说，亮度梯度比较大，目前的图像采集方式只能获取局部的清晰图像，无法清楚地获取全局图像。
发明内容
本发明提供一种视频监测区域位移场检测方法，解决了现有技术在大亮度梯度的环境下无法清楚地获取全局图像的技术问题。
本发明提供的基础方案为：一种视频监测区域位移场检测方法，其应用于高温环境中，包括：
S1、根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像；其中，各次曝光的曝光窗口依次相邻，且相邻的曝光窗口存在交集区域；
S2、对初始表面图像进行图像拼接，得到第一图像；对变形后的表面图像进行图像拼接，得到第二图像；
S3、获取第一配置参数，根据第一配置参数对第一图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第一子图；获取第二配置参数，根据第二配置参数对第二图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第二子图；
S4、记录各第一子图的第一中心坐标，对各第一子图的特征进行提取，得到各第一子图的第一特征；根据各第一子图的第一特征进行特征搜索，确定各第一子图的第一特征在对应的第二子图中的第二位置，根据第二位置得到各第一子图的第二中心坐标；
S5、根据各第一子图的第一中心坐标和第二中心坐标，得到位移场。
本发明的工作原理及优点在于：
(1)由于在高温环境下，亮度梯度比较大，故而，考虑逐步曝光的方式进行初始表面图像以及变形后的表面图像的采集，也即，根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，并按照相应的曝光参数执行各次曝光，每次的曝光对应的曝光窗口不同且存在交集，对得到的多次曝光的图像进行图像拼接；通过这样的方式，采用曝光序列进行图像采集，可以利用局部窗口曝光值调整的策略自动实时调整曝光值，避免在高温环境下，由于光圈调节的时间延迟导致无法实时跟踪待测物形貌变化，从而清楚地获取全局图像。
(2)通过切割第一子图并提取第一子图的特征作为识别对象，在第一子图对应的第二子图中进行特征搜索；相较于全局搜索来说，一方面，可以均匀地进行采样，在较短的时间内实现检测，实现实时检测；另一方面，效率和准确度都更高。
本发明采用逐步曝光的方式进行初始表面图像以及变形后的表面图像的采集，解决了现有技术无法在大亮度梯度的环境下无法清楚地获取全局图像的技术问题。
进一步，S1中，根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，具体包括：获取初始曝光值和曝光次数；基于初始曝光值以及当前曝光对应的次数值，根据预设公式确定当前曝光的曝光值；预设公式为：Bi＝1/mi×B0，其中，Bi为第i+1次曝光的曝光值，B0为初始曝光值，m为衰减系数，i为大于或者等于0且小于n的整数值，n为曝光次数。
有益效果在于：由于待测物所处环境亮度梯度大，通过这样的曝光序列可以降低亮度梯度，并利用局部窗口曝光值的调整策略灵活调整曝光值，便于在待测物表面找到亮度合适的区域，使得采集的图像更加清晰。
进一步，S1中，根据待测物所处环境中的热传导规律以及温度变化范围，预先设置温度控制方程，并根据温度控制方程对待测物进行加热。
有益效果在于：由于温度场对位移场会产生影响，通过对待测物进行加热，可以检测待测物在温度场的影响下位移场的变化，从而便于分析温度场对位移场的影响规律，也可以使得最终得到的位移场更加符合实际情况。
进一步，S1中，预先设置温度控制方程的初始边界条件和对流边界条件，并利用初始边界条件确定待测物表面边界的初始温度，以及利用对流边界条件约束待测物表面边界的温度变化。
有益效果在于：根据初始边界条件确定待测物表面边界的初始温度，以及根据对流边界条件约束待测物表面边界的温度变化，这样设置的边界条件符合大多数高温环境下的热力学规律，有利于降低最终得到的位移场与实际情况的偏差。
进一步，S1中，在蓝光的光源照射下，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测试物的初始表面图像以及变形后的表面图像。
有益效果在于：根据韦恩定律可知，物体的温度越高，发射的波长越短，在高温环境下可见光区辐射光强度中，红光最强、绿光次之、蓝光最弱，故而，选取蓝光的光源可以避免曝光不足。
进一步，S3中，第一子图的长度小于第二子图，第一子图的宽度小于第二子图，第一子图的数量与第二子图相同，每个第二子图均对应有一个中心相同的第一子图。
有益效果在于：通过这样的方式，第一子图的长度小于第二子图，第一子图的宽度小于第二子图，第一子图的数量与第二子图相同，便于根据实际需要有效地控制第二子图的数量与大小。
进一步，S3中，第一配置参数为第一长度参数和第一间隔参数，第一子图的长度和宽度均根据第一长度参数设定，相邻的两个第一子图的第一中心坐标的距离根据第一间隔参数设定；第二配置参数为偏移量参数，第二子图的长度和宽度均根据第一长度参数和偏移量参数确定。
有益效果在于：通过这样的方式，可以通过设置第一长度参数、第一间隔参数以及偏移量参数来控制搜索的区域大小，有效地控制算法的处理时间，提高处理效率。
附图说明
图1为本发明一种视频监测区域位移场检测方法实施例的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例1
实施例基本如附图1所示，包括：
S1、根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像；其中，各次曝光的曝光窗口依次相邻，且相邻的曝光窗口存在交集区域；
S2、对初始表面图像进行图像拼接，得到第一图像；对变形后的表面图像进行图像拼接，得到第二图像；
S3、获取第一配置参数，根据第一配置参数对第一图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第一子图；获取第二配置参数，根据第二配置参数对第二图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第二子图；
S4、记录各第一子图的第一中心坐标，对各第一子图的特征进行提取，得到各第一子图的第一特征；根据各第一子图的第一特征进行特征搜索，确定各第一子图的第一特征在对应的第二子图中的第二位置，根据第二位置得到各第一子图的第二中心坐标；
S5、根据各第一子图的第一中心坐标和第二中心坐标，得到位移场。
具体实施过程如下：
S1、根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像；其中，各次曝光的曝光窗口依次相邻，且相邻的曝光窗口存在交集区域。
在本实施例中，首先，获取初始曝光值和曝光次数，基于初始曝光值以及当前曝光对应的次数值，根据预设公式确定当前曝光的曝光值。具体来说，曝光值随次数呈等比数列变化，也即，预设公式为：Bi＝1/mi×B0，其中，Bi为第i+1次曝光的曝光值，B0为初始曝光值，m为衰减系数，i为大于或者等于0且小于n的整数值，n为曝光次数。由于待测物所处环境亮度梯度大，通过这样的曝光序列可以降低亮度梯度，便于在待测物表面找到亮度合适的区域，使得采集的图像更加清晰。然后，在蓝光的光源照射下，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测试物的初始表面图像以及变形后的表面图像，每次曝光均会采集一张初始表面图像或者变形后的表面图像，从而会采集到n张初始表面图像和n张变形后的表面图像。
S2、对初始表面图像进行图像拼接，得到第一图像；对变形后的表面图像进行图像拼接，得到第二图像。在本实施例中，也就是说，将n张初始表面图像拼接在一起形成第一图像，将n张变形后的表面图像拼接在一起形成第二图像。
S3、获取第一配置参数，根据第一配置参数对第一图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第一子图；获取第二配置参数，根据第二配置参数对第二图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第二子图。在本实施例中，第一配置参数为第一长度参数和第一间隔参数，用来配置第一子图分割的大小和间距，确定第一子图的大小和间距以后，第一子图的数量也可以确定，故而，第一子图的长度和宽度均可以根据第一长度参数人为设定，相邻的两个第一子图的第一中心坐标的距离可以根据第一间隔参数人为设定；第二配置参数为偏移量参数，第二子图的长度和宽度均根据第一长度参数和偏移量参数确定，第一子图的长度小于第二子图，第一子图的宽度小于第二子图，第一子图的数量与第二子图相同，每个第二子图均对应有一个中心相同的第一子图，也就是说，第二子图的长度与宽度均为第一长度参数与偏移量参数之和，这样得到第二子图的长度与宽度以后，不难对第二图像进行分割。
S4、记录各第一子图的第一中心坐标，对各第一子图的特征进行提取，得到各第一子图的第一特征；根据各第一子图的第一特征进行特征搜索，确定各第一子图的第一特征在对应的第二子图中的第二位置，根据第二位置得到各第一子图的第二中心坐标。在本实施例中，也就是说，先记录各第一子图的第一中心坐标，对各第一子图的特征进行提取，得到各第一子图的第一特征；然后根据各第一子图的第一特征进行特征搜索，确定各第一子图的第一特征在对应的第二子图中的第二位置，并根据第二位置得到各第一子图的第二中心坐标；主要目的在于确定与第一中心坐标对应的第二中心坐标。
S5、根据各第一子图的第一中心坐标和第二中心坐标，得到位移场。也就是说，计算出各第一子图在待测物变形前后的第一中心坐标和第二中心坐标之差，就可以确定出位移场。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，S1中，根据待测物所处环境中的热传导规律以及温度变化范围，预先设置温度控制方程，此处的温度控制方程可参见传热学相关书籍，并根据温度控制方程对待测物进行加热。在本实施例中，利用初始边界条件确定待测物表面边界的初始温度，比如说，空气的温度为20℃，将待测物表面边界的初始温度也设定为20℃；并利用对流边界条件约束待测物表面边界的温度变化，比如说，q＝h×(Ts-TB)其中，q为对流散热的热流密度，h为热对流系数；Ts为待测物表面边界的温度，TB为空气的温度。由于温度场对位移场会产生影响，通过对待测物进行加热，可以检测待测物在温度场的影响下位移场的变化，从而便于分析温度场对位移场的影响规律，也可以使得最终得到的位移场更加符合实际情况；这样设置的边界条件符合大多数高温环境下的热力学规律，有利于降低最终得到的位移场与实际情况的偏差。
实施例3
与实施例2不同之处仅在于，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像之前，调节环境温度与摄像头的光圈温度，以及通过间隔性的采集方式进行删除，以去掉环境的影响。具体来说，首先，对用于采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像的摄像头进行前置判断，确保摄像头是否处于正常工作状态，也即判断摄像头是否存在遮挡、雾化以及散热不佳的情况，只有摄像头处于正常工作状态，也即摄像头无遮挡、无雾化以及无散热不佳的情况才开始进行采集；然后，如果摄像头处于正常工作状态，逐步调节待测物所处的环境温度，以及逐步调节摄像头的光圈温度，比如说，按照等比数列或者等差数列的方式对环境温度进行降温调节，如果待测物所处的环境温度为1000K，按照比例系数为0.9的等比数列进行调节，也即1000K、900K、810K、729K···，或者按照ΔT＝50K的等差数列进行调节，也即1000K、950K、900K、850K···，类似的方式可对摄像头的光圈温度进行降温调节；最后，在采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像时，每秒钟采集三张或者五张图像，取清晰度最高的一张作为测物的初始表面图像以及变形后的表面图像。通过这样的方式，对环境温度与摄像头的光圈温度进行降温调节，可以降低待测物所处环境的亮度梯度，从而削弱高温对初始表面图像以及变形后的表面图像清晰度的影响；挑选清晰度最高的作为测物的初始表面图像以及变形后的表面图像，可以删除清晰度不高的图像，确保采集的初始表面图像以及变形后的表面图像的清晰度符合要求。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，包括：
S1、根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测物的初始表面图像以及变形后的表面图像；其中，各次曝光的曝光窗口依次相邻，且相邻的曝光窗口存在交集区域；
S2、对初始表面图像进行图像拼接，得到第一图像；对变形后的表面图像进行图像拼接，得到第二图像；
S3、获取第一配置参数，根据第一配置参数对第一图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第一子图；获取第二配置参数，根据第二配置参数对第二图像进行分割，得到大小相同且呈矩阵分布的多个第二子图；
S4、记录各第一子图的第一中心坐标，对各第一子图的特征进行提取，得到各第一子图的第一特征；根据各第一子图的第一特征进行特征搜索，确定各第一子图的第一特征在对应的第二子图中的第二位置，根据第二位置得到各第一子图的第二中心坐标；
S5、根据各第一子图的第一中心坐标和第二中心坐标，得到位移场。
2.如权利要求1所述的视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，S1中，根据初始曝光值和曝光次数确定每次曝光的曝光值，具体包括：获取初始曝光值和曝光次数；基于初始曝光值以及当前曝光对应的次数值，根据预设公式确定当前曝光的曝光值；预设公式为：Bi＝1/mi×B0，其中，Bi为第i+1次曝光的曝光值，B0为初始曝光值，m为衰减系数，i为大于或者等于0且小于n的整数值，n为曝光次数。
3.如权利要求2所述的视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，S1中，根据待测物所处环境中的热传导规律以及温度变化范围，预先设置温度控制方程，并根据温度控制方程对待测物进行加热。
4.如权利要求3所述的视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，S1中，预先设置温度控制方程的初始边界条件和对流边界条件，并利用初始边界条件确定待测物表面边界的初始温度，以及利用对流边界条件约束待测物表面边界的温度变化。
5.如权利要求4所述的视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，S1中，在蓝光的光源照射下，根据每次曝光的曝光值，按照与曝光相应的曝光窗口采集待测试物的初始表面图像以及变形后的表面图像。
6.如权利要求5所述的视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，S3中，第一子图的长度小于第二子图，第一子图的宽度小于第二子图，第一子图的数量与第二子图相同，每个第二子图均对应有一个中心相同的第一子图。
7.如权利要求6所述的视频监测区域位移场检测方法，其特征在于，S3中，第一配置参数为第一长度参数和第一间隔参数，第一子图的长度和宽度均根据第一长度参数设定，相邻的两个第一子图的第一中心坐标的距离根据第一间隔参数设定；第二配置参数为偏移量参数，第二子图的长度和宽度均根据第一长度参数和偏移量参数确定。
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