CN113375583A - 光路系统、单目三维图像采集系统及三维应变检测系统 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供了一种用于三维应变检测的光路系统、单目三维图像采集系统及三维应变检测系统，属于测量技术、三维视觉技术领域，具体包括：光源设置于所述三角棱镜的前方，发射光线以在被测试样的表面产生反射光线；第一反光镜设置于光源的一侧，将反射光线反射到三角棱镜的第一镜面以形成第一虚像；第二反光镜设置于光源的另一侧，将反射光线反射到三角棱镜的第二镜面以形成第二虚像。通过本申请的处理方案，可简化采用基于三维DIC算法的三维应变测量中的光路系统，简化三维应变检测系统的结构，以及提高检测效率。

Description

光路系统、单目三维图像采集系统及三维应变检测系统

技术领域

本说明书涉及测量技术、三维视觉技术领域，具体涉及一种用于三维应变检测的光路系统、单目三维图像采集系统及三维应变检测系统。

背景技术

目前，力学性能中变形的检测已非常普及，变形的检测可应用于各种材料和结构的应变测试检测中，一方面可用于保证产品质量合格，另一方面可用于验证材料和结构设计的合理性。因此，如何准确、高效的检测变形变得越来越重要。

目前，在变形检测中，基于DIC技术(Digital Image Correlation，数字图像相关法，又称数字散斑相关法)的传统光路系统，一般为以下两种方案：

一是采用双目图像采集装置、配合双目三维DIC算法的光路系统。

例如，专利文献1中公开了一种基于数字散斑的视觉引伸计实现方法，如图1所示，在对材料拉伸的三维应变进行测量中，采用双目图像采集的光路系统，该光路系统不仅结构复杂，需要采用两个独立光源、CCD相机。而且，两个光源需要独立放置，从两个角度倾斜照射试样，使试样光场亮度难以均匀，比如当试样较大时，会出现试样中间与左右两侧光场亮度极不均匀，导致数据缺失。

二是基于单目图像采集装置、配合二维DIC算法的光路系统。

例如，专利文献2中公开了一种基于结构光的二维引伸计使用方法，如图2所示，其是通过单个相机和镜头采集图像进行处理分析，仅能够测量二维方向的应变，无法满足三维数据的测量需求。而且光源布置在相机和镜头左侧，当测量过程需求曝光时间较短时，会出现试样左右两侧亮度不均匀，导致亮度偏暗的部位出现数据缺失。

因此，现有技术中，并无相关的光路方案可搭配单目三维DIC算法进行三维应变测量，因而目前亟需一种可基于三维DIC算法且可用于三维应变检测的新光路系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国公开号CN103575227 A

专利文献2：中国公开号CN 111426280 A

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种用于三维应变检测的光路系统、单目三维图像采集系统及三维应变检测系统，以简化基于三维DIC算法的三维应变测量中的光路系统，简化三维应变检测系统整体结构，提高检测效率。

本说明书实施例提供以下技术方案：

本说明书实施例提供一种用于三维应变检测的光路系统，该光路系统可包括光源、第一反光镜、第二反光镜、三角棱镜；所述光源设置于所述三角棱镜的前方，用于发射光线以在被测试样的表面产生反射光线；所述第一反光镜设置于所述光源的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；所述第二反光镜设置于所述光源的另一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜的第二镜面；所述三角棱镜的第一镜面用于将所述第一反光镜反射的光线形成所述被测试样对应的第一虚像，所述三角棱镜的第二镜面用于将所述第二反光镜反射的光线形成所述被测试样对应的第二虚像。

在其中一个实施例中，所述光源正对所述被测试样设置。

在其中一个实施例中，所述光路系统还可包括：

第一调整装置，调整所述第一反光镜的位置和/或角度；

和/或，第二调整装置，调整所述第二反光镜的位置和/或角度；

和/或，第三调整装置，调整所述三角棱镜的位置和/或角度。

在其中一个实施例中，所述光路系统还可包括：固定底板，固定所述第一反光镜、所述第二反光镜和所述三角棱镜。

在其中一个实施例中，所述三角棱镜的第一镜面与所述三角棱镜的第二镜面垂直。

本说明书实施例还提供一种用于三维应变检测的单目三维图像采集系统，包括：如前述任意一项所述的光路系统，以及单目采集单元，其中该单目采集单元用于采集所述第一虚像和所述第二虚像。

在其中一个实施例中，所述单目采集单元可包括单镜头和单相机，所述单镜头与所述单相机按焦距固定。

在其中一个实施例中，所述单目三维图像采集系统还可包括：第四调整装置，调整所述单目采集单元的位置和/或高度。

本说明书实施例还提供一种三维应变检测系统，可包括：如前述任意一项所述的光路系统；以及第一应变处理设备，该第一应变处理设备用于与所述光路系统共同对所述被测试样进行三维应变检测。

本说明书实施例还提供一种三维应变检测系统，可包括：如前述任意一项所述的单目三维图像采集系统；以及第二应变处理设备，该第二应变处理设备用于与所述单目三维图像采集系统共同对所述被测试样进行三维应变检测。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

通过将光源、左右反光镜和三角棱镜构成光线反射传输的光路系统，可简化传统应变检测中的光路系统结构设计，还可消除传统光路系统中因光场亮度不均匀而缺失测量数据的缺陷，而且光路系统可提供被测试样对应的左侧图像和右侧图像，以便基于左右侧图像信息实现三维视觉中的图像处理，而且该光路系统可配合单目图像采集系统实现被测试样的单目三维图像采集，以及基于三维DIC算法，可实现三维应变检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是基于双目图像采集的拉伸计中传统光路系统的结构示意图；

图2是基于单目图像采集的拉伸计中传统光路系统的结构示意图；

图3是本说明书实施例提供的一种用于三维应变检测的光路系统的结构示意图；

图4是本说明书实施例提供的一种用于三维应变检测的光路系统中左侧反光镜调整装置的结构示意图；

图5是本说明书实施例提供的一种用于三维应变检测的光路系统中右侧反光镜调整装置的结构示意图；

图6是本说明书实施例提供的一种用于三维应变检测的光路系统中三角棱镜调整装置的结构示意图；

图7是本说明书实施例提供的一种用于三维应变检测的单目三维图像采集系统的结构示意图；

图8是本说明书实施例提供的一种用于三维应变检测的单目三维图像采集系统中单目采集单元的调整装置的结构示意图；

图9是本说明书实施例提供的一种三维应变检测系统的结构示意图；

图10是本说明书实施例提供的一种三维应变检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

目前的应变检测中，一是采用基于双目图像采集的传统光路系统，因而需要采用两个独立光源、CCD相机，结构复杂，而且两个光源需要独立放置，从两个角度倾斜照射被测试样，这样被测试样的光场亮度难以均匀，容易导致数据缺失。二是采用基于单目图像采集的光路系统，再配合二维DIC算法，这时仅能够测量二维方向的应变，无法满足三维数据的测量需求，而且光源布置在相机和镜头左侧，这样被测试样的光场亮度难以均匀，会出现试样左右两侧亮度不均匀，导致亮度偏暗的部位出现数据缺失。

因此，发明人在深入研究并对应变检测中涉及的各种设备进行改进，比如光路系统、图像采集系统等，提出一种可用于三维应变检测的光路系统、三维图像采集装置以及三维应变检测系统，既简化了系统结构，又能做到三维应变检测，还能弥补因亮度不均而导致数据缺失的不足。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

参考图3，本说明书实施例提供一种用于三维应变检测的光路系统。

如图3所示，该光路系统可包括光源1、第一反光镜2、第二反光镜3、三角棱镜4。

实施中，可将光源1设置于三角棱镜4的前方，用于发射光线(如图中梯形阴影部分的标识示意)以在被测试样7的表面产生反射光线。

需要说明的是，光源可为应变检测中常用的光源，也可为自研光源，这里不作限定。

可将第一反光镜2设置于所述光源1的一侧，比如如图中所示的左侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜4的第一镜面，比如如图中所示的三角棱镜的左侧镜面。

可将第二反光镜3设置于所述光源1的另一侧，比如如图中所示的右侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜4的第二镜面，比如如图中所示的三角棱镜的右侧镜面。

可将三角棱镜4设置于光源1的后方，并位于第一反光镜2和第二反光镜3之间，以便三角棱镜4的第一镜面将第一反光镜2反射的光线形成所述被测试样7对应的第一虚像8，而三角棱镜4的第二镜面将第二反光镜3反射的光线形成所述被测试样7对应的第二虚像9。

通过光源向被测试样发射光线，这时被测试样的表面将该光线进行反射，第一反光镜可将反射光线反射到三角棱镜的第一镜面中，第二反光镜将反射光线反射到三角棱镜的第二镜面中，从而通过三角棱镜分别形成被测试样对应的第一虚像和第二虚像，最后可通过图像采集设备根据该第一虚像和第二虚像获得被测试样的左侧图像和右侧图像。

因此，通过该光路系统，可提供被测试样对应的成像信息以便于被图像采集设备采集而获得双目图像，比如图像采集设备可采用单目采集设备、双目采集设备、多目采集设备等，从而三维图像的处理设备可根据双目图像进行三维信息处理，实现对被测试样的三维视觉应用，这样三维应变检测中的结构得到简化，也能避免因被测试样上的亮度不均而导致数据缺失的问题。

在一些实施方式中，所述三角棱镜的第一镜面与所述三角棱镜的第二镜面垂直，这时三角棱镜可为截面为等腰三角形的三角棱镜，其中第一镜面可为一个直角边一侧的镜面，第二镜面为另一个直角边一侧的镜面。

在一些实施方式中，所述光路系统还可包括：若干调整装置，可通过调整装置对光路系统中若干设备(如第一反光镜、第二反光镜、三角棱镜等)进行调整，比如调整各个设备的位置和/或角度和/或高度等，使得被测试样的入射光线和/或反射光线在各个设备中进行有效传输。

参考图4，本说明书实施例提供一种光路系统中的第一反光镜(如左侧反光镜)及调整平台的示意图。如图中所示，可采用第一调整装置来调整第一反光镜(如图中标识的左侧反光镜)的位置和/或角度，以更好地将被测试样发射的光线发射到三角棱镜中。

实施中，第一调整装置可包括固定支架、旋转平台和调整平台，调整平台中还可包括有用于XY轴向调整的两个按钮。其中，反光镜可固定于固定支架中，固定支架可安装于旋转平台中，旋转平台可安装于调整平台中。

可通过调整平台X向调整按钮调整左侧反光镜及固定支架的X轴向位置，通过调整平台Y向调整按钮可调整左侧反光镜及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整左侧反光镜旋转平台可调整左侧反光镜及固定支架的角度。

参考图5，本说明书实施例提供一种光路系统中的第二反光镜(如右侧反光镜)及调整平台的示意图。如图中所示，可采用第二调整装置来调整第二反光镜(如图中标识的右侧反光镜)的位置和/或角度，以更好地将被测试样发射的光线发射到三角棱镜中。

实施中，第二调整装置可包括固定支架、旋转平台和调整平台，调整平台中还可包括有用于XY轴向调整的两个按钮。其中，反光镜可固定于固定支架中，固定支架可安装于旋转平台中，旋转平台可安装于调整平台中。

可通过调整平台X向调整按钮调整右侧反光镜及固定支架的X轴向位置，通过调整平台Y向调整按钮可调整右侧反光镜及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整右侧反光镜旋转平台可调整右侧反光镜及固定支架的角度。

参考图6，本说明书实施例提供一种光路系统中的三角棱镜及调整平台的示意图。如图中所示，可采用第三调整装置来调整三角棱镜的位置和/或角度，以更好地将第一反光镜、第二反光镜反射来的光线经过三角棱镜的镜面后可以形成清晰的、准确的虚像。

实施中，第三调整装置可包括固定支架、旋转平台和调整平台，调整平台中还可包括有用于XY轴向调整的两个按钮。其中，三角棱镜可固定于固定支架中，固定支架可安装于旋转平台中，旋转平台可安装于调整平台中。

可通过调整平台X向调整按钮调整三角棱镜及固定支架的X轴向位置，通过调整平台Y向调整按钮可调整三角棱镜及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整三角棱镜旋转平台可调整三角棱镜及固定支架的角度。

在一些实施方式中，鉴于传统光路系统，比如采用双目采集装置和双光源照明的光路系统，比如采用单目采集装置和单光源的光路系统，因光源、采集装置等设备，在每次测量使用前都需求重新安装、标定等操作，使用过程复杂，测试时间长。因此，本说明书实施例中可将光线反射装置(如反光镜、棱镜等)、及光源之间的相互位置距离、角度等空间关系进行固定，从而在出厂时标定好，并在出厂后可无需重新安装、标定，可直接用于测量，简化使用要求，使得光路系统在实际使用中做到快捷方便、准备时间短，来提高使用效率。

实施中，所述光路系统还可包括：固定底板。通过固定底板可将第一反光镜(如左侧反光镜)、第二反光镜(如右侧反光镜)和三角棱镜之间的空间关系进行固定。

实施中，可通过固定底板将第一反光镜、第二反光镜和三角棱镜放置在同一平面上，并在调整三者之间的相对位置和/或角度的空间关系后，即在调整好光线在光路系统中的传输路径后，可将调整好后这些设备之间的空间关系，如左反光镜、右反光镜和三角棱镜，通过固定底板固定下来，比如利用该固定底板完成光路系统中各个设备的出厂标定，这样在出厂后的使用中可不需要再次安装、标定等繁杂操作，而可直接应用于测量，快捷方便、准备时间短，大大提高了使用效率。

在一些实施方式中，固定底板上可设置有若干固定孔，从而将光路系统中的各个设备固定在固定孔中。

需要说明的是，固定孔可为螺纹孔、通孔等形式，还有固定孔的间隔可根据应用需要而设置，这里不作限定。

基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种用于三维应变检测的单目三维图像采集系统，对前述任意一项实施例提供的光路系统形成的虚像进行图像采集，以对被测试样进行三维图像采集，获得该被测试样在应变检测中的三维图像数据。

参考图7，该单目三维图像采集系统包括：前述任意一项实施例所述的光路系统，以及用于图像采集的单目采集单元。

实施中，该单目采集单元可用于采集光路系统形成的第一虚像和第二虚像，从而通过采集第一虚像获得被测试样的左侧图像信息和通过采集第二虚像获得被测试样对应的右侧图像信息，即获得该被测试样对应的双目图像数据，完成被测试样对应的三维图像采集。

通过光路系统和单目采集设备，可以简化三维图像的采集系统结构，还可通过单目图像采集设备即可应用于三维应变测量检测中。而且，该单目三维图像采集系统在配合单目三维DIC算法后，不仅可实现三维应变的测量，还可消除传统光路系统中因光场亮度不均匀而缺失测量数据的缺陷。

在一些实施方式中，如图7中所示，所述单目采集单元中可包括单镜头51和单相机52，其中单镜头51与单相机52按焦距进行固定，从而可直接用于采集图像。

在一些实施方式中，还可在单目三维图像采集系统中，采用调整装置调整单目采集单元的空间位置参数。

参考图8，单目三维图像采集系统还可包括第四调整装置，其中第四调整装置可包括可伸缩平台，这时单目采集单元(如前述的单镜头、单相机)可固定于该可伸缩平台中，比如将镜头安装于相机上，相机采用可伸缩平台下底板固定。通过调整该可伸缩平台，可根据测量位置需求调整相机和镜头的高度。

在一些实施方式中，还可将第四调整装置也固定于前述任意一实施例中所述的固定底板中，可与光路系统一起完成出厂标定，从而可作为集成式采集设备直接使用，提高使用灵活性和效率。

基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种三维应变检测系统。

参考图9，该三维应变检测系统可包括前述任意一项实施例所述的光路系统，以及用于与所述光路系统共同对所述被测试样进行三维检测应变的应变处理设备。

实施中，应变处理设备可为基于三维DIC算计进行应变检测的相关设备。

需要说明的是，这里的应变处理设备，可包括但不限于以下若干设备：用于拉伸被测试样的拉伸机，用于针对光路系统提供的第一虚像、第二虚像进行图像处理的处理设备，用于对拉伸机、图像处理设备等设备进行控制的控制设备等等。

基于相同发明构思，本说明书实施例提供一种三维应变检测系统。

参考图10，该三维应变检测系统可包括前述任意一项实施例所述的单目三维图像采集系统，用于与所述单目三维图像采集系统共同对所述被测试样进行三维检测应变的应变处理设备。

实施中，应变处理设备可为基于三维DIC算计进行应变检测的相关设备。

需要说明的是，这里的应变处理设备，可包括但不限于以下若干设备：用于拉伸被测试样的拉伸机，用于针对光路系统提供的第一虚像、第二虚像进行图像处理的处理设备，用于对拉伸机、图像处理设备等设备进行控制的控制设备等等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的方法实施例而言，由于其与系统是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于三维应变检测的光路系统，其特征在于，包括光源、第一反光镜、第二反光镜、三角棱镜；

所述光源设置于所述三角棱镜的前方，用于发射光线以在被测试样的表面产生反射光线；

所述第一反光镜设置于所述光源的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；

所述第二反光镜设置于所述光源的另一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜的第二镜面；

所述三角棱镜的第一镜面用于将所述第一反光镜反射的光线形成所述被测试样对应的第一虚像，所述三角棱镜的第二镜面用于将所述第二反光镜反射的光线形成所述被测试样对应的第二虚像。

2.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述光源正对所述被测试样设置。

3.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述光路系统还包括：

第一调整装置，调整所述第一反光镜的位置和/或角度；

和/或，第二调整装置，调整所述第二反光镜的位置和/或角度；

和/或，第三调整装置，调整所述三角棱镜的位置和/或角度。

4.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述光路系统还包括：

固定底板，固定所述第一反光镜、所述第二反光镜和所述三角棱镜。

5.根据权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述三角棱镜的第一镜面与所述三角棱镜的第二镜面垂直。

6.一种用于三维应变检测的单目三维图像采集系统，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任意一项所述的光路系统；以及，

单目采集单元，采集所述第一虚像和所述第二虚像。

7.根据权利要求6所述的单目三维图像采集系统，其特征在于，所述单目采集单元包括单镜头和单相机，所述单镜头与所述单相机按焦距固定。

8.根据权利要求6所述的单目三维图像采集系统，其特征在于，所述单目三维图像采集系统还包括：

第四调整装置，调整所述单目采集单元的位置和/或高度。

9.一种三维应变检测系统，其特征在于，包括：如权利要求1至5中任意一项所述的光路系统；以及，

第一应变处理设备，用于与所述光路系统共同对所述被测试样进行三维应变检测。

10.一种三维应变检测系统，其特征在于，包括：如权利要求6至8中任意一项所述的单目三维图像采集系统；以及，

第二应变处理设备，用于与所述单目三维图像采集系统共同对所述被测试样进行三维应变检测。

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