CN113375584A - 单目三维采集结构及单目三维多标距视觉系统、引伸计 - Google Patents

Abstract

本发明的单目三维采集结构，光源成像结构的技术领域，解决现有技术的产品的成单一虚像而无法计算引伸计三维变量的技术问题。其包括：光源、反光镜组件、棱镜组件和相机，其中：所述光源，用于照射被标记的试样；所述反光镜组件，用于反射试样上的反射光；所述棱镜组件，用于反射所述反光镜组件的反射光并呈现多个虚像；所述相机，与所述棱镜组光连接，用于采集多个虚像。本发明用以完善引伸计的功能，满足人们对引伸计使用能够进行三维变量测量的要求。

Description

单目三维采集结构及单目三维多标距视觉系统、引伸计

技术领域

本发明属于光源成像结构的技术领域，尤其涉及一种单目三维采集结构及 单目三维多标距视觉系统、引伸计。

背景技术

随着国家工业的大力发展，力学性能中变形的检测已非常普及，如何准确、 高效的检测变形越来越重要，变形的检测可应用于各种材料和结构测试中，不 但保证产品质量合格，而且验证材料和结构设计的合理性。

传统的变形测量方法有二种，一种是接触式测量方法，通过接触式引伸计 来测量材料的变形量。但精度较差、操作复杂，而且使用场景局限，仅能提供 单一方向的标距；另一种方法是基于单目图像采集装置的二维数字图像相关计 算方法，其成本高和系统使用复杂，而且仅能测量二维方向的变形，无法满足 三维测量的需求。

现有技术中，如图1所示，公开号为CN 109470164 A公开了一种标志线 处理方法，仅能够识别一种标志线作为标距，此标距特点为单一轴向标距，无 法设置横向标距，也无法设置多个标距，无法满足全面数据的测量需求。

现有技术中，如图2所示，公开号为CN 111426280 A公开了一种基于结 构光的二维引伸计使用方法，但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。

有鉴于此，特提成本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光源成像结构的技术领域，解决现有技术的产 品的成单一虚像而无法计算引伸计三维变量的技术问题。本案的技术方案有诸 多技术有益效果，见下文介绍：

第一方面提供一种单目三维采集结构，包括：光源、反光镜组件、棱镜组 件和相机，其中：

所述光源，用于照射被标记的试样；

所述反光镜组件，用于反射试样上的反射光；

所述棱镜组件，用于反射所述反光镜组件的反射光并呈现多个虚像；

所述相机，用于采集多个虚像。

第二方面提供一种单目三维多标距视觉系统，其特征在于，包括控制器， 所述控制器与所述相机电连接，所述系统包括：

获取模块，用于获取如权利要求1至3任意一项所述相机采集合成的图像， 并检测图像中标记点位置模糊坐标；

处理模块，基于所述模糊坐标对标记点进行子图范围截取，并进行像素点 过滤；

计算模块，用于过滤后图像边缘检测并进行椭圆拟合；在预设时间实时获 取拟合的椭圆，计算标记点的位移，以确定试样的变形量。

第三方面提供一种引伸计，包括壳体和支撑所述壳体的支架，所述壳体内 安装有相机和光源，其特征在于，所述壳体以集成式结构设置有如以上部分或 全部所述单目三维采集结构、光源和相机。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：

本发明提供的结构，通过发光组件和棱锥组件的设置，将试样的反射光以 多个虚像形式呈现，被相机所拍摄，一个相机完成多个虚像的拍摄，并有控制 系统合成一个图像，为三维图像变量测试提供基础条件。

本发明所提供的系统，可实现三维图像的采集，使用自动特征识别算法对 图像上的标记特征进行跟踪，完成三维坐标系转化，实现了坐标轴Y向和拉 伸方向的统一，使测试不再受限于引伸计与试样的布置要绝对平行。

本发明提供引伸计，变形测量结果实现了从二维到三维，避免现有产品测 量二维变形时对轴向拉伸应用场景要求极高且要求引伸计布置与拉伸方向绝 对平行的情况出现，测量范围大于25mm，提高测量通用性和检测精度及其操 作难度简化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中 的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1为现有技术产品的结构示意图；

图2为现有技术产品的二维测量的系统示意图；

图3为发明单目三维测量整体结构示意图；

图4为发明单目三维采集结构的光路传递结构示意图；

图5为发明单目三维多标距视觉系统对试样标记采集的示意图；

图6为发明单目三维多标距视觉系统确定中心点的示意图；

图7为发明单目三维多标距视觉系统的框架图。

其中：

1、试样；2、光源；3、左反光镜；4、右反光镜；5、三棱镜；6、标记点； 7、壳体；8、控制器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。显然，所描述的实 施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另 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，在没有背离本发明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。基于本发明 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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，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。基于本发明，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 的任何数目个方面来实施设备及/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发明的 基本构想，图式中仅显示与本发明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方面。为了使 本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本 发明作进一步的详细说明。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能 理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此， 限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该 特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图3和图4所示的单目三维采集结构，包括：光源2、反光镜组件、棱 镜组件和相机，整体结构以现有技术中单目二维图像的集成式结构设置，光源 2、反光镜组件、棱镜组件和相机均设置在壳体7内，壳体7对相机对应位置 开设有光源2孔，通过该孔照射试样1，其中：

光源2，用于照射被标记的试样1，光源2采用人造光，或是LED灯或白 炽灯或其他现有技术中用于拍摄的光源2；

反光镜组件，用于反射试样1上的反射光；

具体的，反光镜组件包括反光镜和第一万象移动平台，反光镜，用于用于 反射试样1上的反射光；第一万象移动平台，用于反光镜的移动和转动。例如， 反光镜设置两个，以图4为例，在试样1的左右两侧各放置一个左反光镜3 和一个右反光镜4，一个反光镜配置一个第一万象移动平台，第一万象移动平 台能够带动反光镜万象移动。第一万象移动平台采用现有技术中伸缩杆、螺栓 和转轴组成的机构，实现在X轴、Y轴的移动，及其，绕z轴的转动，或是， 现有技术中相机调节焦距的机构，实现反光镜反光位置或反光角度的调整；

棱镜组件，用于反射反光镜组件的反射光并呈现多个虚像，具体的，棱镜 组件包括三棱镜5和第二万象移动平台，三棱镜5，用于反射反光镜的反射光， 三棱镜5成像是虚像，透过三棱镜5观察，可以看到一个与物体位置较远的像， 该像是折射光线的反向延长线形成的，故为虚像。第二万象移动平台的功能和 原理同第一万象移动平台，用于三棱镜5的移动和转动，配合反光镜能够调整 虚像位置和清晰度；

相机，用于采集多个虚像(如图4中的虚像100和虚像200)，虚像传送 控制器8，由控制器8合成多个虚像为一个图像。

本案的核心在于，将多个虚像通过一个相机进行拍摄，为软件处理单目三 维图像提供有利的图像基础，例如，将两个虚像进行合成，合成采用现有技术 的方法即可，图像合成器或PS软件等。如图5所示，基于体积不变原理，知 道D和L方向的变形，计算出和DL平面垂直方向的变形，从而实现三维测 量。

上述所述的试样1，例如，试样1布置为内白外黑的标记点6特征或黑底 白点的标记点6特征或白点黑底的标记点6特征，该特征设置便于对标记的识 别。标记点6数量和标距不受限，以可实现轴向多标距变形和横向标距变形的 测量为准。

另一方面提供一种单目三维多标距视觉系统，如图3和图7所示，包括控 制器8，控制器8与相机电连接，系统包括：

获取模块，用于获取上述相机采集合成的图像，并检测图像中标记点6 位置模糊坐标，例如，标记时为(x,y,w,h)，识别后的点分别为，P1、P2、P3 和P4，其中，P1和P3距离计为L，P2和P4的距离即为D，具体的：

获取模块与神经网络模型进行通讯，合成的图像传输至神经网络模型以检 测图像中标记点6位置模糊坐标，如，识别合成图像中的P1、P2、P3和P4 标识点，并将识别后图像传输至处理模块；

处理模块，基于模糊坐标对标记点6进行子图范围截取，仅需标记点6 围成图像，减少硬件的计算量，进行像素点过滤，具体的：

利用开源函数库，例如，Open-CV软件，对子图进行灰度转化和均值滤 波处理，并根据子图的中心点像素确定标记点6的类型，(通常用内黑外白标 记点6，例如，直径内5mm外7mm或内3mm外5mm)，根据标记点6类型 设置相适配的阈值进行像素点过滤，阈值是基于标记点6黑白对比所设置的 值，确定其黑白交界的轮廓，进而确定其标记点6中心坐标；

计算模块，用于过滤后图像边缘检测并进行椭圆拟合，在预设时间实时获 取拟合的椭圆，随着各个标记点6的变换，通过椭圆的变形进行计算，且在该 计算过程中椭圆的体积不会发生改变；

处理模块对子图像灰度处理后过滤后，合边缘检测算子进行边缘检测，例 如，现有技术中的canny边缘检测算子算法，对检测到的边缘轮廓进行筛选， 对满足预设条件的边缘进行椭圆拟合，并返回中心点坐标，如图6所示，从黑 到白灰度值，黑白交界处的灰度值处理变化最快处，识别变化最快处，进而确 定整圈以拟合出圆心坐标，根据标记P1至P4的标记点6及其拟合的圆心坐 标，形成椭圆，通过实时记录和追踪试样1表面的标记点6，计算试样1标距 内的变形并输出结果，计算方法，例如，采用亚像素位移测量算法(IC-GN算法)，该算法用于视频引伸计中实时和高精度位移的应变确定，原理为基于体 积不变原理，知道D和L方向的变形，计算出DL平面垂直方向的变形，从 而实现三维测量计算标记点6的位移，以确定试样1的变形量。

通过形成椭圆的实时完成三维坐标系的转换，并随图像采集跟踪，计算出 多标记点6之间标距内的应变计算，包括纵向和横向的标距内的应变结果，进 一步计算出与横向和纵向所在平面相垂直方向的变形，既实现了三维应变测 量，也实现了多标距的全面的数据处理分析。

该系统的计算方法，因采用了三维图像分析，分析范围不再受限于25mm 以内(现有技术受25mm的限制)，可满足常规50mm和80mm标距的金属、 塑料、橡胶材料拉伸变形测量，应用场景更加广泛，数据也实现了三维变形的 测量，提高测量所使用领域和范围，功能性增加。

提供一种引伸计，包括壳体7和支撑壳体7的支架，壳体7内安装有相机 和光源2，壳体7以集成式结构设置有如以上部分或全部单目三维采集结构、 光源2和相机，还包括与相机电连接的控制器8，控制器8安装有如以上部分 或全部的系统。本案所提供引伸计，仅是改变光路系统成像方式和系统实现三 维方向的变形计算，其余，均为做出改变，安装现有技术中附属设备即可，例 如，安装支架和万象机构等。

相比现有的二维视频引伸计，本发明的变形测量结果实现了从二维到三 维，数据全面性有了很大的提升。现有技术采用单目仅可测量二维方向变形， 测量二维变形时对轴向拉伸应用场景要求极高，增加测量难度，要求引伸计布 置与拉伸方向绝对平行，而且测量范围不得大于25mm。因此应用场景极其受 限，而且无光测量三维方向应变。

而本发明中采用单目三维图像采集光路系统，可实现三维图像的采集，使 用自动特征识别算法对图像上的标记特征进行跟踪，使用三维应变计算软件完 成三维坐标系转化，实现了坐标轴Y向和拉伸方向的统一(D和L方向的变 形及DL平面垂直方向的变形)，使测试不再受限于引伸计与试样的布置要绝 对平行。

以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本 发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发 明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发 明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也 落入发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种单目三维采集结构，其特征在于，包括：光源、反光镜组件、棱镜组件和相机，其中：

所述光源，用于照射被标记的试样；

所述反光镜组件，用于反射试样上的反射光；

所述棱镜组件，用于反射所述反光镜组件的反射光并呈现多个虚像；

所述相机，与所述棱镜组光连接，用于采集多个虚像。

2.根据权利要求1所述的单目三维采集结构，其特征在于，所述反光镜组件包括反光镜和第一万象移动平台，所述棱镜组件包括三棱镜和第二万象移动平台，其中：

所述反光镜，用于用于反射试样上的反射光；

第一万象移动平台，用于所述反光镜的移动和转动；

所述三棱镜，用于反射所述反光镜的反射光；

第二万象移动平台，用于所述三棱镜的移动和转动。

3.根据权利要求1或2所述的单目三维采集结构，其特征在于，所述试样布置为内白外黑的标记点特征或黑底白点的标记点特征或白点黑底的标记点特征。

4.一种单目三维多标距视觉系统，其特征在于，包括控制器，所述控制器与所述相机电连接，所述系统包括：

获取模块，用于获取如权利要求1至3任意一项所述相机采集合成的图像，并检测图像中标记点位置模糊坐标；

处理模块，基于所述模糊坐标对标记点进行子图范围截取，并进行像素点过滤；

计算模块，用于过滤后图像边缘检测并进行椭圆拟合；在预设时间实时获取拟合的椭圆，计算标记点三维方向的位移，以确定试样的变形量。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理模块还用于利用开源函数库对子图进行灰度转化和均值滤波处理，并根据所述子图的中心点像素确定标记点的类型，根据标记点类型设置相适配的阈值进行像素点过滤。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算模块还用于对过滤后灰度处理后的子图结合边缘检测算子进行边缘检测，对检测到的边缘轮廓进行筛选，对达预设要求的边缘进行椭圆拟合，并返回中心点坐标。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述获取模块与神经网络模型进行通讯，合成的图像传输至所述神经网络模型以检测图像中标记点位置模糊坐标，并传输至所述处理模块。

8.一种引伸计，包括壳体和支撑所述壳体的支架，所述壳体内安装有相机和光源，其特征在于，所述壳体以集成式结构设置有如权利要求1至3任意一项所述单目三维采集结构、光源和相机。

9.根据权利要求8所述的引伸计，其特征在于，还包括与所述相机电连接的控制器，所述控制器安装有如权利要求4至7任意一项所述的系统。

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