CN113899528A - 一种基于3d-dic原理的液面动态波高测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于3D‑DIC的液面动态波高测量方法，包括：采集光斑投射在液面的图像；基于3D‑DIC算法计算所述图像的像素灰度的相关性，通过追踪所述图像中各个时刻光斑的大小和形状变化，获得各个时刻观测区域的波高动态分布。本发明基于3D‑DIC原理的波面高度测试方法，通过对液面的染色处理，并投射随机光斑，形成液体表面的标记点供计算机追踪，合理地将3D‑DIC原理应用于液体的测量中。该方法科学原理清晰、实施简单，相关的识别算法准确有效，实现了将3D‑DIC原理从固体领域拓展到流体领域。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉和测量学领域，具体的，涉及一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法。
背景技术
作为实验力学的重要分支，光测力学经过几十年的发展，其中的各种光学计量方法，如云纹法(包括几何云纹法、干涉云纹法)、全息干涉、电子散斑干涉、数字图像相关方法等都已经被成功地运用在实验力学和断裂力学中用来测量固体的表面位移。其中，数字图像相关方法又被称为数字散斑相关测量(digital speckle correlation measurement)，是基于计算机视觉原理、数字图像处理和数值计算的、非接触、非干涉、全场变形光学计量方法，是当前实验力学领域最活跃、最受关注、应用最广泛的光测力学方法之一。
应用DIC原理对液体表面进行测量的实例有限，在Application of digitalimage correlation(DIC)to sloshing liquids一文中，作者应用一对CCD相机对水面进行拍摄。两个相机的分别进行传统2D-DIC原理测量得到的平面内的位移变化量，再基于相机固有参数和待测物体的几何关系，通过坐标变换来获得测点的面外位移。该方法所测得的结果精确程度低、噪声明显，相机之间的协同性较差，对于试验场地的影响极其敏感。
因此，需要一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，对波高进行测量。
根据本发明的一个方面，提供一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，包括：
采集光斑在液面的图像；
基于3D-DIC算法计算所述图像的相关性，通过追踪各个时刻光斑的大小和形状变化，计算得到各个时刻观测区域的波高动态分布。
优选地，所述采集光斑在波面的图像，包括：
S1，对液面进去透明化处理；
S2，向液面投射光斑，在液面的正上方架设两个工业相机并与计算机连接；
S3，保持两个工业相机相对位置不变，利用标定板标定两个相机并在保存标定数据；
S4，施加物理扰动生成水波，按照固定的时间间隔，两个工业相机同步拍摄波面图像。
优选地，所述的去透明化处理，可通过对水体进行染色、浑浊等方式，以便呈现清晰的光斑图像。
优选地，所述光斑的颜色与去水体去透明化后的颜色设置为不同显色，相互之间存在反差。
优选地，所述光斑具备不规则性，并随机分布，避免引起噪声，提高图像的互匹配的精度。
优选地，所述两个相机均能够调节不同的分辨率，可根据实际需要放大或缩小拍摄范围。机镜头前安装偏振片以降低外界杂散反光的干扰。所述双工业相机拍摄的拍摄视场可根据实际测试需求可任意调整。两个相机拍摄同一时刻图像的同步误差不大于1秒。
优选地，对两个工业相机参数标定采用亚光的固体标标定板标定，以减弱杂散光影响。
优选地，所述3D-DIC算法，能够对波高变化导致光斑发生的形变进行捕捉和测量，计算得到波高变化量。
优选地，所述基于3D-DIC算法计算所述图像的相关性，通过追踪各个时刻光斑的大小和形状变化，计算得到各个时刻观测区域的波高动态分布，包括：
S201,双相机所拍摄的图像采用传统立体匹配与三角测量方法进行匹配，获得测点的世界坐标和相关性；
S202,通过S201，将其计算过程推广至整个波面，进而计算得任意一时刻的待测区域的波面高度位移场。
根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行上述任一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明基于3D-DIC原理的波面高度测试方法，通过对液面的染色处理，并投射随机光斑，形成液体表面的标记点供计算机追踪，合理地将3D-DIC原理应用于液体的测量中。该方法科学原理清晰、实施简单，相关的识别算法准确有效，实现了将3D-DIC原理从固体领域拓展到流体领域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一实施例的一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法的装置安装示意图；
图2为本发明提供的一实施例的一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法的流程图；
图3为本发明提供的一实施例中的实拍光斑图像；其中：图3(a)为液面平静状态光斑图像，图3(b)为动态液面某时刻光斑图像；
图4为采用图3的实拍光斑进行投射的一个较优实施例获得的测量结果；其中：图4(a)为区域静态波高位移场结果，图4(b)为区域动态波高位移场结果。
其中：1-左工业相机、2-右工业相机、3-光斑投影装置、4-待测液面、5-双目相机同步装置、6-计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
3D-DIC是指结合双目立体视觉系统和DIC原理，对拍摄的物体表面变形前后图像进行相关计算，得到其形变大小的光学测量方法，也是实现三维空间的位移和应变测量的方法。完整的3D-DIC测量系统需要结合相机标定、三维重建等算法，系统复杂性较之2D-DIC更高，同时也具有更高的工程应用价值。现有的3D-DIC测量在固态物体测量中应用成熟，可参见《岩土力学》2020年第11期《基于3D-DIC技术的砂岩变形局部化荷载率效应试验研究》，《东南大学学报》第49卷第6期《基于3D-DIC的正交异形钢桥面板横隔板开口处疲劳性能试验研究》等。
本发明与现有技术不同，将3D-DIC应用于液体测量领域。其对液体进行去透明化处理后，向液面投射光斑，类比于固体测试中的自然纹理。计算机通过追踪光斑形状和大小随着液面机械波运动的变化情况，计算各个时刻的波面位移场变化，实现液面动态波高的高精度测量。具体的，本发明提供一实施例，一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，包括：
采集光斑投射在液面的图像；
基于3D-DIC算法计算图像的相关性，通过追踪各个时刻光斑的大小和形状变化，获得各个时刻观测区域的波高动态分布。
为了更好地实现测量，本发明提供另一本优选实施例，其测试装置如图1所示，主要包括左工业相机1、右工业相机2、光斑投影装置3、待测液面4、双目相机同步装置5、计算机6。其中：
工业相机1、2与同步装置5连接后与计算机6相连，由计算机控制工业相机的拍照频率，工业相机将拍摄的图像自动导入到计算机。在本实施例中，工业相机1、2架设在液面上方，光斑投影装置3架设在工业相机1、2的对称中心线上。
如图2所示，为本实施例的一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法的流程图，具体包括：
S1，采用染色的方式对待测液体4进行去透明化处理，以增强水体表面的漫反射效应。为了便于计算机识别，提高计算准确性，在本实施例中液面的去透明化方法采用染纯黑色或其他纯色的方式，与投射的光斑形成明显色差。
S2，在环境光较弱的条件下，使用光斑投射装置3向染色后的水投射光斑，调整光斑投射装置。投射光斑的光线与液面夹角应在不妨碍相机工作的情况下尽可能地大，以保证投射质量并避免波面局部高点对光线的遮挡。在本实施例中，满足最大程度上使得投射光线与液面法线方向接近，直到液面上呈现较为明亮、清晰的光斑。在波面的待测区域4的正上方架设左工业相机1和右工业相机2，按试验的实际测试需求调整直至能拍摄到适宜的视场，将工业相机1、2与计算机6连接妥当。可见，本实施例只需要双目相机和投影仪即可进行采样，相比较干涉条纹法等具有简便性。
S3，保持左工业相机1和右工业相机2相对位置不变，利用标定板标定相机，完成相机内参数、外参数的标定并保存标定数据至计算机6。本发明不限制特定的双目相机标定方法，能够实现双目相机标定的方法均可。在本实施例中，对两个工业相机参数标定采用亚光的固体标标定板标定，以减弱杂散光影响。
S4，施加物理扰动生成水波，设置所需的拍照时间间隔，双相机同步拍摄波面图像，并将拍摄所得的图像信息储存在计算机6中，摄得图像以TIF格式保存，确保格式未压缩，图像质量无损。拍摄时间间隔可设定为100ms、50ms或25ms，在本实施例中，优选用50ms的拍摄间隔。
S5，基于3D-DIC原理算法，通过对图像的处理，追踪各个时刻光斑的大小、形状变化，计算得到各个时刻观测区域的波面高度分布。
以某次测量为例，在波面高度改变前，拍摄得到待测的波面内某一区域处所携带的光斑信息在左、右视角中的分布如图3(a)所示。动态波面某一时刻摄得该区域所携带的光斑信息在左、右视角的分布发生改变，如图3(b)所示。基于3D-DIC原理，通过计算机对光斑图像的相关性计算，测得该区域静态波高位移场结果如图4(a)所示，测得该区域动态波高位移场结果如图4(b)所示。
为了更好地计算光斑图像的相关性，本发明提供一个优选实施例。
首选，双相机所拍摄的图像采用传统立体匹配与三角测量方法进行匹配，具体如下：
[XQ,YQ,ZQ]T＝M+b
式中(xL,yL)是左相机坐标系中测点的坐标，(xR,yR)是右相机坐标系中测点的坐标；
和
分别是左相机和右相机的固有参数，可通过标定获得；
测点在世界坐标系下的坐标可表示为：
[XQ,YQ,ZQ]T＝M+b
XQ,YQ,ZQ是某观测点的实际世界坐标，M+和b是与两相机相对位置和相机固有参数有关的系数矩阵。
其中，M+是矩阵M的左伪逆矩阵(M+＝(MTM)-1MT)，M和b矩阵如下，其中Rc＝[R11,R12,R13；R21,R22,R23；R31,R32,R33]和Tc＝[tx,ty,tz]T是左、右相机位置关系的系数矩阵。
最后，通过以上的计算方法，将该计算过程推广至整个波面，获得某个时刻整个波面的世界坐标和相关性，即获得某个时刻的波面高度位移场。进而计算得任意一时刻的待测区域的波面高度位移场。
在本实例具有操作简便、精确程度高且抗干扰能力强的优点。其代替了传统DIC的固态物体表面制绘散斑方式，可实现对液体表面的三维波高场测试。
在本发明的其他实施例中，相机镜头前安装偏振片以降低外界杂散反光的干扰。标定板采取反光较弱的固体标定板，以增加标定的准确度和效率。在确定测量视场后，通过固定器械保持两个相机的相对位置不变以提高标定结果的准确性。采用性能良好的硬出发开关等硬件设备，实现双相机的同步拍摄性能。
基于上述方法的相同的构思，本发明提供有一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以上任一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
Claims (10)
1.一种基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，包括：
采集光斑投射在液面的图像；
基于3D-DIC算法计算所述图像的像素灰度的相关性，通过追踪所述图像中各个时刻光斑的大小和形状变化，获得各个时刻观测区域的波高动态分布。
2.根据权利要求1所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述采集光斑投射在液面的图像，包括：
S1，对液面进行去透明化处理；
S2，向液面投射光斑，在液面的正上方架设两个工业相机并与计算机连接；
S3，保持两个工业相机相对位置不变，对两个相机进行标定并保存标定数据；
S4，施加物理扰动生成水波，按照固定的时间间隔，两个工业相机同步拍摄波面图像。
3.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述去透明化处理，包括对水体进行染色或浑浊处理。
4.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述光斑的颜色与液体去透明化后的颜色设置为不同显色，使得相互之间存在反差。
5.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述光斑具备不规则性且随机分布。
6.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述两个工业相机均能够调节多种分辨率；每个工业相机镜头前安装偏振片。
7.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，对两个工业相机参数标定采用亚光的固体标标定板标定。
8.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述3D-DIC算法，能够对波高变化导致光斑发生的形变进行捕捉和测量，计算获得波高变化量。
9.根据权利要求2所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法，其特征在于，所述基于3D-DIC算法计算所述图像的像素灰度的相关性，通过追踪所述图像中各个时刻光斑的大小和形状变化，获得各个时刻观测区域的波高动态分布，包括：
S201,双相机所拍摄的图像采用传统立体匹配与三角测量方法进行匹配，获得测点的世界坐标和相关性；
S202,将S201推广至整个波面，进而获得任意一时刻的待测区域的波面高度位移场。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行权利要求1-9任一种所述的基于3D-DIC原理的液面动态波高测量方法。
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