CN113902811B - 单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，包括：安装、搭建光路系统，调整棱镜与相机之间、棱镜与待测试件所在区域之间的距离，以满足成像要求；在待测试件表面制备高清散斑图案，作为被测物表面的形貌信息载体；使用标定板对相机内部参数和四视角对应的外部参数进行标定；采集试样参考图像并对四视角图像进行分割与保存；使用数字图像相关算法对分割图像进行匹配运算并对匹配点进行三维重构得到点云数据；加载试样并对变形图像进行分割与储存；使用数字图像相关算法对分割图像进行匹配运算并对匹配点进行三维重构得到点云数据，根据参考图和变形图的三维点云数据和匹配关系计算三维位移和表面应变。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，属于非接触三维变形测量技术领域。
背景技术
数字图像相关作为一种测量技术，不同于传统接触式测量方法，可以通过非接触测量方法实现对物体的高精度全场测量。基于双目立体视觉原理，三维数字图像作为一种非接触式的光学全场测量方法，它结合了数字图像相关法和计算机视觉原理，可以准确测量物体表面的三维形貌和变形。相比于光测力学中其他几种基于干涉原理的测量方法，它具有诸多优势，如设备简单、无需隔震、量程大、测量范围可控等。目前，三维数字图像相关技术被广泛应用于科学与工程领域。
对于三维数字图像相关方法，研究结果表明：双相机3D-DIC系统测量精度在X方向和Y方向不同，且其中某方向精度较低。若使用双向组合正交布置四相机3D-DIC系统，则可同时保证X方向和Y方向的测量精度。然而，随着相机数量的增多，系统设备的安装和搭建难度也随之增大，并且设备成本也随之增加。单相机四视角3D-DIC的提出，将会大大减少系统设备的成本，并在一定程度上减轻系统的搭建难度，进一步拓宽数字图像相关的应用范围。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，可以同时保证X方向和Y方向的测量精度，并且大幅度降低设备成本和操作难度，在高精度全场应变测量具有很好的应用前景。
上述目的通过以下技术方案实现：一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，包括以下步骤：
(1)根据测量视场和成像视角，设计、加工并制作特定尺寸的四角锥棱镜；
(2)搭建由四角锥棱镜、单个相机所构成的光路系统并调整二者位置，该光路系统在被测试件测量过程中的被测区域被四角锥棱镜折射一分为四且成像清晰，同时所成四视角图像沿光路传递到相机端；
(3)在被测试样表面制备随机散斑图案，作为被测物体表面的形貌信息载体；
(4)对相机拍摄的四视角图像所对应的内参和外参进行标定，得到相机内部参数和四视角对应的外部参数；
(5)采集被测试件的四视角散斑图像，并进行分割与储存；
(6)对步骤(5)中的分割图像进行立体匹配，并根据步骤(4)得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数对分割图像进行三维重构得到点云数据，进行变形前后的点云数据的对比运算，进而得到全场位移和应变数据。
进一步的，本发明方法中，在步骤(1)设计并加工的四角锥棱镜，是基于测量视场和成像视角，并依据光线折射原理设计加工而成，具体为：
O为空间中待测物体上任意一点，光线经点O反射至四角锥棱镜侧面，经侧面折射，光线沿水平光路传递至相机端，四角锥棱镜底面边长为a，高为h，测量视场工作距离为l，成像视角为θ，四角锥棱镜折射率为n，光线经侧面折射，入射角为α，反射角为β。
根据光线折射原理可得如下参数关系：
其中，a,h,α,β为未知量，求解上述方程，完成四角锥棱镜的参数设计。
进一步的，本发明方法中，在步骤(4)对相机拍摄的四视角图像所对应的内参和外参进行标定，得到相机内部参数和四视角对应的外部参数过程中，利用标定板对相机内部参数和四视角对应的外部参数进行标定。
进一步的，本发明方法中，在步骤(5)采集被测试样的四视角散斑图像过程中，为了消除连续光经过棱镜折射产生的色散现象，需要根据现场环境进行单一窄带短波长光源补光，并在相机镜头前安装窄带短波滤波片。
进一步的，本发明方法中，步骤(6)中根据步骤(4)得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数对分割图像进行三维重构，具体为：
Q为空间中的待测物体上任意一点，(XW,YW,ZW)为点Q的空间三维坐标，点Q在四视角上成像点分别是Q1、Q2、Q3和Q4，四视角所对应虚相机光心分别为OC1、OC2、OC3和OC4，有如下坐标变换关系：
式中，(xi,yi),i＝1,2,3,4分别为单相机所拍摄四视角中Q1、Q2、Q3和Q4的像素坐标，(cx,cy,fx,fy,fs)为相机的内部参数，和/>分别为四视角的光心坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量；
上述坐标变换关系转化为以下矩阵形式，并利用最小二乘法求解得到点Q的空间三维坐标(XW,YW,ZW)，实现点Q的三维重构：
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
传统的三维数字图像相关在现有的精度基础上想要再得到大幅度的提高，无论是依赖于算法还是硬件的进步，目前都难以实现。本发明与传统三维数字图像相关方法相比，采用棱镜搭配单相机的组合方式，给予额外约束的同时，充分利用了三维数字图像相关测量的空间分辨率；利用相机内部参数和四视角对应的外部参数高精度的同时标定，解决了标定繁琐和非重叠相机间的外参标定问题，极大提高相机的利用率，得以实现材料和结构的高效、高精度的非接触式三维全场变形测量。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为基于四角锥棱镜的单相机四视角成像模型图；
图3为基于四角锥棱镜的单相机四视角实际拍摄图像，其中(a)为标定板图像，(b)为散斑图像。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，具体步骤如下：
(1)根据测量视场和成像视角，设计、加工并制作特定尺寸的四角锥棱镜；
(2)搭建由四角锥棱镜、单个相机所构成的光路系统并调整二者位置(校对相机芯片中心、透镜中心、被测区域中心，三点是否共线)，该光路系统在被测试件测量过程中的被测区域被四角锥棱镜折射一分为四且成像清晰，同时所成四视角图像沿光路传递到相机端；
(3)对待测试件作预处理，利用水转印散斑或喷漆，在被测试件表面制备随机散斑图案，作为被测试件表面形貌的信息载体；
(4)使用标定板对相机拍摄的四视角图像所对应的内参和外参进行标定，得到相机内部参数和四视角对应的外部参数；标定板图像如图3中的(a)所示；
(5)采集被测试件的四视角散斑参考图像(如图3中的(b)所示)，利用MATLAB软件编程完成图像的分割与储存；
(6)基于三维数字图像相关方法，对步骤(4)中的分割图像进行立体匹配，并根据步骤(3)得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数对分割图像进行三维重构得到物体表面的光学三维形貌点云数据，进行变形前后的点云数据的对比运算，进而得到全场位移和应变数据。
在一个步骤(6)的实施例中，根据步骤(4)计算得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数，对步骤(5)中采集并完成分割的试样表面图像中的计算点进行三维重构时，如图2所示，Q为空间中待测物体上的任意一待测点，(XW,YW,ZW)为点Q的空间三维坐标。视角1、视角2、视角3和视角4同时从四个不同方向观察点Q，四视角所对应虚相机光心分别为OC1、OC2、OC3和OC4，点Q在四视角上成像点分别是Q1、Q2、Q3和Q4。根据数字图像相关原理，通过确定点Q1、Q2、Q3和Q4的坐标，通过如下坐标变换，计算出空间中唯一点Q的空间三维坐标：
上式中，(xi,yi),i＝1,2,3,4分别为单相机所拍摄四视角中Q1、Q2、Q3和Q4的像素坐标，(XW,YW,ZW)为待测空间点Q的空间三维坐标，(cx,cy,fx,fy,fs)为单相机的内部参数，和/>分别为视角1、2、3、4的光心坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量。
通过对点Q的空间坐标(XW,YW,ZW)进行计算，来得到该点在视角1、2、3、4上成像的像素坐标。通过标定得到四个视角所对应相机内部参数和四视角对应的外部参数。已知四个视角中的像素坐标共八个已知量，来求空间三维坐标中的三个未知量，就可以通过下式利用最小二乘法来求得未知量：
求解上述方程，得到点Q的空间坐标(XW,YW,ZW)，实现待测空间点Q的三维重构。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)搭建由四角锥棱镜、单个相机所构成的光路系统，该光路系统在被测试件测量过程中的被测区域被四角锥棱镜折射一分为四且成像清晰，同时所成四视角图像沿光路传递到相机端；
(2)在被测试件表面制备随机散斑图案，作为被测试件表面形貌的信息载体；
(3)对相机拍摄的四视角图像所对应的内参和外参进行标定，得到相机内部参数和四视角对应的外部参数；
(4)采集被测试件的四视角散斑图像，并进行分割与储存；
(5)对步骤(4)中的分割图像进行立体匹配，并根据步骤(3)得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数对分割图像进行三维重构得到点云数据，进行变形前后的点云数据的对比运算，进而得到全场位移和应变数据；
步骤(5)中根据步骤(3)得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数对分割图像进行三维重构，具体为：
Q为空间中的待测物体上任意一点，(XW,YW,ZW)为点Q的空间三维坐标，点Q在四视角上成像点分别是Q1、Q2、Q3和Q4，四视角所对应虚相机光心分别为OC1、OC2、OC3和OC4，有如下坐标变换关系：
式中，(xi,yi),i＝1,2,3,4分别为单相机所拍摄四视角中Q1、Q2、Q3和Q4的像素坐标，(cx,cy,fx,fy,fs)为相机的内部参数，和/>分别为四视角的光心坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵和平移向量；
上述坐标变换关系转化为以下矩阵形式，并利用最小二乘法求解得到点Q的空间三维坐标(XW,YW,ZW)，实现点Q的三维重构：
2.如权利要求1所述的单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，其特征在于，基于测量视场和成像视角，并依据光线折射原理完成步骤(1)中的四棱锥棱镜的参数设计，具体为：
光线经空间中待测物体上任意一点O反射至四角锥棱镜侧面，经侧面折射后的光线沿水平光路传递至相机端，测量视场工作距离为l，成像视角为θ，折射率为n，根据光线折射原理有如下参数关系：
θ＝α-β，
求解上述方程，得到四角锥棱镜底面边长a，高h，入射角α，反射角β。
3.如权利要求1所述的单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，其特征在于，步骤(3)中利用标定板对相机内部参数和四视角对应的外部参数进行标定。
4.如权利要求1所述的单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，其特征在于，步骤(4)采集被测试样的四视角散斑图像过程中，根据现场环境进行单一窄带短波长光源补光，并在相机镜头前安装窄带短波滤波片。
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