CN114322810A - 一种单目三维高速测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术、三维视觉技术领域，具体涉及一种单目三维高速测量系统，包括：第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜；三角棱镜设置在第一反光镜与第二反光镜之间，前方放置被测试样；三角棱镜的第一镜面用于将第一反射光线形成被测试样对应的第一虚像，三角棱镜的第二镜面用于将第二反射光线形成被测试样对应的第二虚像。本发明能够简化基于三维DIC算法的三维应变测量中的测量系统，并能够拓宽对被测试样的测量视野。

Description

一种单目三维高速测量系统

技术领域

本发明属于测量技术、三维视觉技术领域，具体涉及一种单目三维高速测量系统。

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)的传统测量系统，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算法的测量系统。

例如，专利文献1中发明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测量系统，该测量系统不仅结构复杂，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算法的测量系统。

例如，专利文献2中发明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测量系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：中国发明号CN103575227 A

专利文献2：中国发明号CN 111426280 A

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种单目三维高速测量系统，以简化基于三维DIC算法的三维应变测量中的测量系统，并能够拓宽对被测试样的测量视野。

为了达到上述技术目的，所采用的具体技术方案为：

一种单目三维高速测量系统，包括：第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜；

所述三角棱镜设置在所述第一反光镜与所述第二反光镜之间，前方放置被测试样；

所述第一光源设置在所述第一反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第一反射光线；

所述第二光源设置在所述第二反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第二反射光线；

所述第一反光镜用于将所述第一反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；

所述第二反光镜用于将所述第二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射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射光线形成所述被测试样对应的第二虚像。

进一步的，所述测量系统还包括横向滑轨和纵向滑轨；

所述第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜可滑动安装在所述横向滑轨上；

所述单目采集单元可滑动安装在纵向滑轨上；

所述第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜的滑动方向垂直于所述单目采集单元的滑动方向。

进一步的，所述测量系统还包括滑动安装在所述横向滑轨上的：

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。

进一步的，所述测量系统还包括单目采集单元，所述单目采集单元用于采集所述第一虚像和第二虚像。

进一步的，所述测量系统还包括与所述纵向滑轨固定设置的第四调整装置，所述第四调整装置用于调整所述单目采集单元的位置。

进一步的，所述第四调整装置包括：

相机滑槽，设置在所述纵向滑轨上，垂直于所述横向滑轨，轴向延伸线与所述三角棱镜相交；

高度调节装置，包括相互固定的高度调节垫片和滑块，基于滑块滑动安装在所述纵向滑轨上；

相机支架，滑动安装在所述相机滑槽上，用于安装所述单目采集单元；

其中：所述高度调节装置为多组，多组高度调节装置的高度调节垫片的厚度不一。

进一步的，所述纵向滑轨上还设置有三脚架连接装置；所述三脚架连接装置为所述测量系统连接三脚架的接口。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，所述测量系统还包括：

应变处理设备，用于与所述测量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，本发明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：

1、通过将左右光源、左右反光镜和三角棱镜构成光线反射传输的测量系统，可简化传统应变检测中的测量系统结构设计，还可消除传统测量系统中因光场亮度不均匀而缺失测量数据的缺陷，而且测量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，而且该测量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。

2、基于横向滑轨、纵向滑轨、第一调整装置、第二调整装置、第三调整装置以及第四调整装置的模块化设计，使本发明的测量系统能够适用于多种被测试样，以及多种单目测量单元。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种单目三维高速测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种单目三维高速测量系统中左侧反光镜调整装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种单目三维高速测量系统中右侧反光镜调整装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种单目三维高速测量系统中三角棱镜调整装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种单目三维高速测量系统中相机调整装置的结构示意图；

其中：1、第一反光镜；2、第二反光镜；3、第一光源；4、第二光源；5、三角棱镜；6、横向滑轨；7、纵向滑轨；13、相机支架；14、三脚架连接装置；15、高度调节垫片；16、相机滑槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

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。

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测量系统，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测量系统，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，比如测量系统、图像采集系统等，提出一种可用于三维应变检测的单目三维高速测量系统，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，其次，模块化设计可以使本测量系统能够测量各种尺寸的被测试样以及多种型号的单目采集单元均能够被采用，同时采用两组光源能够增加被测试样的测量视野。

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1，本说明书实施例提供一种用于三维应变检测的单目三维高速测量系统。

如图1所示，该测量系统可包括第一光源3、第一反光镜：1、第二光源4、第二反光镜2和三角棱镜5；

实施中，可将第一光源3和第二光源4设置于三角棱镜5的前方，用于发射光线以在被测试样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。

本实施例的三角棱镜5的第一镜面与第二镜面垂直，之间的夹角正对被测试样；

可将第一反光镜：1设置于所述第一光源3的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜5的第一镜面。

可将第二反光镜2设置于所述第二光源4的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜5的第二镜面。

可将三角棱镜5设置于第一光源3以及第二光源4的后方，并位于第一反光镜：1和第二反光镜2之间，以便三角棱镜5的第一镜面将第一反光镜：1反射的光线形成所述被测试样对应的第一虚像，而三角棱镜5的第二镜面将第二反光镜2反射的光线形成所述被测试样对应的第二虚像。

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：1可将反射光线反射到三角棱镜5的第一镜面中，第二反光镜2将反射光线反射到三角棱镜5的第二镜面中，从而通过三角棱镜5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，通过该测量系统，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5的第一镜面与所述三角棱镜5的第二镜面垂直，这时三角棱镜5可为截面为等腰三角形的三角棱镜5，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。在本实施方式中，等腰三角形的底边的中垂线朝向被测试样；第一光源3与第二光源4以此中垂线轴对称设置；第一反光镜：1与第二放光也以此中垂线轴对称设置。

在一些实施方式中，所述测量系统还可包括：滑动安装在横向滑轨上的若干调整装置，可在横向滑轨上进行X向的滑动；同时，调整装置对测量系统中若干设备(如第一反光镜：1、第二反光镜2、三角棱镜5等)进行微调，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2本说明书实施例提供一种测量系统中的第一反光镜：1(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：1(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5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3，本说明书实施例提供一种测量系统中的第二反光镜2(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2(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5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4，本说明书实施例提供一种测量系统中的三角棱镜5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5的位置和/或角度，以更好地将第一反光镜：1、第二反光镜2反射来的光线经过三角棱镜5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5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5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5及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整三角棱镜5旋转平台可调整三角棱镜5及固定支架的角度。

在一些实施方式中，所述测量系统还可包括：横向滑轨6。通过横向滑轨6可将第一光源3、第二光源4、第一反光镜：1(如左侧反光镜)、第二反光镜2(如右侧反光镜)和三角棱镜5之间的空间关系进行初步安装。

实施中，鉴于传统测量系统，比如采用双目采集装置和双光源照明的测量系统，比如采用单目采集装置和单光源的测量系统，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。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调整，从而在测试不同规格的被测试样时，首先基于调整装置在横向滑轨上的滑动对第一反射镜、第二反射镜和三角棱镜进行粗调，之后利用调整装置本身对第一反射镜、第二反射镜和三角棱镜进行微调，之后可用于被测试样的测量，可适用于不同规格的被测试样。

实施中，可通过横向滑轨6将第一光源3、第二光源4、第一反光镜：1、第二反光镜2和三角棱镜5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，即在调整好光线在测量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5临时固定下来。

在一些实施方式中，横向滑轨6上可设置有若干安装孔，从而实现测量系统中的第一调节装置、第二调节装置、第三调节装置的安装。

需要说明的是，安装孔可为螺纹孔形式，各安装孔可单独配置安装孔滑槽，也可共用滑槽，这里不作限定。

在一个实施例中，测量系统还包括单目采集单元，对前述实施例提供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。

实施中，该单目采集单元可用于采集测量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。

通过测量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，还可消除传统测量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，所述单目采集单元中可包括单镜头和单相机，其中单镜头与单相机按焦距进行固定，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，采用第四调整装置调整单目采集单元的空间位置参数。第四调整装置可包括：

固定在纵向滑轨7上的相机滑槽16，相机滑槽16垂直于横向滑轨6，轴向延伸线与三角棱镜5相交；

相机支架13，滑动安装在相机滑槽16上，用于安装单目采集单元；

多种规格的高度调节垫片15，一端滑动安装在相机滑槽16中，一端设置相机支架13用于调节所述相机支架13与所述横向滑轨6之间的平面距离。

本实施例多种规格的高度调节垫片15厚度不一，可以安装不同高度的单目采集单元以采集第一虚像和第二虚像。

本实施例的纵向调节机构垂直于横向调节机构固定。

在一些实施例中，纵向滑轨上还设置有三脚架连接装置14；三脚架连接装置14为所述测量系统连接三脚架的接口。

实施时，单目采集单元通过相机滑轨调节与三角棱镜5之间的距离，调节后入瞳口可同时接收到第一虚像和第二虚像。

同时通过调整高度调节垫片15的厚度和/数量，可根据测量位置需求调整相机和镜头的高度。

本说明书实施例还提供可为基于三维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，用于针对测量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。

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

Claims (10)

1.一种单目三维高速测量系统，其特征在于，包括：第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜；

所述三角棱镜设置在所述第一反光镜与所述第二反光镜之间，前方放置被测试样；

所述第一光源设置在所述第一反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第一反射光线；

所述第二光源设置在所述第二反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第二反射光线；

所述第一反光镜用于将所述第一反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；

所述第二反光镜用于将所述第二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射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射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所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括横向滑轨和纵向滑轨；

所述第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜可滑动安装在所述横向滑轨上；

所述单目采集单元可滑动安装在纵向滑轨上；

所述第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜的滑动方向垂直于所述单目采集单元的滑动方向。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括滑动安装在所述横向滑轨上的：

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所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括单目采集单元，所述单目采集单元用于采集所述第一虚像和第二虚像。

5.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括与所述纵向滑轨固定设置的第四调整装置，所述第四调整装置用于调整所述单目采集单元的位置。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述第四调整装置包括：

相机滑槽，设置在所述纵向滑轨上，垂直于所述横向滑轨，轴向延伸线与所述三角棱镜相交；

高度调节装置，包括相互固定的高度调节垫片和滑块，基于滑块滑动安装在所述纵向滑轨上；

相机支架，滑动安装在所述相机滑槽上，用于安装所述单目采集单元；

其中：所述高度调节装置为多组，多组高度调节装置的高度调节垫片的厚度不一。

7.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述纵向滑轨上还设置有三脚架连接装置；所述三脚架连接装置为所述测量系统连接三脚架的接口。

8.根据权利要求1所述的测量系统，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。

9.根据权利要求4所述的测量系统，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。

10.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括：

应变处理设备，用于与所述测量系统共同对所述被测试样进行三维应变检测。

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