CN115187553A - 基于显示散斑图像的dic应变检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于显示散斑图像的DIC应变检测方法和装置，在显示器件上制备显示散斑，将其固定在载物台上；对检测装置进行标定，准确确定系统内外参数；对感兴趣区域进行网格划分；利用图像采集设备获取一系列数字图像；针对感兴趣区域，按照预先定义的相关函数进行相关计算，在变形后的图像中寻找相对应的子集，确定散斑应变；对全部子集进行计算，导出应变场。该方法对实验环境要求极为宽松，并且具有全场测量、无需对被测样进行物理覆膜、抗干扰能力强等优点，可以实现对显示器件的应变分析。

Description

基于显示散斑图像的DIC应变检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，具体而言，涉及一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置及方法。

背景技术

随着信息时代的高速发展，信息的显示成为信息产业不可或缺的一部分，显示器作为信息呈现的载体获得人们更加广泛的关注。人们每天投入到手机、电脑上的时间，足以证明显示技术的重要性，同时人们对于显示器件的功耗、体积、软性化等方面提出了更高的要求。

传统的液晶显示器和平板显示器已经无法满足人们对于显示器功能性日益增长的需求，尤其在柔性显示方面。当前市场对于柔性显示设备的需求愈加强烈，柔性显示技术市场潜力巨大，针对柔性显示技术的研究具有重要的现实意义。智能化便携产品的迅速发展，使各大厂商加大了柔性显示器的研发力度。但是目前柔性显示器技术仍不够成熟，当前对于柔性显示器模组没有全面、系统的分析手段。针对柔性显示器中材料的复杂力学行为没有进行深入的探讨，柔性显示器在小半径情况下弯折时受力过大、胶层变形严重导致的问题仍没有有效的解决方案。目前对于柔性显示器的弯折受力情况，有学者从理论和仿真角度开展了广泛的研究工作，虽然取得了较好的成果，但并不能得到柔性显示器真实的弯折受力情况，分析结果与实际情况存在差异。

数字图像相关法(Digital image correction，DIC)是基于被测样表面具有可识别的散斑图案的一种数字图像追踪技术。传统的DIC方法采用喷涂或染色等方式在被测样上进行物理覆膜，散斑的大小不易控制且具有不可修复和调整的缺陷。当进行弯折、拉伸等试验时，散斑覆膜极易脱落，可进行的试验次数较少。

对于各大面板厂商而言，将光学检测和数字图像技术相结合，越早越快的形成一套完整、系统的检测解决方案，就能够在柔性显示市场中占据更加有力的地位。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置及方法。

第一方面，本发明提供一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，该装置包含显示控制设备、图像采集设备和图像处理设备；其中，所述显示控制设备控制被测样显示散斑图像；所述图像采集设备用于获取被测样变形全过程的图像信息；所述图像处理设备存储所述图像采集设备获取到的图像信息，及对所述图像信息进行应变分析。

进一步，DIC应变检测装置还包括有设置在被测样上为检测装置提供全场照明光的光源发射设备。优选的，光源发射设备为LED光源，所述LED光源分别以不同角度照射至被测样以提供均匀光场。使所述图像采集设备收集到精确图像信息内容。优选是包含两个完全一致且对称放置在被测样两侧的LED光源。

进一步，DIC应变检测装置还包括有载物台，所述载物台用于装载被测样，带动已显示散斑图像的被测样按照预设运动方式进行弯折运动，确保所述图像采集设备准确拍摄到被测样折痕处，实现对折痕处的应变检测。

进一步，所述显示控制设备包括单片机、图形处理器(GPU)、手机、平板电脑、笔记本电脑、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、手持计算机、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、可穿戴设备其中一种或两种以上方式。

进一步，所述图像采集设备包含用于采集散斑图像的相机；优选的，所述相机为彩色相机。

第二方面，本发明还提供一种基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，包括以下步骤：

S101，显示控制设备控制被测样显示散斑图像；所述被测样为可显示图像的显示器件；

S102，对DIC应变检测装置进行标定，准确确定系统内外参数；

S103，利用图像采集设备获取被测样变形全过程的图像信息，并将该图像信息交由所述图像处理设备存储；

S104，将被测样变形前图像中的计算区域划分子集，设置子集和步长的数值大小；

S105，针对每个子集，按照预先定义的相关函数进行相关计算，在变形后的图像中寻找相对应的子集，确定散斑应变；

S106，对全部子集进行计算，导出应变场，获得全场的形变及应变信息。

进一步，所述显示散斑图像应满足以下要求：出现位置是随机的，形状是随机的，大小、形状、位置不重复，具有计算机程序可分辨特征的对比度，散斑大小至少为3-5个像素。

进一步，步骤S101所述显示控制设备用于生成显示散斑图像；所述显示控制设备有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述一个或多个控制单元执行时，使得所述被测样具有显示散斑图像。

进一步，步骤S102中，所述图像采集设备为相机，在不同视角下拍摄标定板的图像，利用光束平差算法计算相机的包括焦距、主点、畸变参数的内部参数以及包括平移矢量和旋转矩阵的外部参数。相机放置在能够捕捉整个测量区域的位置，确保有足够的视野范围留给所述显示器件的预期运动。相机放置好后调整镜头焦距，使相机在所述显示器件上达到一个清晰的焦点。在进行分析之前，使用有已知实际距离的图像进行尺寸标定，在此之后的分析的数据，除了有像素单位之外，还有毫米单位。

进一步，步骤S104中所述子集包括子集(Subset)和步长(Step)大小，Subset的数值控制DIC匹配区域的大小，Step控制分析数据的密度。优选地，对电子屏幕变形前图像中感兴趣区域(折痕处)进行网格划分，划分为若干个子集，每个子集都当作刚性运动，具体为：在所述显示器件变形前的数字图像中，选取感兴趣区域，对感兴趣区域选择合适的子集(Subset)和步长(Step)大小。默认此图像为参考图像，所有的应变和位移都将以这张图片为基准。

进一步，步骤S105包括以下步骤：使用软件程序分析图像中自定义的计算区域，其中包含一组计算或测量点；在每个子集中，每个计算点均位于子集的中心；从参考图像到随后变形器件的每张图像都要对子集进行相关计算；该相关计算首先使用插值函数对子集中的散斑图像进行近似，其中该插值函数为基于子集的形函数；利用结合子集权重的匹配准则将参考图像中的子集与变形图像中的相应子集进行匹配。

进一步，所述应变分析，根据所述图像处理设备的数据用于计算被测样的形变。

进一步，本发明提供的装置与检测方法可实现在柔性显示屏应变测试中的应用。所述柔性显示屏包括卷轴显示屏或折叠显示屏。

进一步，被测样装载于载物台上，该载物台带动已显示散斑图像的被测样按照预设运动方式进行弯折运动，确保所述图像采集设备准确拍摄到被测样折痕处，且利用图像采集设备获取被测样弯折动作全过程的一系列数字图像，并将该数字图像交由所述图像处理设备存储。

本实施发明具有如下有益效果：

(1)本发明使用显示散斑图像作为测量依据，所以测量范围可根据实际需求进行设定，适用范围大，既可实现微小变形量的测量，尤其适用于柔性显示屏，例如卷轴显示屏、折叠显示屏。

本发明所使用的DIC应变检测装置可以实现在线分析，可以提供快速实时测量；应对大变形材料时，需要重新调整相机位置和图像中感兴趣区域，确保变形区域可以完全被图像采集设备捕获并且能被图像处理设备处理分析。

(2)本发明提供显示器件DIC应变分析装置及方法，采用在显示器件上显示散斑图像的方式，一方面无需喷涂、染色等物理方式进行覆膜，可以避免在试验过程中散斑脱落情况的发生，尤其是在进行弯折动作时，散斑不会脱落，可进行多次重复测试；另一方面，相比较于物理覆膜的方式，显示散斑图像的方式不仅可以对显示器件的表面受力进行分析，对屏幕内层的受力情况同样可以进行分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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是本发明实施例提供的基于显示散斑图像的显示屏DIC应变检测的流程示意图。

图2是本发明实施例提供的基于显示散斑图像的显示屏DIC应变检测装置的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的柔性显示屏折叠动作过程示意图。

附图标记：

10-LED光源，11-相机，12-被测样，13-载物台，14-计算机。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以柔性显示屏为被测样，如图1至图3所示，对本发明的实施方式进行详细描述。

实施例1，请参阅图2和图3，本发明第一实例提供了一种DIC应变检测装置，包括光源发射设备、显示控制设备、图像采集设备及图像处理设备；其中，所示光源发射设备包括LED光源10，所述LED光源10对称放置在被测样12中心法线两侧，在装置中分别以不同角度照射至所述被测样12，为检测装置提供全场照明光。被测样12为柔性显示屏。

所述图像采集设备包含用于获取所述被测样12弯折运动全过程一系列数字图像的高速相机11。其中，所述高速相机11优选为彩色相机，且能够以超过每秒250帧的帧率捕获被测样12弯折动作时的运动图像，并将其记录到存储介质中。

所述图像处理设备是计算机14，包含用于存储所述高速相机11获取到的数字图像的存储元件以及用于应变分析的软件程序。

在本实施例中，还包括用于装载被测样12的载物台13，所述载物台13通过胶合方式与被测样12相连接，限定其按照预设运动方式以能够检测所述被测样12的折痕处；并与所述高速相机11呈垂直位置关系，确保高速相机11可以准确拍摄到被测样12折痕处。其中，被测样12上显示散斑图像，所述载物台13带动已经显示散斑图像的被测样12进行角度弯折运动实现对折痕处的应变检测。

实施例2，请参阅图1，以柔性显示屏为例，本发明提供了一种基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，其可由基于显示散斑图像的DIC应变检测装置来执行，如图2所示。

S101,显示控制设备控制被测样显示散斑图像：采用单片机(图中未示出)作为显示控制设备，经过单片机的汇编与通信，于被测样12上设计出所需的显示散斑图像，随后将其固定在可进行弯折操作的载物台13上。也可将单片机替换为PLC、手机等可编程控制器。

在现有DIC技术中，被测样表面必须覆盖有随机的斑点图案，即所谓散斑，散斑会与被测样的表面一起变形，从而作为变形信息的载体。在本实施例中，使用单片机(MCU)实现并保持与被测样12间的通讯，即在作为被测样12的柔性显示屏上显示散斑图像，取代喷涂等传统物理覆膜方式，采用显示的方式可以解决物理覆膜的脱落问题，且对被测样12表面及内层都有较好的检测效果。

所显示散斑图像应满足以下要求：1.随机性，出现位置是随机的，形状是随机的，可以为圆点或不规则形状的斑点；2.非重复性,包括大小、形状、位置的不重复；3.各同向性，偏向散斑点大小；4.高的对比度，所述对比度，即RGB值的差异越大越好，优选的是，黑色背景上的白色散斑或白色背景上的黑色散斑都是有效的。需要注意的是，显示散斑图像不是随机的黑白噪点，而是指计算机程序可分辨的特征。

除了上述要求，散斑不能太大也不能太小，散斑大小至少约为3-5个像素。如果过大，图像的子集就只包含黑色或白色，这样就不能使图像得到很好的匹配。如果过小，相机的分辨率不能精确地分辨出散斑。

所显示的散斑图像可以是静态的，也可以一定频率进行刷新。

S102，DIC应变检测装置的参数标定：对DIC应变检测装置进行标定，准确确定系统内外参数；其中，DIC应变检测装置包括光源发射设备、图像采集设备及计算机14。

在本实例中，为了获得更好的精度结果，需要谨慎地对齐被测样12的平面与相机11传感器平面的平行度。在不同视角下拍摄标定板的图像，利用光束平差算法计算相机11的内部参数(焦距、主点、畸变参数)以及外部参数(平移矢量和旋转矩阵)。相机11放置在能够捕捉整个测量区域的位置，确保有足够的视野范围留给被测样12的预期运动。相机11放置好后调整镜头焦距，使相机在被测样12上达到一个清晰的焦点。在进行分析之前，使用有已知实际距离的图像进行尺寸标定，在此之后的分析数据，除了有像素单位之外，还有毫米单位。本发明采用单台相机即可实现图像采集与相关匹配。

如果被测样12平面与相机没有平行对齐，或被测样12有离面方向的位移产生，那么就会有误差产生。这项误差等于W/Z，W是离面方向的位移，Z是相机到被测样12之间的距离。

由于被测样12对于相机有离面方向上的运动，因此，相机拍取的图像就会有近大远小的问题存在，DIC处理相关性时，会把放大的图像，当成被测样12做了拉伸运动，得到拉伸的应变；会把缩小的图像，当成被测样12做了压缩运动，得到压缩的应变。

进一步，可以通过减少W或增加Z来对该项误差进行最小化。优化测量设置和过程可以减小W，选择长焦的镜头可以增加Z。距离一旦确定，需要谨慎地在被测样12的正对位置放置相机，并且与被测样12等高。可以通过仔细地沿着相机去观察或者通过使用尺子或水平仪来精确地检查相机高度和对齐。

S103，成像并采集：利用图像采集设备获取被测样12弯折动作的一系列数字图像。

在本实例中，相机11获取被测样12弯折动作全过程的一系列数字图像，数字图像存储在计算机14中。对于弯折运动的连续性测试，需要拍摄多组图像，通常采用设定时间间隔获取，最好能够平滑、连续地拍摄照片，而不是零散间断地拍摄。现有DIC测试技术，散斑直接在被测样的表面，相机容易获取像素清晰的数字图像。

S104，划分子区域记录基础散斑图：对被测样12待测量区域进行网格划分，即将被测样12变形前图像中感兴趣区域，例如折痕处，划分为若干个子集Subset，每个子集都当作刚性运动。

在本实施例中，默认被测样12变形前图像为参考图像，使用软件程序中的方形工具选择感兴趣区域，为选中的感兴趣区域选择合适的子集和步长，设置子集和步长的数值大小，控制其得到最优的数据和分析时间。根据具体的工作环境和精度要求，以达到最适合的分析结果和分析时间为目标来设置合适的子集和步长的数值大小，该子集和步长的数值设定取决于采集到的数字图像中感兴趣区域中的散斑所占的像素大小。

S105，图像匹配计算：针对步骤S104中的每个子集，按照预先定义的相关函数进行相关计算，在变形后的图像中寻找相对应的子集，为散斑的位移与应变计算做准备。

实现非接触变形测量的关键是识别测量点并追踪变形前后的坐标位置。图像匹配的基本原理是在两帧相关图像上，通过比较子集中测量点的像素的相关性，来判断是否为相同的点。当两个子集的相关性最好时，相关函数的值达到峰值。常用的相关函数包括直接相关函数、协方差相关函数、绝对差相关函数、最小差值平方和相关函数、正则化互相关函数、标准化协方差函数、差平方和法等。通过对比各种函数的抗干扰能力，优选使用标准化协方差函数。

S106，对全部子集进行计算，导出应变场，获得全场的形变及应变信息。

在本实施例中，步骤S103至步骤S106，使用软件程序分析图像中自定义的感兴趣区域，其中包含一组计算或测量点。每个子集包括一个计算点，每个计算点均位于子集的中心。从参考图像到随后每张的变形图像都要对子集进行相关计算。该相关计算指的是：首先使用插值函数对子集中的散斑图像进行近似度计算，其中该插值函数为基于子集的形函数，利用结合子集权重的匹配准则将参考图像中的子集与变形图像中的相对应子集进行匹配。

例如取5英寸的折叠屏为被测样12，如图3所示，利用单片机在折叠屏上设置若干个显示散斑图像，每个显示散斑图像的大小为3-5个像素。选取折叠屏中间折痕处1mm*1mm的范围，划分为100个正方形子集，则每个子集大小为100*100微米，步长设为3个时间单位，且每个子集中包含5*5共25个像素，即每个子集中包含5-8个散斑，按照上述方法进行20万次折叠后，测量到大于1um的形变量。由此可见，本发明可实现高空间采样率(达到0.1mm)、高测量灵敏度(达到1um)的全场变形测量，对柔性屏在折叠过程中的变形进行动态(时间采样率达到10Hz)测量。

对比例：采用喷涂散斑的方式时，柔性显示屏弯折次数受限，或受角度影响，散斑覆膜极易出现裂痕甚至脱落，无法获得散斑变化的连续图像。同样取5英寸的折叠屏为被测样，利用喷涂散斑进行1-2次弯折后，覆膜即会出现裂纹，影响后续检测。因此无法提供对比实施例应变分析的数据。本发明采用显示散斑图像的DIC应变检测方式可以有效避免覆膜脱落的发生。

综上，本发明省去了喷涂、染色等方式的物理覆膜，通过在显示器件表面显示散斑图案方式对其表面和内层进行应变检测，与传统的物理覆膜有相同的作用，且在进行弯折动作时，无需考虑散斑脱落，可进行多次重复试验，更加方便。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，其特征在于：包括显示控制设备、图像采集设备、图像处理设备；其中，

所述显示控制设备控制被测样显示散斑图像；

所述图像采集设备用于获取被测样变形全过程的图像信息；

所述图像处理设备存储所述图像采集设备获取到的图像信息，及对所述图像信息进行应变分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，其特征在于：还包括有设置在被测样上为检测装置提供全场照明光的光源发射设备。

3.根据权利要求2所述的一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，其特征在于：所述光源发射设备为LED光源，所述LED光源分别以不同角度照射至被测样以提供均匀光场。

4.根据权利要求1所述的一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，其特征在于：还包括有载物台，所述载物台用于装载被测样，带动已显示散斑图像的被测样按照预设运动方式进行弯折运动，确保所述图像采集设备准确拍摄到被测样折痕处，实现对折痕处的应变检测。

5.根据权利要求1所述的一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，其特征在于，所述显示控制设备包括单片机、图形处理器、手机、平板电脑、笔记本电脑、超级移动个人计算机、手持计算机、上网本、个人数字助理其中一种或两种以上方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于显示散斑图像的DIC应变检测装置，其特征在于，所述图像采集设备为彩色相机。

7.一种基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，显示控制设备控制被测样显示散斑图像；所述被测样为可显示图像的显示器件；

S102，对DIC应变检测装置进行标定，准确确定系统内外参数；

S103，利用图像采集设备获取被测样变形全过程的图像信息，并将该图像信息交由所述图像处理设备存储；

S104，将被测样变形前图像中的计算区域划分子集，设置子集和步长的数值大小；

S105，针对每个子集，按照预先定义的相关函数进行相关计算，在变形后的图像中寻找相对应的子集，确定散斑应变；

S106，对全部子集进行计算，导出应变场，获得全场的形变及应变信息。

8.根据权利要求7所述的基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，其特征在于，所述显示散斑图像应满足以下要求：出现位置是随机的，形状是随机的，大小、形状、位置不重复，具有计算机程序可分辨特征的对比度，散斑大小至少为3-5个像素。

9.根据权利要求7所述的基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，其特征在于，步骤S101所述显示控制设备用于生成显示散斑图像；所述显示控制设备有一个或多个计算机程序，所述一个或多个计算机程序包括指令，当所述指令被所述一个或多个控制单元执行时，使得所述被测样具有显示散斑图像。

10.根据权利要求7所述的基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，其特征在于，步骤S102中，所述图像采集设备为相机，在不同视角下拍摄标定板的图像，利用光束平差算法计算相机的包括焦距、主点、畸变参数的内部参数以及包括平移矢量和旋转矩阵的外部参数。

11.根据权利要求7所述的基于显示散斑图像的DIC应变检测方法，其特征在于，被测样装载于载物台上，该载物台带动已显示散斑图像的被测样按照预设运动方式进行弯折运动，确保所述图像采集设备准确拍摄到被测样折痕处，且利用图像采集设备获取被测样弯折动作全过程的一系列数字图像，并将该数字图像交由所述图像处理设备存储。

12.根据权利要求7至11任一项所述的基于显示散斑图像的DIC应变检测方法在柔性显示屏应变测试中的应用。

13.根据权利要求12所述的应用，其特征在于，所述柔性显示屏包括卷轴显示屏或折叠显示屏。

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