CN116576791A - 三维全场应变测量分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种的三维全场应变测量分析系统，包括被测试样和光源，所述被测试样前方布置有双目相机，所述双目相机和计算机电性连接；所述双目相机利用两台相机从不同角度拍摄被测试样，获取被测试样不同角度的表面散斑图像；所述计算机已知两台相机的相对位置关系，接收所述双目相机采集的图像，根据图像对应点的视差，利用三角测量法还原被测试样表面散斑的位移和变形情况。本发明结合数字图像相关技术与双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的动态测量，具有便携，速度快，精度高，易操作等优点。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像系统，具体涉及一种三维全场应变测量分析系统。
背景技术
数字图像相关技术(DIC)最早是在上世纪80年代初由I.Yamaguchi和W.H.Peters、W.F.Ranson等人提出。近年来，国内外学者对该方法的理论不断发展和完善，将该方法广泛应用在航空航天材料、岩土材料、生物医学等的力学性能测试中。DIC方法经过多年的发展，伴随着精度与速度的提高。例如快速零均值归一化算法(Fast zero normalized crosscorrelation,FZNCC)利用频域方法算法提高了整像素匹配的效率；在亚像素匹配方面，正向加性牛顿-拉弗森(Forwards additive Newton-Raphson algorithm,FA-NR)精度优于拟合法、梯度法；反向组合高斯-牛顿算法(Inverse compositional Gaussian-Newtonalgorithm,IC-GN)与FA-NR算法相比，速度提高近3-6倍；GAO等在IC-GN算法基础上将一阶形函数提高到二阶，用于复杂变形匹配。
对于如何实现高效高精度的三维测试，需要采用合理的形函数。以往，立体匹配计算中对左图像序列的点云匹配、左右图像点云匹配均采用基于一阶形函数的二维数字图像相关法匹配，或者均采用基于二阶形函数的三维数字图像相关法。基于一阶形函数的二维数字图像相关法计算效率高，但精度差。二阶形函数的三维数字图像相关法计算效率低，但精度高。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种结合数字图像相关技术(DIC)与双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变动态测量的三维全场应变测量分析系统，具有便携，速度快，精度高，易操作等特点。
技术方案：本发明所述的一种三维全场应变测量分析系统，包括被测试样和光源，所述被测试样前方布置有双目相机，所述双目相机和计算机电性连接；
所述双目相机利用两台相机从不同角度拍摄被测试样，获取被测试样不同角度的表面散斑图像；所述计算机已知两台相机的相对位置关系，接收所述双目相机采集的图像，根据图像对应点的视差，利用三角测量法还原被测试样表面散斑的位移和变形情况；具体步骤如下：
(1)通过标定获得相机的内参和外参以及双目相机之间的旋转、平移矩阵；
(2)试样未拉伸时，两台相机同时采集试样图像，记为左图像右图像/>在左图像上标记出需要计算的感兴区域，在感兴区域内以阵列方式等间隔选取若干整像素点作为点云，间隔一般为5-20个像素，通过基于二阶形函数的三维数字图像相关法计算获得右图像上对应的点云各点的像素坐标，利用左右点云，借助相机标定数据和三角法测量法得到变形前点云的三维空间坐标矩阵P0；
(3)当试样拉伸时，两台相机同时采集试样图像，分别获得拉伸阶段1,2……n-1,n的左图像序列右图像序列/>通过二维数字图像相关法，结合未变形左图像/>计算获得左图像上点云各点的像素坐标，通过三维数字图像相关法计算获得右图像上对应的点云各点的像素坐标，利用左右点云的像素坐标，借助相机标定数据和三角法测量法得到变形后感兴区域中点云的三维空间坐标矩阵序列{P1,P2,P3……Pn}；
(4)将点云上矩阵序列{P1,P2,P3……Pn}坐标值与矩阵P0相减，分别得到各阶段的点云变形量，通过变形量计算位移和变形，再进一步得到应变量。
优选的，所述两台相机均安装有调节机构，所述调节机构用于调节相机的拍摄角度。进一步的，所述调节机构和计算机电性连接。
优选的，通过棋盘格标定板获得相机的内参和外参以及双相机之间的旋转、平移矩阵。
进一步的，所述二维数字图像相关法使用一阶形函数作为匹配模型。采用一阶形函数来描述子区域变形情况时，子区域内某像素点位移表示为：
其中，x′，y′为变形后子区域中某点的像素坐标，x0，y0为未变形子区域的中心点坐标，Δx,Δy为未变形子区域内某点距离中心点的坐标距离，u，v为变形子区域中心点位移量，ux，uy，vx，vy为一阶位移梯度。
进一步的，所述三维数字图像相关法使用二阶形函数作为匹配模型。采用二阶形函数来描述子区域变形情况时，子区域内某像素点位移表示为：
其中，x′，y′为变形后子区域中某点的像素坐标，x0，y0为未变形子区域的中心点坐标，Δx，Δy为未变形子区域内某点距离中心点的坐标距离，u，v为变形子区域中心点位移量，ux，uy，vx，vy为一阶位移梯度，uxx，uyy，uxy，vxx，vyy，vxy为二阶位移梯度。
和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
在三维测试中，计算左图像序列或者右图像序列在不同阶段的变形时，由于图像变形主要是拉伸、剪切变形，可采用基于一阶形函数的二维数字图像相关法；计算同一阶段时左右图像序列对应的三维空间点坐标时，由于左右图像之间的变形主要是梯形等变形，可采用基于二阶形函数的三维数字图像相关法。这样分别采用不同的形函数，既提高了计算精度，又提高了计算效率。经验证，本发明的系统测量误差小于1um。
附图说明
图1为本发明一实施例的成像测试系统的布局示意图；
图2为本发明一实施例的三维变形测量原理图；
图3(a)-(b)为本发明一实施例的左右相机采集的被测试样图像；
图4(a)-(c)为本发明一实施例的被测试样相关区域的三维变形图，其中(a)表示x方向全场变形图，(b)表示y方向全场变形图，(c)表示z方向全场变形图；
图5为本发明一实施例的试样应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地解释和说明。
本发明的一种三维数字图像测试系统布局方式如图1所示，被测试样A为散斑试样，光源B优选为LED光源，系统使用双目相机和计算机2，双目相机布置在被测试样A的前方两侧，双目相机可选用CCD相机，从不同角度拍摄被测试样A，获得试样表面散斑图像，并发送至计算机2。可选的，两台相机均安装有调节机构，调节机构用于调节相机的拍摄角度；例如，相机可固定在水平支架上，以三脚架为支撑，可调节相机支架的俯仰角，水平角以及旋转。进一步的，调节机构可以和计算机2电性连接，由计算机2软件控制调节机构动作。
优选的，相机拍摄时与试样距离约200-1000mm，两个CCD相机1的夹角根据测量精度要求进行调整。
由于两台相机的相对位置关系已知，根据左右图像对应点的视差，利用三角测量法原理还原被测物体的三维空间信息(位移和变形情况)。具体步骤如下：
1.准备工作
使用计算机控制左右两台相机同时采集棋盘格标定板、被测试样的图像。
2.双目相机标定
通过棋盘格标定板获得相机的内参和外参以及双相机之间的旋转、平移矩阵。
3.三维变形计算
维变形测量原理如图2所示。
(1)通过标定获得相机的内参和外参以及双目相机之间的旋转、平移矩阵；
(2)试样未拉伸时，两台相机同时采集试样图像，记为左图像右图像/>在左图像上标记出需要计算的感兴区域，在感兴区域内以阵列方式等间隔选取若干整像素点作为点云，间隔一般为5-20个像素，通过基于二阶形函数的三维数字图像相关法计算获得右图像上对应的点云各点的像素坐标，利用左右点云，借助相机标定数据和三角法测量法得到变形前点云的三维空间坐标矩阵P0；
(3)当试样拉伸时，两台相机同时采集试样图像，分别获得拉伸阶段1,2……n-1,n的左图像序列右图像序列/>通过基于一阶形函数的二维数字图像相关法，结合未变形左图像/>计算获得左图像上点云各点的像素坐标，通过基于二阶形函数的三维数字图像相关法计算获得右图像上对应的点云各点的像素坐标，利用左右点云的像素坐标，借助相机标定数据和三角法测量法得到变形后感兴区域中点云的三维空间坐标矩阵序列P1,P2,P3……Pn}；
(4)将点云上矩阵序列{P1,P2,P3……Pn}坐标值与矩阵P0相减，分别得到各阶段的点云变形量，通过变形量计算位移、变形等，再进一步得到应变量。
进行图像相关计算时，首先选取矩形一个子区域，一般子区域的半径为15-30像素；采用一阶形函数来描述子区域变形情况时，子区域内某像素点位移表示为：
其中，x′，y′为变形后子区域中某点的像素坐标，x0，y0为未变形子区域的中心点坐标，Δx,Δy为未变形子区域内某点距离中心点的坐标距离，u，v为变形子区域中心点位移量，ux，uy，vx，vy为一阶位移梯度。
采用二阶形函数来描述子区域变形情况时，子区域内某像素点位移表示为：
其中，uxx，uyy，uxy，vxx，vyy，vxy为二阶位移梯度。
图3给出了一实施例中双相机拍摄的被测试样图片，标记出需要计算的区域，根据三维数字图像相关原理计算试样形变区域的三维空间变形情况。如图4所示，其中图4(a)表示x方向全场变形图，图4(b)表示y方向全场变形图，图4(c)表示z方向全场变形图。图中颜色栏右边的数字表示变形量，单位微米，颜色栏左边、下边的数字表示长度，单位毫米。
此外，还可以通过实验测量高温材料蠕变变形、泊松比、热膨胀应变、三维拉伸变形、弹性模量以及常温下断裂韧度等。如图5所示，是对试样的某个标距段进行测量得到试样的弹性模量，该试样应力-应变曲线图将本系统的测量曲线和国外某产品进行了比对。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种三维全场应变测量分析系统，包括被测试样和光源，其特征在于，所述被测试样前方布置有双目相机，所述双目相机和计算机电性连接；
所述双目相机利用两台相机从不同角度拍摄被测试样，获取被测试样不同角度的表面散斑图像；所述计算机已知两台相机的相对位置关系，接收所述双目相机采集的图像，根据图像对应点的视差，利用三角测量法还原被测试样表面散斑的三维位移和变形情况；具体步骤如下：
(1)通过标定获得相机的内参和外参以及双目相机之间的旋转、平移矩阵；
(2)试样未拉伸时，两台相机同时采集试样图像，记为左图像右图像/>在左图像上标记出需要计算的感兴区域，在感兴区域内以阵列方式等间隔选取若干整像素点作为点云，间隔一般为5-20个像素，通过基于二阶形函数的三维数字图像相关法计算获得右图像上对应的点云各点的像素坐标，利用左右点云，借助相机标定数据和三角法测量法得到变形前点云的三维空间坐标矩阵P0；
(3)当试样拉伸时，两台相机同时采集试样图像，分别获得拉伸阶段1,2……n-1,n的左图像序列右图像序列/>通过基于一阶形函数的二维数字图像相关法，结合未变形左图像/>计算获得左图像上点云各点的像素坐标，通过基于二阶形函数的三维数字图像相关法计算获得右图像上对应的点云各点的像素坐标，利用左右点云的像素坐标，借助相机标定数据和三角法测量法得到变形后感兴区域中点云的三维空间坐标矩阵序列{P1,P2,P3……Pn}；
(4)将点云上矩阵序列{P1,P2,P3……Pn}坐标值与矩阵P0相减，分别得到各阶段的点云变形量，通过变形量计算位移和变形，再进一步得到应变量。
2.根据权利要求1所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，所述两台相机均安装有调节机构，所述调节机构用于调节相机的拍摄角度。
3.根据权利要求2所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，所述调节机构和计算机电性连接。
4.根据权利要求1所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，通过棋盘格标定板获得相机的内参和外参以及双相机之间的旋转、平移矩阵。
5.根据权利要求1所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，所述二维数字图像相关法使用一阶形函数作为匹配模型。
6.根据权利要求5所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，采用一阶形函数来描述子区域变形情况时，子区域内某像素点位移表示为：
其中，x′，y′为变形后子区域中某点的像素坐标，x0，y0为未变形子区域的中心点坐标，Δx,Δy为未变形子区域内某点距离中心点的坐标距离，u，v为变形子区域中心点位移量，ux，uy，vx，vy为一阶位移梯度。
7.根据权利要求1所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，所述三维数字图像相关法使用二阶形函数作为匹配模型。
8.根据权利要求7所述的三维全场应变测量分析系统，其特征在于，采用二阶形函数来描述子区域变形情况时，子区域内某像素点位移表示为：
其中，x′，y′为变形后子区域中某点的像素坐标，x0，y0为未变形子区域的中心点坐标，Δx,Δy为未变形子区域内某点距离中心点的坐标距离，u，v为变形子区域中心点位移量，ux，uy，vx，vy为一阶位移梯度，uxx，uyy，uxy，vxx，vyy，vxy为二阶位移梯度。
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