使用近心鏡頭的雙棱鏡單相機三維數字圖像相關重構方法技術

本發明專利技術涉及使用近心鏡頭的雙棱鏡單相機三維數字圖像相關重構方法，屬于光測實驗力學、三維數字圖像相關技術領域，該方法包括：采集試樣變形前、后的圖像、棱邊和別圖像和標定板圖像，標定獲得相機內部、外部參數；建立平行于雙棱鏡后表面的參考世界坐標系,根據外部參數確定其與相機坐標系之間的轉換關系；確定雙棱鏡棱邊和原點標記的空間位置，建立空間坐標系；通過對標定板角點空間坐標的重構運算與試算確定空間坐標系的位置；根據試樣圖像中配對的像素坐標，分別對試樣變形前、后的形貌進行重構運算，確定被測試樣變形產生的位移。本方法大大降低了重構方法的模型誤差。同時，本方法運算量小、編程方便、容易實現大批量數據的自動化處理。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術涉及，屬于光測實驗力學、三維數字圖像相關
，該方法包括：采集試樣變形前、后的圖像、棱邊和別圖像和標定板圖像，標定獲得相機內部、外部參數；建立平行于雙棱鏡后表面的參考世界坐標系,根據外部參數確定其與相機坐標系之間的轉換關系；確定雙棱鏡棱邊和原點標記的空間位置，建立空間坐標系；通過對標定板角點空間坐標的重構運算與試算確定空間坐標系的位置；根據試樣圖像中配對的像素坐標，分別對試樣變形前、后的形貌進行重構運算，確定被測試樣變形產生的位移。本方法大大降低了重構方法的模型誤差。同時，本方法運算量小、編程方便、容易實現大批量數據的自動化處理。【專利說明】使用近心鏡頭的雙棱鏡單相機Ξ維數字圖像相關重構方法
本專利技術屬于光測實驗力學、Ξ維數字圖像相關
，特別設及一種使用近屯、 鏡頭的雙棱鏡單相機Ξ維數字圖像相關(Β化3D DIC)重構方法。
技術介紹
Ξ維數字圖像相關(3D DIC)方法是光測實驗力學領域中常用的全場非接觸變形 測量方法，被廣泛地應用于航天航空材料的性能測試和結構表征中。該方法使用多個相機 同時觀察被測區域，通過立體視覺原理W對物體的Ξ維形貌進行重構，并同時獲得其Ξ維 位移分量，具有適用范圍廣泛、測試結果可靠的優勢。然而，傳統的3D DIC方法仍然存在一 些局限，例如：由多個相機構成測試系統需要占據較大的空間，而且各個相機的性能通常存 在差異;實驗時系統進行標定較為復雜;難W保證各個相機同步采集圖像等等。運些因素都 可能對測量結果產生影響。 基于雙棱鏡的單相機Ξ維數字圖像相關(Β化3D DIC)方法是一種特殊的3D DIC 方法。該方法通過在相機前放置雙棱鏡進行分光，僅通過單個相機即可完成上述的Ξ維測 量，有效地克服了傳統多相機3D DIC方法的局限，是3D DIC技術的重要發展。作為BSL 3D DIC方法的核屯、技術，其重構方法的精確程度直接影響著BSL 3D DIC測量結果的準確性。 -個典型的BSL 3D DIC測試系統由圖像采集設備、鏡頭和一個雙棱鏡構成，當使 用近屯、鏡頭時，圖像采集設備和鏡頭的組合可W等效為一個針孔成像模型。在一些研究中 (如L.F.Wu,etal.,MeasSciTechnol,2014;L.F.Wu,etal.,A卵10pt,2015)，為了便于坐 標描述，在圖像采集設備的感光元件上定義像素坐標系PCS、在雙棱鏡上定義空間坐標系 SCS;此外，考慮到雙棱鏡的兩側分別可看作模形棱鏡，Wu等人還在模形棱鏡上定義了局部 坐標系LCS，W便于光線折射的分析。在測試之前需要在試樣表面制備散斑。在測試過程中， 將試樣放置在BSL 3D DIC測試系統的視場之內，并依次采集試樣變形前的圖像和試樣變形 后的圖像。通過BSL 3D DIC測試系統采集的圖像，其左、由兩側分別為試樣通過雙棱鏡的兩 側后形成的圖像，可W看作兩個子圖像。通常，將雙棱鏡中形成左側子圖像的一側規定為正 半側，將形成右側子圖像的一側規定為負半側。通過數字圖像相關(DIC)運算，可在左側子 圖像與右側子圖像之間進行像素匹配。在測試結束后，將雙棱鏡從測試系統中移除，并將一 塊標定板放置于相機視場中，通過采集多幅標定板圖像W實現對上述針孔成像模型內部參 數和崎變參數的標定；同時，利用上述標定結果可W建立W相機光屯、為原點的相機坐標系 CCS。對于每一幅標定圖像，都可在上述在相機坐標系CCS中計算描述圖像中標定板空間位 置的外部參數。 目前，在計算機視覺領域關于棱鏡單相機立體視覺技術的研究中，已經提出了多 種可用于物體景深檢測和Ξ維形貌重構的模型，例如:虛像點模型(D.H丄ee，et al.，1邸E Trans Rob Autom,2000)、虛相機模型化.B丄im,et al.,J Electron Imaging,2005)、幾何 光學模型(X.Y.Cui，etal.，J0ptSocAmA，2012)、透視投影模型(X.Y.Cui，etal.，0pt Express, 2015)等。近年來，實驗力學領域的研究者提出并發展了若干新型的重構方法，如： Genovese等使用空間誤差函數描述BSL 3D Die系統中存在的系統誤差，從而在不需要特定 重構模型的前提下，實現了構件Ξ維形貌和變形測量化.Genovese,et al. ,Opt Lasers 化g，2013)。但是，運種重構方法需要進行誤差函數標定，實驗操作相對復雜。Wu等人分析了 雙棱鏡形成虛像點的規律，對傳統的虛像點模型進行了改進，提高了其重構精度化.F.Wu, et al.，MeasSciTechnol，2014);同時，他們利用雙遠屯、鏡頭，發展了一種精度更高，且不需 要標定的雙遠屯、BSL3DDIC方法化.F.Wu，etal.，Appl0pt，2015)。但是，由于雙遠屯、測試 系統的視場范圍、焦距、工作距離等不易調節，且成本較高，目前得到廣泛研究和應用的多 為使用近屯、鏡頭的BSL 3D DIC方法。 當BSL 3D DIC被用于精確測量材料變形產生的小位移（1000微應變W內）時，其重 構方法要滿足特定的條件。首先，重構方法應充分考慮測試系統中各個原件的對準誤差及 其各自產生的圖像崎變，并盡可能予W消除，W獲得更為精確的測量結果。此外，鑒于全場 測量的數據點較多，重構方法應具有較高的效率，且容易實現自動化數據處理。然而，上述 重構方法都存在一定的局限，例如:Wu等人提出的改進虛點模型中假設相機和雙棱鏡是對 準的，而且忽略了光線在雙棱鏡中的Ξ維折射效應，因而存在模型誤差。為了滿足材料變形 產生的小位移測量的需求，B化3D DIC重構方法還有待進一步發展和完善。
技術實現思路
本專利技術為了進一步提高近屯、BSL 3D DIC方法的測量精度、增強其在材料變形產生 的小位移測量和力學性能表征中的適用性，提出了一種使用近屯、鏡頭的雙棱鏡單相機Ξ維 數字圖像相關重構方法。本方法大大降低了重構方法的模型誤差。同時，本方法運算量小、 編程方便、容易實現大批量數據的自動化處理。在本方法的基礎上，使用BSL 3D DIC測試系 統可W對構件發生小變形時產生的Ξ維位移場進行精確測量。[000引本專利技術提出的一種使用近屯、鏡頭的雙棱鏡單相機Ξ維數字圖像相關重構方法，其 主要步驟包括： S1:使用BSL 3D DIC測量系統采集試樣變形前的圖像iRef、試樣變形后的圖像iDef、 棱邊識別圖像Ib、標定板錯位圖像1〇、標定板不同空間位置和姿態的直接觀測圖像Il-In，其 中，圖像II中的標定板與雙棱鏡的后表面平行;使用圖像Il-In對相機針孔成像模型參數進 行標定，獲得其焦距、主點像素坐標和崎變參數;根據與雙棱鏡后表面平行的標定板圖像 Ii，計算相機外部參數，并建立參考世界坐標系RWCS; S2:基于步驟S1計算得到的外部參數，建立相機坐標系CCS，確定相機坐標系CCS和 上述參考世界坐標系RWCS的坐標轉換關系； S3:使用圖像Ib，確定雙棱鏡棱邊的空間位置，計算雙棱鏡棱邊在雙棱鏡后表面上 的投影線的方程，并建立空間坐標系SCS;提取圖像1〇中角點對的像素坐標，使用步驟S1中 獲得的崎變參數，對角點對像素坐標進行鏡頭崎變誤差修正本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種使用近心鏡頭的雙棱鏡單相機三維數字圖像相關重構方法，其特征在于，該方法主要步驟包括：S1：使用BSL?3D?DIC測量系統采集試樣變形前的圖像IRef、試樣變形后的圖像IDef、棱邊識別圖像IB、標定板錯位圖像I0、標定板不同空間位置和姿態的直接觀測圖像I1?In(，其中，圖像I1中的標定板與雙棱鏡的后表面平行；使用圖像I1?In對相機針孔成像模型參數進行標定，獲得其焦距、主點像素坐標和畸變參數；根據與雙棱鏡后表面平行的標定板圖像I1，計算相機外部參數，并建立參考世界坐標系RWCS；S2：基于步驟S1計算得到的外部參數，建立相機坐標系CCS，確定相機坐標系CCS和上述參考世界坐標系RWCS的坐標轉換關系；S3：使用圖像IB，確定雙棱鏡棱邊的空間位置，計算雙棱鏡棱邊在雙棱鏡后表面上的投影線的方程，并建立空間坐標系SCS；提取圖像I0中角點對的像素坐標，使用步驟S1中獲得的畸變參數，對角點對像素坐標進行鏡頭畸變誤差修正后，通過重構運算計算對應角點的空間坐標；通過擬合與試算確定空間坐標系SCS與參考世界坐標系RWCS的間距Z0，及其轉換關系；S4：通過DIC運算，分別在試樣變形前的圖像IRef、試樣變形后的圖像IDef的左側子圖像和右側子圖像之間進行像素匹配，獲得若干像點對像素坐標；使用步驟S1中的畸變參數，對像點對像素坐標進行鏡頭畸變誤差修正，得到修正后的像點對像素坐標；S5：基于修正后的像點對像素坐標，通過重構運算計算試樣表面若干物點的空間坐標；分別對試樣變形前、后的形貌進行重構運算后，根據對應物點的三維坐標增量，確定被測試樣發生變形時產生的位移。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：謝惠民，吳立夫，朱建國，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11