使用近心镜头的双棱镜单相机三维数字图像相关重构方法技术

本发明专利技术涉及使用近心镜头的双棱镜单相机三维数字图像相关重构方法，属于光测实验力学、三维数字图像相关技术领域，该方法包括：采集试样变形前、后的图像、棱边和别图像和标定板图像，标定获得相机内部、外部参数；建立平行于双棱镜后表面的参考世界坐标系,根据外部参数确定其与相机坐标系之间的转换关系；确定双棱镜棱边和原点标记的空间位置，建立空间坐标系；通过对标定板角点空间坐标的重构运算与试算确定空间坐标系的位置；根据试样图像中配对的像素坐标，分别对试样变形前、后的形貌进行重构运算，确定被测试样变形产生的位移。本方法大大降低了重构方法的模型误差。同时，本方法运算量小、编程方便、容易实现大批量数据的自动化处理。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，属于光测实验力学、三维数字图像相关
，该方法包括：采集试样变形前、后的图像、棱边和别图像和标定板图像，标定获得相机内部、外部参数；建立平行于双棱镜后表面的参考世界坐标系,根据外部参数确定其与相机坐标系之间的转换关系；确定双棱镜棱边和原点标记的空间位置，建立空间坐标系；通过对标定板角点空间坐标的重构运算与试算确定空间坐标系的位置；根据试样图像中配对的像素坐标，分别对试样变形前、后的形貌进行重构运算，确定被测试样变形产生的位移。本方法大大降低了重构方法的模型误差。同时，本方法运算量小、编程方便、容易实现大批量数据的自动化处理。【专利说明】使用近心镜头的双棱镜单相机Ξ维数字图像相关重构方法
本专利技术属于光测实验力学、Ξ维数字图像相关
，特别设及一种使用近屯、 镜头的双棱镜单相机Ξ维数字图像相关(Β化3D DIC)重构方法。
技术介绍
Ξ维数字图像相关(3D DIC)方法是光测实验力学领域中常用的全场非接触变形 测量方法，被广泛地应用于航天航空材料的性能测试和结构表征中。该方法使用多个相机 同时观察被测区域，通过立体视觉原理W对物体的Ξ维形貌进行重构，并同时获得其Ξ维 位移分量，具有适用范围广泛、测试结果可靠的优势。然而，传统的3D DIC方法仍然存在一 些局限，例如：由多个相机构成测试系统需要占据较大的空间，而且各个相机的性能通常存 在差异;实验时系统进行标定较为复杂;难W保证各个相机同步采集图像等等。运些因素都 可能对测量结果产生影响。 基于双棱镜的单相机Ξ维数字图像相关(Β化3D DIC)方法是一种特殊的3D DIC 方法。该方法通过在相机前放置双棱镜进行分光，仅通过单个相机即可完成上述的Ξ维测 量，有效地克服了传统多相机3D DIC方法的局限，是3D DIC技术的重要发展。作为BSL 3D DIC方法的核屯、技术，其重构方法的精确程度直接影响着BSL 3D DIC测量结果的准确性。 -个典型的BSL 3D DIC测试系统由图像采集设备、镜头和一个双棱镜构成，当使 用近屯、镜头时，图像采集设备和镜头的组合可W等效为一个针孔成像模型。在一些研究中 (如L.F.Wu,etal.,MeasSciTechnol,2014;L.F.Wu,etal.,A卵10pt,2015)，为了便于坐 标描述，在图像采集设备的感光元件上定义像素坐标系PCS、在双棱镜上定义空间坐标系 SCS;此外，考虑到双棱镜的两侧分别可看作模形棱镜，Wu等人还在模形棱镜上定义了局部 坐标系LCS，W便于光线折射的分析。在测试之前需要在试样表面制备散斑。在测试过程中， 将试样放置在BSL 3D DIC测试系统的视场之内，并依次采集试样变形前的图像和试样变形 后的图像。通过BSL 3D DIC测试系统采集的图像，其左、由两侧分别为试样通过双棱镜的两 侧后形成的图像，可W看作两个子图像。通常，将双棱镜中形成左侧子图像的一侧规定为正 半侧，将形成右侧子图像的一侧规定为负半侧。通过数字图像相关(DIC)运算，可在左侧子 图像与右侧子图像之间进行像素匹配。在测试结束后，将双棱镜从测试系统中移除，并将一 块标定板放置于相机视场中，通过采集多幅标定板图像W实现对上述针孔成像模型内部参 数和崎变参数的标定；同时，利用上述标定结果可W建立W相机光屯、为原点的相机坐标系 CCS。对于每一幅标定图像，都可在上述在相机坐标系CCS中计算描述图像中标定板空间位 置的外部参数。 目前，在计算机视觉领域关于棱镜单相机立体视觉技术的研究中，已经提出了多 种可用于物体景深检测和Ξ维形貌重构的模型，例如:虚像点模型(D.H丄ee，et al.，1邸E Trans Rob Autom,2000)、虚相机模型化.B丄im,et al.,J Electron Imaging,2005)、几何 光学模型(X.Y.Cui，etal.，J0ptSocAmA，2012)、透视投影模型(X.Y.Cui，etal.，0pt Express, 2015)等。近年来，实验力学领域的研究者提出并发展了若干新型的重构方法，如： Genovese等使用空间误差函数描述BSL 3D Die系统中存在的系统误差，从而在不需要特定 重构模型的前提下，实现了构件Ξ维形貌和变形测量化.Genovese,et al. ,Opt Lasers 化g，2013)。但是，运种重构方法需要进行误差函数标定，实验操作相对复杂。Wu等人分析了 双棱镜形成虚像点的规律，对传统的虚像点模型进行了改进，提高了其重构精度化.F.Wu, et al.，MeasSciTechnol，2014);同时，他们利用双远屯、镜头，发展了一种精度更高，且不需 要标定的双远屯、BSL3DDIC方法化.F.Wu，etal.，Appl0pt，2015)。但是，由于双远屯、测试 系统的视场范围、焦距、工作距离等不易调节，且成本较高，目前得到广泛研究和应用的多 为使用近屯、镜头的BSL 3D DIC方法。 当BSL 3D DIC被用于精确测量材料变形产生的小位移（1000微应变W内）时，其重 构方法要满足特定的条件。首先，重构方法应充分考虑测试系统中各个原件的对准误差及 其各自产生的图像崎变，并尽可能予W消除，W获得更为精确的测量结果。此外，鉴于全场 测量的数据点较多，重构方法应具有较高的效率，且容易实现自动化数据处理。然而，上述 重构方法都存在一定的局限，例如:Wu等人提出的改进虚点模型中假设相机和双棱镜是对 准的，而且忽略了光线在双棱镜中的Ξ维折射效应，因而存在模型误差。为了满足材料变形 产生的小位移测量的需求，B化3D DIC重构方法还有待进一步发展和完善。
技术实现思路
本专利技术为了进一步提高近屯、BSL 3D DIC方法的测量精度、增强其在材料变形产生 的小位移测量和力学性能表征中的适用性，提出了一种使用近屯、镜头的双棱镜单相机Ξ维 数字图像相关重构方法。本方法大大降低了重构方法的模型误差。同时，本方法运算量小、 编程方便、容易实现大批量数据的自动化处理。在本方法的基础上，使用BSL 3D DIC测试系 统可W对构件发生小变形时产生的Ξ维位移场进行精确测量。[000引本专利技术提出的一种使用近屯、镜头的双棱镜单相机Ξ维数字图像相关重构方法，其 主要步骤包括： S1:使用BSL 3D DIC测量系统采集试样变形前的图像iRef、试样变形后的图像iDef、 棱边识别图像Ib、标定板错位图像1〇、标定板不同空间位置和姿态的直接观测图像Il-In，其 中，图像II中的标定板与双棱镜的后表面平行;使用图像Il-In对相机针孔成像模型参数进 行标定，获得其焦距、主点像素坐标和崎变参数;根据与双棱镜后表面平行的标定板图像 Ii，计算相机外部参数，并建立参考世界坐标系RWCS; S2:基于步骤S1计算得到的外部参数，建立相机坐标系CCS，确定相机坐标系CCS和 上述参考世界坐标系RWCS的坐标转换关系； S3:使用图像Ib，确定双棱镜棱边的空间位置，计算双棱镜棱边在双棱镜后表面上 的投影线的方程，并建立空间坐标系SCS;提取图像1〇中角点对的像素坐标，使用步骤S1中 获得的崎变参数，对角点对像素坐标进行镜头崎变误差修正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用近心镜头的双棱镜单相机三维数字图像相关重构方法，其特征在于，该方法主要步骤包括：S1：使用BSL 3D DIC测量系统采集试样变形前的图像IRef、试样变形后的图像IDef、棱边识别图像IB、标定板错位图像I0、标定板不同空间位置和姿态的直接观测图像I1‑In(，其中，图像I1中的标定板与双棱镜的后表面平行；使用图像I1‑In对相机针孔成像模型参数进行标定，获得其焦距、主点像素坐标和畸变参数；根据与双棱镜后表面平行的标定板图像I1，计算相机外部参数，并建立参考世界坐标系RWCS；S2：基于步骤S1计算得到的外部参数，建立相机坐标系CCS，确定相机坐标系CCS和上述参考世界坐标系RWCS的坐标转换关系；S3：使用图像IB，确定双棱镜棱边的空间位置，计算双棱镜棱边在双棱镜后表面上的投影线的方程，并建立空间坐标系SCS；提取图像I0中角点对的像素坐标，使用步骤S1中获得的畸变参数，对角点对像素坐标进行镜头畸变误差修正后，通过重构运算计算对应角点的空间坐标；通过拟合与试算确定空间坐标系SCS与参考世界坐标系RWCS的间距Z0，及其转换关系；S4：通过DIC运算，分别在试样变形前的图像IRef、试样变形后的图像IDef的左侧子图像和右侧子图像之间进行像素匹配，获得若干像点对像素坐标；使用步骤S1中的畸变参数，对像点对像素坐标进行镜头畸变误差修正，得到修正后的像点对像素坐标；S5：基于修正后的像点对像素坐标，通过重构运算计算试样表面若干物点的空间坐标；分别对试样变形前、后的形貌进行重构运算后，根据对应物点的三维坐标增量，确定被测试样发生变形时产生的位移。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，吴立夫，朱建国，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11