基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，包括步骤(1)：采集物体变形前的干涉条纹图像作为第一帧干涉条纹图像，采集物体变形后的干涉条纹图像作为第二帧干涉条纹图像；步骤(2)：对第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像进行灰度处理，提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率并采用亚像素相关算法来计算第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像之间的面内位移场；步骤(3)：根据步骤(2)得到的面内位移场和第一帧干涉条纹图像的条纹频率，以及依据光流基本式来建立的面内位移场、第一帧干涉条纹图像的条纹频率与离面变形相位三者关系，计算求取物体变形后的离面变形相位信息。该方法过程简单、方便，适用于动态测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法。
技术介绍
光学干涉测量方法，是利用光的干涉进行测量的，灵敏度比较高，在变形测量中占有十分重要的地位，如电子散斑干涉、全息干涉、云纹干涉法等。干涉测量方法包含两部分内容：光路设置和变形条纹的信息提取。由于位移测量的灵敏度跟测量装置中的照明光的照射角度相关，因此不同的测量装置，可以测量不同方向的位移分量。迈克尔逊光路只对离面位移敏感，对称光路只对面内位移敏感。光路设置完成以后，来自物面的物光和直接照射记录介质的参考光相干涉，形成干涉图像；干涉图像一般是以干涉条纹的形式呈现的。通过对比物体变形前后干涉条纹的变化，解调出条纹图中每一点的相位信息，从而实现变形测量。利用图像处理技术解调出条纹信息中的变形相位，常用的方法主要分为时间相位测量法和空间相位测量法两大类。时间相位测量法，如时间相移法(Temporal Phase-shifting Method,TPM)等具有位移测量精度高，结构简单等优点，但是该类方法需要多幅条纹图才能完成测量，且耗时较长，一般只适用于静态测量；空间相位测量法是通过在空间上获取更多信息来提取相位的，如空间相移法(Spatial Phase-shifting Method,SPM)和Fourier变换法(Fourier Transform Method,FTM)等等，可实现对动态过程相位的测量。但是，前者的光路较为复杂，且精度较低；后者的处理过程比较繁琐，很难实现条纹处理的自动化。同时，以上方法对于位移场的测量均没有考虑到时间参量，因而对动态场的定量测量就无法获得满意的结果。针对此问题，有研究工作者提出了时间序列相位法(Time Sequence Phase Method,TSPM)，将时间参量引入散斑干涉当中，成功地提取出了相位信息，能适应大变形、时变测量。然而该方法在位移方向性上无法给出确定值，只能用于单调的时变场中。除此之外，以上方法都需要进行相位解包络操作，这无疑增加了相位提取的运算量和误差。同时，由于在条纹稠密区域无法判断每个条纹的细节，故在条纹密集处解调的相位误差都比较大。20世纪50年代，Gribson等研究人员基于运动结构重建原理(Structure From Motion,SFM)第一次提出了光流(optical flow)的概念：在随时间变化的二维图像序列中，运动的三维场景由于亮度模式的变化而产生的流动即为光流。从此以后，国内外学者陆续提出了不同的光流方法，在精度，鲁棒性和实时性等多方面均取得了重大突破。根据光流场理论测量物体变形相位的方法关键是提取两幅条纹图之间的光流场和初始图像的空间频率，适用于高密度条纹场的处理。对低密度的条纹场和散斑条纹场，根据光流场理论测量物体变形相 位的方法在提取光流场(光流场的两个分量u和v)时，误差就比较大。与光学干涉测量方法不同，数字图像相关方法(DIC)是一种对物体表面变形前后的具有相关性的图像进行相关计算处理而得到物体变形场的测量方法。若该方法处理的图像是散斑图样，又称为数字散斑相关方法。该技术具有光路简单、精度较高、测量环境要求低、全场测量等优点，在实验力学、现场实时测量、微尺度变形场测量等众多应用领域都展示了其实用性和优越性。数字图像相关方法(DIC)是一种成熟的位移测量技术，由于两幅图像的相关系数对离面位移不敏感，故数字图像相关方法适用于面内位移场的测量。以上可以看出，光学干涉测量方法与数字散斑相关方法是两种不同的测量技术，光路设置不同，测量原理也不同，测量得到的结果各有侧重，干涉方法的测量灵敏度要高，二者很少有交集。对于利用光的干涉方法得到的干涉条纹，通常对干涉条纹图像进行相位调制与解调的分析，进而得到位移场。目前还没有发现有研究人员应用数字图像相关方法从两幅干涉条纹图中分离出面内位移，也没有发现运用数字相关方法从两幅干涉条纹图中分离出离面位移。
技术实现思路
为了解决现有技术的缺点，本专利技术提供了一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，该方法适用于动态干涉条纹场，能够处理干涉条纹场。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，包括：步骤(1)：采集物体变形前的干涉条纹图像作为第一帧干涉条纹图像，采集物体变形后的干涉条纹图像作为第二帧干涉条纹图像；步骤(2)：对第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像进行灰度处理，提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率并采用亚像素相关算法来计算第一帧干涉条纹图和第二帧干涉条纹图之间的面内位移场；步骤(3)：根据步骤(2)得到的面内位移场和第一帧干涉条纹图像的条纹频率，以及依据光流基本式来建立的面内位移场、第一帧干涉条纹图像的条纹频率与离面变形相位三者的关系，计算求取物体变形后的离面变形相位信息。所述步骤(1)中利用CCD来采集物体变形前的干涉条纹图像和物体变形后的干涉条纹图像。干涉条纹图像中的干涉条纹采用迈克尔逊干涉来获取。所述步骤(2)中采用窗口傅里叶变换法来提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率。窗口傅里叶变换法中的窗口函数采用高斯函数。所述步骤(2)中采用窗口傅里叶变换法来提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率的过程，包括：首先，将第一帧干涉条纹图像的条纹频率在其取值范围内均匀离散化；然后，把均匀离散化的条纹频率分别带入第一帧干涉条纹图像经过窗口傅里叶变换后对应的频域结果中；最后，求取使得第一帧干涉条纹图像经过窗口傅里叶变换后对应的频域结果的绝对值最大的条纹频率，就是需要被提取的第一帧干涉条纹图像的条纹频率。所述步骤(2)中采用基于梯度的亚像素相关算法来计算第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像之间的面内位移场。所述步骤(1)中的第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像之间的相位变化小于π。所述步骤(2)中采用基于梯度的亚像素相关算法来计算第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像之间的面内位移场的过程为：步骤(2.1)：分别获取灰度处理后的第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像中等面积相对应位置的子区域图像；步骤(2.2)：对步骤(2.1)中获取的子区域图像进行计算第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像的相关系数，并计算使得相关系数取得最大值的子区域中心位移；步骤(2.3)：采用基于梯度的亚像素相关算法进行选取第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像的相关系数，再利用泰勒展开来求取子区域中心位移的亚像素位移；步骤(2.4)：将子区域中心位移与子区域中心位移的亚像素位移进行叠加，得到第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像之间的面内位移场。步骤(3)中的面内位移场、第一帧干涉条纹图像的条纹频率与离面变形相位三者的关系为：面内位移场与第一帧干涉条纹图像的条纹频率以及变形时间三者乘积的-2π倍等于离面变形相位。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术的基于数字图像相关提出了一种由两幅条纹图之间的面内位移来提取全场离面变形相位的方法，该方法根据数字图像相关中基于梯度的亚像素相关算法获取两幅图像之间的运动场，根据光流场使面内运动场与离面变形相位建立关系，进而获得两帧图像之间全场的离面变形相位信息；(2)这种方法只需在空间域中用两幅条纹图就可以完成变形相位的提取，无需转换到频域和相位解包络操作，且在条纹越密集的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，包括：步骤(1)：采集物体变形前的干涉条纹图像作为第一帧干涉条纹图像，采集物体变形后的干涉条纹图像作为第二帧干涉条纹图像；步骤(2)：对第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像进行灰度处理，提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率并采用亚像素相关算法来计算第一帧干涉条纹图和第二帧干涉条纹图之间的面内位移场；步骤(3)：根据步骤(2)得到的面内位移场和第一帧干涉条纹图像的条纹频率，以及依据光流基本式来建立的面内位移场、第一帧干涉条纹图像的条纹频率与离面变形相位三者的关系，计算求取物体变形后的离面变形相位信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，包括：步骤(1)：采集物体变形前的干涉条纹图像作为第一帧干涉条纹图像，采集物体变形后的干涉条纹图像作为第二帧干涉条纹图像；步骤(2)：对第一帧干涉条纹图像和第二帧干涉条纹图像进行灰度处理，提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率并采用亚像素相关算法来计算第一帧干涉条纹图和第二帧干涉条纹图之间的面内位移场；步骤(3)：根据步骤(2)得到的面内位移场和第一帧干涉条纹图像的条纹频率，以及依据光流基本式来建立的面内位移场、第一帧干涉条纹图像的条纹频率与离面变形相位三者的关系，计算求取物体变形后的离面变形相位信息。2.如权利要求1所述的一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中利用CCD来采集物体变形前的干涉条纹图像和物体变形后的干涉条纹图像。3.如权利要求2所述的一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，干涉条纹图像中的干涉条纹采用迈克尔逊干涉来获取。4.如权利要求1所述的一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用窗口傅里叶变换法来提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率。5.如权利要求4所述的一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，窗口傅里叶变换法中的窗口函数采用高斯函数。6.如权利要求4所述的一种基于数字图像相关的物体离面变形相位测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用窗口傅里叶变换法来提取第一帧干涉条纹图像的条纹频率的过程，包括：首先，将第一帧干涉条纹图像的条纹频率在其取值范围内均匀离散化；然后，把均匀离散化的条纹频率分别带入第一帧干涉条纹图像经过窗口傅里叶变换后对应的频域结果中；最后，求取使...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙平，赵冉，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东;37