非固定相機數(shù)字散斑相關(guān)方法形變測量研究.pdf

1、隨著與人類生產(chǎn)和生活關(guān)系密切工程的大量興建，及時檢測工程構(gòu)件的形變變得越來越重要，通過現(xiàn)場測量構(gòu)件的形變可以分析其使用狀況和疲勞程度，以確保安全生產(chǎn)的順利進行。傳統(tǒng)方法使用應(yīng)變計測量構(gòu)件的形變，測量結(jié)果的穩(wěn)定性較好，但應(yīng)變計通常只能進行點測量，難以獲得構(gòu)件的全場變形數(shù)據(jù)。在某些大型構(gòu)件上粘貼應(yīng)變片比較困難，費時費力，并且應(yīng)變片會對運動構(gòu)件產(chǎn)生一定的影響。數(shù)字散斑相關(guān)方法是一種非干涉光學(xué)測量方法，該方法通過分析被測物體表面的散斑圖像獲得全

2、場變形信息，實驗裝置和光路簡單，對測量環(huán)境的要求較低。但是，傳統(tǒng)數(shù)字散斑相關(guān)方法在測量過程中需要將相機與被測物體表面垂直固定，限制了該方法在現(xiàn)場測量中的應(yīng)用。本文提出了非固定相機的數(shù)字散斑相關(guān)測量方法，使其擺脫了固定裝置的限制，測量過程中無需將相機與被測物體固定，因而可以定期輪流拍攝不同構(gòu)件的散斑圖像，然后通過圖像處理的方法計算各構(gòu)件的形變情況，以便及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。
　　為了實現(xiàn)非固定相機數(shù)字散斑相關(guān)測量方法，本文研究了現(xiàn)

3、場測量環(huán)境對相關(guān)計算的影響，分析了拍攝時相機光軸偏離、鏡頭畸變和光照變化等因素造成的測量誤差。在拍攝待測物體表面的參考圖像和目標圖像之前，首先將已知特征點間距的標定模板粘貼到待測表面上，然后在保持相機焦距不變的情況下，從不同方向拍攝若干幅包含待測物體表面散斑和標定模板的圖像。對圖像進行預(yù)處理后，提取標定模板特征點的坐標，然后標定拍攝時相機的內(nèi)外參數(shù)，矯正圖像的鏡頭畸變。重新提取矯正畸變后圖像中的特征點坐標，通過相機成像模型及內(nèi)外參數(shù)計算

4、各特征點在相機坐標系下的坐標值，擬合特征點坐標獲得標定模板在相機坐標系下的平面方程，從而獲得待測平面在相機坐標系下的方程。按照指定的分辨率在待測平面上劃分網(wǎng)格，并計算所有網(wǎng)格節(jié)點在相機坐標系下的坐標值，通過相機成像模型計算網(wǎng)格節(jié)點在理想圖像中的坐標，使用插值方法計算各坐標的灰度值從而獲得矯正后的數(shù)字散斑圖像。最后通過數(shù)字散斑相關(guān)方法計算參考圖像中各點在目標圖像中的位移，并由此獲得待測物體表面的應(yīng)變場。該方法在測量過程中無需將相機與待測物

5、體固定，可以更加靈活的應(yīng)用于現(xiàn)場構(gòu)件形變的測量。
　　在拍攝目標圖像之前，需要重新將標定模板固定在待測物體表面上，因而標定模板相對于待測散斑的角度可能會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致目標圖像相對于參考圖像整體旋轉(zhuǎn)。通過相機標定方法可以獲得拍攝時相機與被測平面的相對位置，但無法獲得散斑圖像在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度。數(shù)字散斑相關(guān)計算對圖像旋轉(zhuǎn)較為敏感，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，子窗口之間的相關(guān)性逐漸降低。為了解決圖像旋轉(zhuǎn)對相關(guān)計算產(chǎn)生影響的問題，提出了移動成

6、像圖像的旋轉(zhuǎn)角度搜索方法。在該方法中，待搜索的子窗口不再與參考子窗口保持相同的角度，而是在搜索范圍內(nèi)尋找最優(yōu)匹配的角度，從而提高了旋轉(zhuǎn)圖像的相關(guān)計算精度。在搜索移動成像圖像的旋轉(zhuǎn)角度時，與傳統(tǒng)方法相比，待搜索的子窗口數(shù)量大幅度增加。為了提高相關(guān)計算的速度，對最優(yōu)匹配點的搜索算法進行了相應(yīng)的改進。
　　在現(xiàn)場測量構(gòu)件形變的過程中，特別是構(gòu)件存在較大變形或測量時間跨度較長時，待測物體表面可能因為裂紋、剝落或沾染雜質(zhì)等原因使部分圖像產(chǎn)生

7、殘損。與參考圖像中相應(yīng)像素的灰度值相比，殘損像素的灰度值產(chǎn)生了非常顯著的變化，從而對數(shù)字散斑相關(guān)計算產(chǎn)生影響。為了提高含殘損區(qū)域圖像的相關(guān)計算精度，分析了圖像中不同像素對相關(guān)計算的影響。在此基礎(chǔ)上提出了新的相關(guān)計算方法，該方法區(qū)別對待子窗口內(nèi)的每個像素，并在相關(guān)計算公式中根據(jù)散斑質(zhì)量為每個像素設(shè)置不同權(quán)系數(shù)，相關(guān)計算的結(jié)果主要由子窗口內(nèi)質(zhì)量較高的像素決定，降低了圖像中殘損區(qū)域的影響。為了避免傳統(tǒng)順序計算路徑的干擾，整幅圖像按照相關(guān)性從高

8、到低的次序計算，提高了殘損區(qū)域及周圍像素的相關(guān)計算精度，并且避免了需要手動劃分有效計算區(qū)域的問題。
　　子窗口尺寸大小對數(shù)字散斑相關(guān)計算具有非常重要的影響，通常根據(jù)待測物體表面的散斑質(zhì)量和變形情況選擇一個合適的子窗口尺寸。在增加或減小子窗口的尺寸時，邊緣像素的系數(shù)取值為0或1，對相關(guān)計算的影響存在突變。本文分析了子窗口內(nèi)各像素與中心像素的關(guān)系，提出了基于光滑曲線邊界窗口的數(shù)字散斑相關(guān)計算方法，為研究數(shù)字散斑相關(guān)方法提供了新的途徑。