CN100398983C - 双摄像头视频大变形测量方法及基于该方法的视频引伸仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料力学试验中形变测量的方法和仪器，目的在于提供一种非接触式，能使测量范围成倍增加的测量方法及仪器。主要技术方案为：采用两个摄像头构成视频引伸仪的图像拍摄部分，并保证两摄像头的视角存在重叠区域。在拉伸试验时，当试样上的两条标线同时位于第一摄像头的测量范围内时，由第一摄像头获取的图像确定两条标线间的距离；当试样上标线移动到两摄像头的视角重叠区域时，进行图像切换。此后，由第一摄像头获取的图像确定下标线与切换位置之间的距离，由第二摄像头获取的图像确定上标线与切换位置之间的距离，将两距离相加确定两条标线间的距离；当试样下标线移动过切换位置时，由第二摄像头获取的图像确定两条标线间的距离。

Description

双摄像头视频大变形测量方法及基于该方法的视频引伸仪

技术领域

本发明涉及材料力学试验中形变测量的方法和仪器，更具体的说是一种双摄像头视频大变形测量方法及采用这种方法的视频引伸仪。

技术背景

有些材料例如橡胶，塑料等，具有很大的变形量。在拉伸试验中测量这类材料的变形量是一个长期未能很好解决的难题。目前采用了如下几种测量方法，而国内外最广泛采用的方法是所谓接触式测量。

1.接触式测量技术

接触式测量先要在被测试样上划两条标线，然后用从测量机构上伸出的两个夹头分别夹住这两条标线。在拉伸试验中当这两条标线移动时，夹头即被带动一起移动。当每个夹头移动时，它的另一端通过一条丝线，采用金属或非金属线，带动一个电位器或光电编码器旋转，从而把夹头的移动转变为测量所需的电位信号或电脉冲信号或编码器的位置信号。接触式测量主要有以下缺点：

a)影响力的测量精度

夹头组件的重力，夹头移动时产生的摩擦力以及夹头刀口对试样所施加的压力会影响拉伸试验时力的测量精度。尽管夹头组件的重力可以通过平衡来大致消除，但摩擦力难以平衡。更重要的是夹头的刀口对试样所施加的压力会在接触部位产生应力集中，使试样提前断裂而显著影响试验结果。

b)刀口时常会打滑

对薄膜试样尤其如此，刀口既不可设计的太过锐利又不可太过圆滑，太过锐利则应力集中明显，太过圆滑又可能打滑，因此常令设计者顾此而失彼。

c)精度低且不易保持

由于温度，湿度，磨损和老化等原因所引起的丝线的张驰变化和长度变化会引起测量精度的变化，因此这种测量方法精度低且不易保持。

b)寿命短易损坏

由于试样拉断时的能量释放所产生的很大冲击力直接通过刀口作用于夹头，使得测量机构容易损坏。

为解决上述问题，采用非接触式测量是这一领域长期以来所努力的方向。

2.非接触式测量技术

目前在材料的大变形测量领域中所采用的非接触式测量技术主要有三种。即光电跟踪，激光扫描，和近几年开始研究的视频引伸仪。

2.1光电跟踪技术

光电跟踪大变形测量仪是较早开发的技术，它有两个被称为光电头的部件，每一个光电头跟踪一条标线。标线可用反光材料划在试样上，但更多是用反光材料制成标线然后贴在试样的标线位置上。每一个光电头可发出光束并接收反射回来的光，反射回来的光被转换成电信号并进行处理，从而决定光电头的跟踪方向和移动量，而两光电头之间的相对位移就代表了试样两标线间的距离变化。

光电跟踪大变形测量仪已被研制出很多年了，但始终未能获得广泛应用，主要是因为它有以下缺点：

a)可靠性较差

当标线被划在试样上时，随着试样被拉伸，标线变得越来越宽而颜色变得越来越淡，从而影响它的反光能力。为了解决这一问题，人们采用了贴标线的办法。但随着试样被拉伸，标线所附着的那部分材料被越拉越长，标线常常会脱落。既便不脱落，也有可能移动，因此影响测量的可靠性。此外，周围环境的反光和光照的变化也会影响它工作的可靠行，常常跟丢了标线。

b)结构复杂，价格昂贵

由于光电头需跟踪标线的移动，因此必须有精密的伺服机构去精确控制光电头的移动。这使得它的结构非常复杂，因而价格昂贵。

2.2激光扫描

激光扫描技术由一个旋转激光源反复扫描被测试样。试样上贴有反光标线反射激光，激光引伸计接收反射回来的光并根据扫描速度和两标线反射激光的时间差计算出标线间的距离。

激光扫描引伸计的优点是精确，但由于它也需要使用反光标线，因此也具有前述反光标线所带来的问题。同样，它也是结构复杂，价格昂贵。

2.3视频引伸仪

近年来，计算机图像处理技术和图像传感器技术开始被应用到大变形测量领域，导致了视频引伸仪的诞生。视频引伸仪利用摄像机或数码相机连续快速地，可达每秒50幅，拍摄被测试样的照片并通过图像采集卡输入计算机。计算机内的专用测量软件对输入的图像进行处理以确定两条标线在图像中的位置和它们之间以像素为单位的距离。再跟据每一像素所代表的实际长度确定两条标线间的实际距离。由于摄像镜头所拍摄的图像存在视差和扭曲变形，导致每一像素在不同位置所代表的实际长度不同，这需要在视频引伸仪安装后用校正装置确定或校正。

与光电跟踪大变形测量仪和激光引伸计相比，视频引伸仪具有以下优点：

a)结构简单

视频引伸仪没有任何移动部件，没有伺服跟踪控制，结构大为简化。

b)可靠性大为提高

视频引伸仪不靠接收标线的反光工作，只要光线适当，能够拍出清晰的图像即可工作。它的测量可靠性主要取决于软件对图像的处理。由于没有任何移动部件，没有磨损所带来的任何问题，它的硬件可靠性只取决于电子元器件的可靠性。

c)精度高且稳定

视频引伸仪的测量精度取决于图像传感器沿测量方向的像素数以及软件对边界像素灰度的处理，提高此一像素数可相应地提高测量的精度。

d)寿命长

视频引伸仪的寿命主要取决于电子元器件的寿命，因此特别适合试验工作量特别大的场合。

e)操作方便

可自动寻找标线。

3.现有单镜头视频引伸仪在大变形测量上的局限

视频引伸仪的测量范围取决于镜头的视角以及镜头到试样的距离。由于镜头视角的限制，视频引伸仪在操作时必须和试样保持一定的距离才能达到一定的测量范围。这一要求在测量范围不太大时(＜400毫米)不会有问题，但随着测量范围的扩大，这一问题变得突出起来。当试样和镜头间的距离扩大之后会带来两个问题：

第一，所拍摄到的图像分辨率下降从而影响测量精度。虽然可采用更高分辨率的镜头和图像传感器去弥补这一损失，但这不仅会导致成本的急剧上升，对于高分辨率的镜头和图像传感器，分辨率提高一倍，价格的提升将远大于一倍，而且还受到器件可获得性的限制。

第二，距离的加大会导致安装不便和试验机外型尺寸的加大，与接触式测量相比，这会是一个明显的缺点。

要想既扩大测量范围又不增加镜头和试样间的距离，就必须增大镜头的视角，然而视角的增加也有一定的限度。随着镜头视角的增加，偏离中心区域部分的图像质量会显著下降，分辨率下降，扭曲变形增加。从而使测量精度显著下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既不增大镜头到试样的距离，又不增加镜头的视角的条件下使视频引伸仪的测量范围成倍增加的测量方法以及采用这种方法的仪器。

本发明通过以下技术方案来实现其发明目的。

本发明首先提供一种双摄像头视频大变形测量方法，包括了以下步骤：

①采用两个摄像头构成视频引伸仪的图像拍摄部分，并保证两个摄像头的视角存在重叠区域；

②安装试样，并保证试样上的两条标线同时位于第一摄像头的测量范围内；

③拉伸试样；

④当试样上的两条标线位于第一摄像头的测量范围内时，由第一摄像头获取的图像一确定两条标线之间的距离；

⑤当试样的上标线移动到两摄像头的视角重叠区域时，进行图像切换，并将此时上标线在两个摄像头所拍摄的图像一和图像二中的位置确定为切换位置；

⑥然后，由第一摄像头获取的图像一确定下标线与切换位置之间的距离，由第二摄像头获取的图像二确定上标线与切换位置之间的距离，将两个距离相加确定两条标线之间的距离；

⑦当试样的下标线移动过切换位置时，进行第二次图像切换，由第二摄像头获取的图像二确定两条标线之间的距离。

本发明还提供了另一种双摄像头视频大变形测量方法，包括了以下步骤：

①采用两个摄像头构成视频引伸仪的图像拍摄部分，并保证两个摄像头的视角存在重叠区域；

②当校准时，分别在每一个摄像头的视角的下方确定一条基准线，并使在第二摄像头的视角内的第二基准线位于重叠区域内，两条基准线间具有已知的固定距离；

③安装试样，并保证试样上的两条标线同时位于第一摄像头的测量范围内；

④拉伸试样；

⑤当试样上的两条标线位于第一摄像头的测量范围内时，由第一摄像头获取的图像一确定两条标线之间的距离；

⑥当试样的上标线移动过第二基准线时，进行图像切换，由第一摄像头获取的图像一确定下标线与第一基准线之间的距离，由第二摄像头获取的图像二确定上标线与第二基准线之间的距离，将上标线与第二基准线之间的距离加上两基准线之间的距离减去下标线与第一基准线之间的距离即为两标线之间的距离；

⑦当试样的下标线移动过切换位置时，进行第二次图像切换，由第二摄像头获取的图像二确定两条标线之间的距离。

本发明采用两个摄像头或数码相机，两个摄像头的视角可以相同或不同。在安装时应确保两个摄像头的测量范围有一小段重叠范围，重叠范围的大小应考虑到镜头视角的参数分散性，使得在最不利的情形下也会有足够的重叠范围，以便测量软件能够实现图像切换。在测量时，两摄像头同时连续拍照，所拍摄的图像或者通过插在计算机内的图像采集卡输入到计算机的测量软件处理，或者由硬件和固件所构成的图像处理及测量***处理，然后将测量结果传送至计算机内的试验机测控软件。图像处理软件通过确定两条标线所处位置和它们之间的像素数，然后依据校准时确定的每两个像素间的距离所代表的实际长度，既可以计算出两条标线之间的距离。本发明的基本原理是通过两个摄像头所获取的图像加以拼合来扩大其测量的范围。采用本发明方法既无需增加摄像头与被测量试样之间距离，也无需扩大摄像头的视角范围，从而保证了整个测量仪器结构的紧凑性。由于无需采用高质量的摄像头来降低失真度，大大降低了成本。并且依据上述方法可以推导出采用多个摄像头来扩大测量范围的方法，只需依次获取每个摄像头的图像之后依本发明将所有图像拼合，并由两条标线在所获图像中所处位置和它们之间的像素数，既可确定的它们之间的实际距离。

由于摄影镜头存在视差和扭曲变形，而大变形测量所用的广角镜头尤为显著，因此，视频引伸仪在安装后必须先校准。校准的目的是要确定沿着测量方向每两个像素间的距离所代表的实际长度。

针对第一种测量方法其校准过程包括以下步骤：

①在试样安装位置安装一个具有一定对比度的两种色块相间形成的校准尺，校准尺中间设有一与其他两种色块不同的特殊块，该特殊块在安装时须位于两摄像头视角的重叠区域内；

②确定摄像头获取的图像中色块的分界线，由此确定每一色块纵向宽度的像素数，并分别与校准尺相应色块的实际宽度相对比，即可获得图像中在该色块所处位置上沿测量方向每两个像素间的距离所代表的实际长度；

③由第一摄像头获取的图像一的底部开始由下而上进行校准，当校准到特殊块时，切换至由第二摄像头获取的图像二进行校准，至图像二顶部截止。

针对第二种测量方法其校准过程包括以下步骤：

①在试样安装位置安装一个具有一定对比度的两种色块相间形成的校准尺，校准尺中间设有一与其他两种色块不同的特殊块，该特殊块在安装时须位于两摄像头视角的重叠区域内；

②确定摄像头获取的图像中色块的分界线，由此确定每一色块纵向宽度的像素数，并分别与校准尺相应色块的实际宽度相对比，即可获得图像中在该色块所处位置上沿测量方向每两个像素间的距离所代表的实际长度；

③由第一摄像头获取的图像一的底部开始由下而上进行校准，将进入镜头的第一条色块分界线作为第一基准线；

④当校准到特殊块时，切换至由第二摄像头获取的图像，并把特殊块的下面的色块分界线作为第二基准线，继续校准至图像二顶部截止。

在以上两种校准过程中，在确定图像一和图像二之间的位置关系中，是通过特殊块上的横向色块分界线确定图像一和图像二的纵向位置差，通过特殊块上的纵向色块分界线确定图像一和图像二的横向位置差。

现有的视频引伸仪在校准时通常采用的校准尺或校准棒两种。一种上划有平行线，当用摄像头拍摄校准尺的图像时，这些线即把拍到的图像沿着测量方向划分为许多段。由于平行线间的距离是已知的，测量软件只需确定每一段沿测量方向上的像素数，即可算出在那一段上每两个像素间的距离所代表的实际长度。另一种校准尺设计采用圆形阵列图案，这种校准尺可以沿多个方向同时校准，但这里所针对的大变形测量只需一个方向的校准，采用这种校准尺并不方便。以上两种校准尺设计均不具备第二种方法中所提到的标明图像一和图像二的两条测量基准线的功能。本发明设计的校准方法，不仅可以简单地实现上述功能，还对平行线校准尺作了改进，使校准软件更为简单。

本发明采用具有一定颜色对比度的长方块代替平行线去分隔图像，一般采用对比度较大的黑白色块，使得软件设计更为简单。当用平行线分隔图像时，软件需先确定每一平行线的中心位置，然后确定两平行线间的像素数。采用黑白块设计后，软件只需确定黑白分界线即可确定每一段内的像素数。确定黑白分界线要比确定一条线的中心位置来的简单。本校准方法分段更为精确，平行线分段的线条必须有一定的宽度，软件才能准确识别。黑白块分段则无此要求，只需确定色块的分界线即可。特殊黑色块的设计简单地实现了校准时图像切换，第二基准线的确定以及图像一和图像二的水平位置差的校正等功能。

本发明的校准尺也可做以下修改：跟据镜头所产生的扭曲变形的分布特点采用宽度不等的黑白块；采用不同颜色的或不同灰度的长方块取代黑白块；采用其它图案的特殊黑色块或者用与其它颜色不同的长方块取代特殊块等。

为减少计算机或单片机的工作量，提高测量的速度，本发明的两个摄像头输出的图像一和图像二只有由位于摄像头横向视角中间的1～200个像素线构成。由于在测量的过程中，摄像头获取的图像每秒钟可以高达几十甚至是上百帧，而且每幅图像都必须传送到计算机或单片机进行处理，势必对计算机或单片机的计算能力要求十分高。对于大变形测量仪器来说，主要是测量标线的纵向距离，只需图像中间的图像信息即可以确定。现有的单摄像头视频引伸仪也是获取图像之后在图像中间选取有用的信息进行处理。不过由于其是对整幅图像进行传送，因此对计算机的处理能力要求很高，而单片机基本是不能胜任的。本发明直接控制摄像头只输出图像的中间信息，因此无需整幅图像传送，大大降低了数据的处理量，即使是单片机，也可以在摄像头两次获取图像之间完成对图像的处理。因此，摄像头图像获取的频率可以进一步提高，有利于进一步提高测量的精度。

为应用以上所述的发明方法，本发明提供了一种视频引伸仪的设计，改良结构是在视频引伸仪的摄像头安装基面上安装两个摄像头，安装的位置使两个摄像头的视角存在重叠区域，用于两个摄像头获取图像后能够在此区域进行拼合。测量的最大范围为两个摄像头的测量范围相加减去重叠的区域。为了获得尽可能大的测量范围并考虑镜头视角的参数分散性，使得在最不利的情形下也会有足够的重叠范围，一般情况下重叠范围控制在摄像头视角的10％以内。测量的过程中，通过材料试验机的夹具夹住试样的两端，并进行拉伸；测量装置上的两个摄像头获取整个拉伸过程的图像，获取的图像信号可以进行如下两种传送：

第一种是每次获取图像后直接将图像传送到计算机，由计算机进行图像处理和按上述方法进行计算。采用这种方式的硬件结构是所述两个摄像头直接与安装在计算机上的图像采集卡相连接，通过图像采集卡采集摄像头获取的图像并传送到计算机中进行处理和计算。第二种是每次获取图像后直接在测量装置上进行图像处理和按上述方法进行计算，并把计算结果传送到计算机做后续处理和输出。采用这种方式的硬件结构是两个摄像头与图像采集硬件和单片机集成，通过通讯接口与计算机相连接。摄像头获取的图像在存储之后直接在单片机中进行处理和计算，并把最后的计算结果传送到计算机中。这种方式安装更为简单，并有利于与不同的用户测量软件兼容，具有更广的应用面。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步。

1.本发明方法和仪器提供较大的测量范围，能够测量变形量较大的材料，而且既不增大镜头到试样的距离，又不增加镜头的视角；

2.采用本发明方法的仪器结构紧凑，无需采用高分辨率、高精度的镜头也可以达到高精度；

3.仪器的生产成本低，易于推广；

4.本发明采用的校准方法使得计算机测量软件的设计更为简单，校准更为精准，而且有利于图像的拼合；

5.本发明在测量过程中仅输出镜头的中心图像，大大降低了数据处理量，提高了计算机或单片机的处理速度，有利于更高精度的测量；

6.摄像头与安装在计算机上的图像采集卡直接连接的方式，硬件结构简单，易于实现，生产成本低廉；

7.采用摄像头与图像采集硬件和单片机集成的方式，使用简单，仪器可独立操作，因而能够适用于不同用户的测量***和测量软件，应用面广泛。

附图说明

图1为通过扩大摄像头到试样的距离来扩大测量范围的示意图；

图2为通过扩大摄像头的视角来扩大测量范围的示意图；

图3为本发明视频引伸仪的结构示意图；

图4为本发明测量过程的示意图；

图5为本发明校准尺的示意图；

图6为本发明硬件结构示意图；

图7A为本发明测量流程图第一部分；

图7B为本发明测量流程图第二部分；

图7C为本发明测量流程图第三部分；

图8为本发明校准流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

视频引伸仪的测量范围取决于镜头的视角以及镜头到试样的距离。由于镜头视角的限制，视频引伸仪在操作时必须和试样保持一定的距离才能达到一定的测量范围。这一要求在测量范围不太大时(＜400毫米)不会有问题，但随着测量范围的扩大，这一问题变的突出起来，为了说明这一问题，请参看图1。

假设当镜头的视角为α时，它的最大测量范围是A，如果采用同样视角的镜头，要想把最大测量范围从A扩大到A1，试样和镜头间的距离就必须从L扩大到L1，这会带来两个问题：

第一，所拍摄到的图像分辨率下降从而影响测量精度。虽然可采用更高分辨率的镜头和图像传感器去弥补这一损失，但这不仅会导致成本的急剧上升，对于高分辨率的镜头和图像传感器，分辨率提高一倍，价格的提升将远大于一倍，而且还受到器件可获得性的限制。

第二，距离的加大会导致安装不便和试验机外型尺寸的加大。与接触式测量相比，这会是一个明显的缺点，造成了结构的不紧凑。

要想既扩大测量范围又不增加镜头和试样间的距离，就必须增大镜头的视角，参看图2。当视角从α增加到β时，测量范围从A增加到A1。然而视角的增加也有一定的限度。随着镜头视角的增加，偏离中心区域部分的图像质量会显著下降，分辨率下降，扭曲变形增加，从而使测量精度显著下降。

那么如何才能在既不增大镜头到试样的距离，又不增加镜头的视角的条件下使视频引伸仪的测量范围成倍增加？这正是本发明所要解决的问题。

图3为本发明所提出的双摄像头大变形视频引伸仪结构示意图。本仪器是在现有的单摄像头视频引伸仪上加以改进，主要包括测量装置1和计算机3，在测量装置1上安装了两个摄像头或数码相机11和12，两个摄像头的视角可以相同或不同。在安装时应确保两个摄像头的测量范围A1和测量范围A2有一小段重叠范围d，如图3所示。重叠范围的大小应考虑到镜头视角的参数分散性，使得在最不利的情形下也会有足够的重叠范围，以便测量软件能够实现图像切换。试样安装在拉伸装置2的平面21上。在测量时，采用拉伸装置2上的夹具夹住试样两端进行拉伸，两摄像头11和12同时连续拍照，所拍摄的图像或者通过插在计算机内的图像采集卡输入到计算机3的测量软件处理，或者由硬件和固件所构成的图像处理及测量***13处理，然后传送至计算机3的用户测控软件处理。

本视频引伸仪的最大测量范围Amax可由图3获得，假设两摄像头11、12的测量范围分别为A1和A2，重叠范围为d，则Amax＝A1+A2-d。如果A1＝A2＝A，则Amax＝2A-d。由于d相对于A很小，因此，本视频引伸仪的测量范围大约是单个摄像头的两倍。

本发明的视频引伸仪的测量方法可由图4来解释。在此后的解释中，由摄像头11所拍摄的图像被称为图像一，而由摄像头12所拍摄的图像被称为图像二。图中字母下标1和2分别代表在图像一和图像二中的标线位置。图中的A向视图被分为(a)，(b)，(c)，(d)四种情况，分别代表试样4在拉伸试验中标线移动的四种情况。

测量可用以下两种方法进行：

方法1

在测量开始时，试样4上的两条标线a1和a1’必须位于摄像头11的测量范围A1内，即情形(a)。在拉伸试验的最初阶段，标线仅出现在图像一中，测量软件仅由图像一来确定两条标线的距离，即线段a1a1’，直到上标线移动到重叠范围d内。

当上标线移动到重叠范围时，即情形(b)，测量软件要进行图像切换，即由图像一确定上标线的位置改为由图像二确定。切换可在标线移动到重叠范围d内的任何位置时进行。切换时软件同时确定上标线在图像一和图像二中的位置，即b1’和b2’，此位置确定为图像切换位置。此后，b1’和b2’即分别成为在图像1和图像2中的图像切换位置，直到下标线移动到图像切换位置为止。

切换之后，即情形(c)，测量软件由同时拍摄的图像二和图像一分别确定上下标线的位置，并分别计算线段c1b1’和b2’c2’的长度。而两标线之间的距离则等于这两线段之和，即：标线距离＝线段c1b1’+线段b2’c2’。

随着进一步的拉伸，下标线也进入或超越了切换位置，即情形(d)。软件进行第二次图像切换。此后，两条标线的位置都由图像二获得，两条标线间的距离完全由图像二测得，即d2d2’。

方法2

方法2首先要在图像一和图像二中分别确立两条基准线O1和O2，如图4所示。第二基准线O2必须位于重叠范围d内。第一基准线O1和第二基准线O2均由校准装置标明并由测量软件在校准视频引伸仪时确立，并在此后保持不变直到视频引伸仪被再次校准时为止。O1线和O2线之间具有已知的固定距离，因此可被用来建立图像一和图像二之间的联系。方法2的测量原理如下：

在情形(a)时，两条标线均由图像一获得，标线间的距离等于上标线到O1线的距离a1’O1减去下标线到O1线的距离a1O1。

当上标线移动到重叠范围d内超过O2线时，即情形(b)，测量软件要进行图像切换，即由图像一确定上标线的位置改为由图像二确定。切换可在重叠范围d内超过O2线的任何位置进行。

切换之后，即情形(c)，测量软件由同时拍摄的图像二和图像一分别确定上下标线的位置。两标线之间的距离则可如下计算：标线距离＝c2’O2+O2O1-c1O1，其中c2’O2代表上标线到O2线的距离，c1O1代表下标线到O1线的距离，O2O1代表O2线到O1线间的固定距离。

当下标线也移动到重叠范围d内超过O2线时，即情形(d)，软件进行第二次图像切换。此后，两条标线都由图像二确定，两条标线间的距离等于上标线到O2线的距离d2’O2减去下标线到O2线的距离d2O2。

本发明的视频引伸仪的校准

由于摄影镜头存在视差和扭曲变形，而大变形测量所用的广角镜头尤为显著，因此，视频引伸仪在安装后必须先校准。校准的目的是要确定沿着测量方向每两个像素(Pixel)间的距离所代表的实际长度。

校准通常采用校准尺(校准棒)。现有的视频引伸仪在校准时所采用的校准尺有两种，一种上划有平行线，当用摄像头拍摄校准尺的图像时，这些线即把拍到的图像沿着测量方向划分为许多段。由于平行线间的距离是已知的，测量软件只需确定每一段沿测量方向上的像素数，即可算出在那一段上每两个像素间的距离所代表的实际长度。另一种校准尺设计采用圆形图案，这种校准尺可以沿多个方向同时校准，但这里所针对的大变形测量只需一个方向的校准，采用这种校准尺并不方便。

以上两种校准尺设计均不具备上述方法2所提到的标明图像一和图像二的测量基准线O1和O2的功能。本发明设计了一种新的校准方法，不仅可以简单地实现上述功能，还对平行线校准尺作了改进，使校准软件设计更为简单。

如图5所示，新的校准尺采用黑白相间的长方块代替平行线去分隔图像。在中间部位有一个带有白色间隙的特殊黑色块。特殊色块有两个作用，一是在安装视频引伸仪时帮助调整重叠范围；二是此色块下面的黑白分界线即是图像二的测量基准线O2，见图5的B放大图。图像一的测量基准线O1由进入摄像头11的测量范围的第一条黑白分界线所代表，见图5的C放大图。

校准时先同时用两摄像头11和12拍摄校准尺的照片，然后把图像传送给测量软件。软件由图像一的最底部开始进行校准，当遇到第一条黑白分界线时，就将它确立为O1线。当校准软件遇到特殊黑色块时，对图像一的校准结束。软件转为对图像二进行校准，并把特殊黑色块下面的那条黑白分界线，也就是进入摄像头12的测量范围的第一条黑白分界线，确立为O2线。

在特殊黑色块中间的白色间隙并未贯穿黑色块，而是留下一段黑色，形成一个平躺的“U”型。该“U”型的底部垂直线可用来校正图像一和图像二的水平位置差。水平位置差的校正在试样宽度较窄时可帮助软件在图像切换后快速确定标线在图像二中的位置。

新的校准尺具有以下优点：

1.采用黑白相间的长方块代替平行线去分隔图像，使得软件更为简单。当用平行线分隔图像时，软件需先确定每一平行线的中心位置，然后确定两平行线间的像素数。采用黑白块设计后，软件只需确定黑白分界线即可确定每一段内的像素数。确定黑白分界线要比确定一条线的中心位置来的简单。

2.分段更为精确。平行线分段的线条必须有一定的宽度，软件才能准确识别。黑白块分段无此要求。

3.特殊黑色块的设计简单地实现了校准时图像切换，测量基准线O2的确定以及图像一和图像二的水平位置差的校正等功能。

必须指出，本发明的校准尺也可做以下修改：

跟据镜头所产生的扭曲变形的分布特点采用宽度不等的黑白块。

采用不同颜色的或不同灰度的长方块取代黑白块。

采用其它图案的特殊黑色块或者用与其它长方块颜色不同的长方块取代特殊黑色块等。

在硬件结构上本发明有以下两种方案：

方案1

最简单的实施方案是采用通用的双通道图像采集卡和两个与其相兼容的摄像头。将图像采集卡***计算机的扩展槽并安装随卡一起提供的驱动程序。安装两摄像头使其具有本发明所描述的重叠范围。剩下的任务就是编写软件进行图像处理，以实现本发明所描述的测量方法。

方案2

方案1的硬件设计需要打开用户的计算机***图像采集卡并安装相应的驱动程序。这在使用上不太方便，而且难以融入用户现有的试验机测控程序。

方案2采用在计算机外由硬件和存储在单片机(或数字信号处理器)中的软件配合完成基本的图像处理，然后将测量结果(标线距离)通过RS232或USB通讯接口传入计算机中的用户试验机测控程序。测控程序则通过RS232或USB通讯接口对视频引伸仪进行控制。

图6所示为方案2的硬件结构图。摄像头必须选用具有数字信号输出的摄像头。两摄像头的输出图像被分别存放于图像存储器一和二。地址生成和锁存部分用以生成存储图像所需的地址信号和锁存来自单片机的地址信号。在每一幅图像输出的开始，幅信号脉冲将地址设为“0”。此后，在行信号有效的条件下，每一像素脉冲按顺序将地址加1，从而将图像中每一像素的值一行行存入存储器。两摄像头的行信号被输入单片机以确定图像输出是否结束。在图像存储完成后，单片机则可通过地址锁存信号和数据总线选通信号选取图像1或图像2进行处理。

两摄像头的拍摄由单片机通过I²C总线完全控制。由于单片机控制摄像头仅输出每一幅图像的中间几十行，因此在两幅图像输出之间，单片机有足够的时间处理所存储的图像。

单片机或计算机实现本发明方法的测量流程图如图7A、7B和7C所示。测量过程开始，如图7A所示，先初始化测量仪器与计算机之间的RS232接口，做好数据传送的准备。然后初始化两个摄像头11和12，做好图像采集与测量的准备。接下来判断收到的命令是测量命令还是校准命令或是其他命令，分别进入各自的子程序中。如果为测量程序，将测量标志M设置为1，图像切换标志S1和S2初始化为0，开始拍摄和存储图像。当一幅图像存储结束时，先判断是否已进行过第一次图像切换，即图像切换标志S1是否为1。如果图像切换标志S1不为1，进入模块A，在图像一中确定上下标线的位置，然后判断上标线是否超过第二基准线O2，超过的话则将图像切换标志S1设定为1。接下来计算上下标线的距离，输出结果，结束C。

如果上述过程中图像切换标志S1为1，则进入模块B，先判断第二次图像切换标志S2是否为0。如果为0，在图像一中确定下标线位置，再判断下标线是否超过O2。下标线超过O2则将切换标志S2设为1。但无论下标线超过O2线与否均在图像二中确定上标线的位置。接下来计算上下标线的距离，输出结果，结束C。如果判断第二次图像切换标志S2不为0，则在图像二中确定上下标线位置，接下来计算上下标线的距离，输出结果，结束C。

如果收到校准命令，则进入模块D。首先两个摄像头拍摄校准尺的图像，然后从图像一的起始部位开始寻找黑白分界线，记录第一条黑白分界线为第一基准线O1。接下来顺序在图像中寻找黑白分界线，如果为分界线，则确定分界线精确位置，并确定像素的校准值。当遇到特殊黑白块时，将其下面的黑白分界线记录为第二基准线O2。然后在图像二中跨过白色间隙开始寻找黑白分界线。如果为分界线，则确定分界线精确位置，并确定像素的校准值，直至最后一个像素，结束校准，通过E回到主程序等待下一个命令。

Claims (7)

1.一种双摄像头视频大变形测量方法，其特征在于包括以下步骤：

①采用两个摄像头构成视频引伸仪的图像拍摄部分，并保证两个摄像头的视角存在重叠区域；

②安装试样，并保证试样上的两条标线同时位于第一摄像头的测量范围内；

③拉伸试样；

④当试样上的两条标线位于第一摄像头的测量范围内时，由第一摄像头获取的图像一确定两条标线之间的距离；

⑤当试样的上标线移动到两摄像头的视角重叠区域时，进行图像切换，并将此时上标线在两个摄像头所拍摄的图像一和图像二中的位置确定为切换位置；

⑥然后，由第一摄像头获取的图像一确定下标线与切换位置之间的距离，由第二摄像头获取的图像二确定上标线与切换位置之间的距离，将两个距离相加确定两条标线之间的距离；

⑦当试样的下标线移动过切换位置时，进行第二次图像切换，由第二摄像头获取的图像二确定两条标线之间的距离。

2.根据权利要求1所述的双摄像头视频大变形测量方法，其特征是还包括校准过程，校准过程包括以下步骤：

①在试样安装位置安装一个具有一定对比度的两种色块相间形成的校准尺，校准尺中间设有一与其他两种色块不同的特殊块，该特殊块在安装时须位于两摄像头视角的重叠区域内；

②确定摄像头获取的图像中色块的分界线，由此确定每一色块纵向宽度的像素数，并分别与校准尺相应色块的实际宽度相对比，即可获得图像中在该色块所处位置上沿测量方向每两个像素间的距离所代表的实际长度；

③由第一摄像头获取的图像一的底部开始由下而上进行校准，当校准到特殊块时，切换至由第二摄像头获取的图像二进行校准，至图像二顶部截止。

3.一种双摄像头视频大变形测量方法，其特征在于包括以下步骤：

①采用两个摄像头构成视频引伸仪的图像拍摄部分，并保证两个摄像头的视角存在重叠区域；

②当校准时，分别在每一个摄像头的视角的下方确定一条基准线，并使在第二摄像头的视角内的第二基准线位于重叠区域内，两条基准线间具有已知的固定距离；

③安装试样，并保证试样上的两条标线同时位于第一摄像头的测量范围内；

④拉伸试样；

⑤当试样上的两条标线位于第一摄像头的测量范围内时，由第一摄像头获取的图像一确定两条标线之间的距离；

⑥当试样的上标线移动过第二基准线时，进行图像切换，由第一摄像头获取的图像一确定下标线与第一基准线之间的距离，由第二摄像头获取的图像二确定上标线与第二基准线之间的距离，将上标线与第二基准线之间的距离加上两基准线之间的距离减去下标线与第一基准线之间的距离即为两标线之间的距离；

⑦当试样的下标线移动过切换位置时，进行第二次图像切换，由第二摄像头获取的图像二确定两条标线之间的距离。

4.根据权利要求3所述的双摄像头视频大变形测量方法，其特征是还包括校准过程，校准过程包括以下步骤：

①在试样安装位置安装一个具有一定对比度的两种色块相间形成的校准尺，校准尺中间设有一与其他两种色块不同的特殊块，该特殊块在安装时须位于两摄像头视角的重叠区域内；

②确定摄像头获取的图像中色块的分界线，由此确定每一色块纵向宽度的像素数，并分别与校准尺相应色块的实际宽度相对比，即可获得图像中在该色块所处位置上沿测量方向每两个像素间的距离所代表的实际长度；

③由第一摄像头获取的图像一的底部开始由下而上进行校准，将进入镜头的第一条色块分界线作为第一基准线；

④当校准到特殊块时，切换至由第二摄像头获取的图像，并把特殊块下面的色块分界线作为第二基准线，继续校准至图像二顶部截止。

5.根据权利要求2或4所述的双摄像头视频大变形测量方法，其特征是校准过程中，通过特殊块上的横向色块分界线确定图像一和图像二的纵向位置差，通过特殊块上的纵向色块分界线确定图像一和图像二的横向位置差。

6.根据权利要求1或3所述的双摄像头视频大变形测量方法，其特征是两个摄像头输出的图像一和图像二由位于摄像头横向视角中间的1～200个像素线构成。

7.一种视频引伸仪，其特征是在视频引伸仪的摄像头安装基面上安装两个摄像头，安装的位置使两个摄像头的视角存在重叠区域，所述重叠区域控制在摄像头视角的10％以内，两个摄像头与图像采集硬件和单片机集成，通过RS232或USB通讯接口与计算机相连接。

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