CN108917632B - 一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法 - Google Patents

一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法，包括计算各计算模板覆盖区域内的高斯点坐标、计算各计算模板覆盖区域内高斯点位移、高斯点位移修正步骤。本发明通过对传统DIC获得的位移及位移梯度进行后处理，能够在付出极小计算代价的条件下将位移精度提高一阶，是一种兼具高精度和高效率的测量方法；本发明将插值后高斯点位移的平均值作为最终位移测量结果可以有效抑制随机误差，具有较强的鲁棒性；本发明的测量方法仅需对传统DIC获得的位移及其梯度进行简单数学运算，不需要改动DIC核心算法，编程复杂度低，易于实现。

Description

一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法
技术领域
本发明涉及一种数字图像相关位移后处理方法，尤其涉及一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法，属于光测力学技术领域。
背景技术
数字图像相关法(Digital image correlation,DIC)是一种基于现代图像处理技术、通过匹配变形前后图像中具有强辨识度散斑的灰度值进行计量的光测力学方法。因其具有对测试环境要求宽松、能够获得全场位移和应变等优点，目前DIC已作为理想的变形测量手段应用于多个领域。
基于国内外学者在DIC亚像素算法及其影响因素方面的研究成果，目前DIC算法在均匀变形测量上已能够满足常规试验的精度要求。但在非均质材料的非均匀变形测量上，测量偏差较大，无法满足非均质材料高精度的全场测量要求。造成测量偏差增大的主要原因是基于常应变假设的一阶计算模板形函数与真实位移场的欠匹配。为提高匹配性，现有的解决方案是减小计算模板尺寸或提高计算模板形函数的阶次，但随着计算模板尺寸的减小，位移随机误差急剧增大甚至无法收敛，而提高形函数阶次又将显著增加DIC的计算复杂度和对图像噪声的敏感性，无法满足高效率和高鲁棒性的测量需求。
因此，寻求一种能同时满足精度、效率和鲁棒性的方法是目前应用DIC进行非均匀变形测量的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法，在待测区域划分网格点，设定网格步长，网格点坐标为(xi,yi)，i＝1,2,...,n，n为网格点数量，以每一个网格点为中心取其邻域作为计算模板，模板尺寸为M×N，网格点位移(ui,vi)和位移梯度
Figure GDA0002415904400000021
由传统DIC方法获得；包括以下具体步骤：
步骤1：计算各计算模板覆盖区域内的高斯点坐标
Figure GDA0002415904400000022
k＝1,2,3,4，具体计算公式为：
Figure GDA0002415904400000023
步骤2：计算各计算模板覆盖区域内高斯点位移
Figure GDA0002415904400000024
具体计算公式为：
Figure GDA0002415904400000025
进一步，还包括高斯点位移修正步骤：
Figure GDA0002415904400000026
其中，Uk(x,y),Vk(x,y)为对各计算模板内第k个高斯点进行插值，获得的位移场；
Figure GDA0002415904400000031
为高斯点位移修正值。
采用上述技术方案所取得的技术效果在于：
1)本发明通过对DIC算法获得的位移及位移梯度进行后处理，能够在付出极小计算代价的条件下将位移精度提高一阶，是一种兼具高精度和高效率的测量方法；
2)本发明将插值后高斯点位移的平均值作为最终位移测量结果可以有效抑制随机误差，具有较强的鲁棒性；
3)本发明的测量方法仅需对DIC算法获得的位移及其梯度进行简单数学运算，不需要改动DIC核心算法，编程复杂度低，易于实现。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的实施例1中高斯点位置示意图；
图3是本发明的实施例1中测量结果与DIC算法测量结果的对比图。
具体实施方式
实施例1：
参考图1-图3，一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法，在待测区域划分网格点，设定网格步长，网格点坐标为(xi,yi)，i＝1,2,...,n，n为网格点数量，以每一个网格点为中心取其邻域作为计算模板，模板尺寸为M×N，网格点位移(ui,vi)和位移梯度
Figure GDA0002415904400000032
由传统DIC方法获得；包括以下具体步骤：
步骤1：计算各计算模板覆盖区域内的高斯点坐标
Figure GDA0002415904400000033
k＝1,2,3,4，具体计算公式为：
Figure GDA0002415904400000041
步骤2：计算各计算模板覆盖区域内高斯点位移
Figure GDA0002415904400000042
具体计算公式为：
Figure GDA0002415904400000043
进一步，还包括高斯点位移修正步骤：
Figure GDA0002415904400000044
其中，Uk(x,y),Vk(x,y)为对各计算模板内第k个高斯点进行插值，获得的位移场；
Figure GDA0002415904400000045
为高斯点位移修正值。
在本实施例中，采用Zhou Peng等,见Zhou P,Goodson K E.Subpixeldisplacement and deformation gradient measurement using digital image/specklecorrelation[J].Optical Engineering,2001,40(8):1613-1621.提出的模拟散斑算法生成变形前后散斑图。其中，图像尺寸为200×400像素，散斑数量为3200个，散斑大小为5像素。变形场为u(x,y)＝sin(2πx/100)，v(x,y)＝0。
以变形前散斑图作为参考图像，在待测区域划分网格点，本实施例中网格步长取3×15像素，网格点数量n＝536，网格点坐标为(xi,yi)，i＝1,2,...,n。以每一个网格点为中心取其邻域作为计算模板，计算模板尺寸41×41像素，计算模板中像素点在变形图像中的像素坐标与参考图像中的像素坐标之间的映射关系采用下式表示的一阶形式：
Figure GDA0002415904400000051
式中，
Figure GDA0002415904400000052
为变形参数，其数值由Newton-Raphson迭代算法计算获得。
进一步地，采用本发明的方法对网格点，即计算模板中心点位移及其梯度做进一步后处理，获得具有二阶精度的高斯点位移结果。
本发明的核心内容是对DIC算法获得的位移及位移梯度数据进行后处理，通过将计算模板中心点位移外推至高斯点位移来提高位移精度，因此，本发明要求保护的范围并不局限于一阶形函数，对于计算模板上的二阶或更高阶形函数，可以通过增加高斯点个数，采用本发明的步骤获得更高精度的位移结果。
参考图3，从图中可以看出，本发明的数字图像相关位移后处理方法能够显著提高位移测量精度。此外，由于本发明的测量方法仅需对DIC算法获得的位移及其梯度进行简单数学运算，计算复杂度低，具有较高计算效率。

Claims (2)

1.一种高效率高精度数字图像相关位移后处理方法，在待测区域划分网格点，设定网格步长，网格点坐标为(xi，yi)，i＝1，2，...，n，n为网格点数量，以每一个网格点为中心取其邻域作为计算模板，模板尺寸为M×N，网格点位移(ui，vi)和位移梯度
Figure FDA0002415904390000011
由DIC法获得；其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤1：计算各计算模板覆盖区域内的高斯点坐标
Figure FDA0002415904390000012
具体计算公式为：
Figure FDA0002415904390000013
步骤2：计算各计算模板覆盖区域内高斯点位移
Figure FDA0002415904390000014
具体计算公式为：
Figure FDA0002415904390000015
2.根据权利要求1所述的高效率高精度数字图像相关位移后处理方法，其特征在于：
还包括高斯点位移修正步骤：
Figure FDA0002415904390000016
其中，Uk(x，y)，Vk(x，y)为对各计算模板内第k个高斯点进行插值，获得的位移场；
Figure FDA0002415904390000017
为高斯点位移修正值。
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