CN110595364A - 一种基于ccd相机的空间位移与应变测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置和方法，包括CCD彩色相机、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；所述第一反射镜、第一分光镜和第二分光镜组成第一光路，所述第二反射镜、第一分光镜组成第二光路，所述第三反射镜、第二分光镜和第一分光镜组成第三光路；所述第一光路、第二光路和第三光路均进入所述CCD彩色相机；所述CCD彩色相机用于通过所述第一光路、第二光路和第三光路进行拍摄。本发明设备结构简单，不需要任何同步触发装置来实现同步数据采集，相当于采用三个CCD相机从三个方向进行拍摄，使得计算结果更加精确，而且本发明对被测物体表面的形状没有任何限制，应用灵活。

Description

一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置和方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置和方法。

背景技术

自从1980年数字图像相关方法问世以来，该方法得到了快速发展。为了测量空间位移和应变，有学者提出了空间数字图像相关方法。该方法具有很多优势，如：全场、高精度、非接触和对测量环境不敏感等，使得该方法在位移和应变测量的很多领域得到了应用。传统的空间数字图像相关要用到两个CCD相机，不但使得硬件成本高，为了实现两个相机同时工作，还要提供同步触发装置，使得操作复杂性高。

目前，公开号为CN103940357A的发明专利公开了一种非接触式空间位移测量装置，包括设置在参考点处的激光测距仪，还包括设置在检测点处的成像透板、设置在成像透板对激光测距仪一侧的图像采集装置以及驱动模块和控制模块，上述测量装置存在以下缺点：1、激光测距仪成本高，体积大，不方便携带；2、拍摄中只有一条光路到达传感器，可能会造成参考点信息缺失。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置和方法。

本发明所采取的第一技术方案是：包括CCD彩色相机、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；

所述第一反射镜、第一分光镜和第二分光镜组成第一光路，所述第二反射镜、第一分光镜组成第二光路，所述第三反射镜、第二分光镜和第一分光镜组成第三光路；所述第一光路、第二光路和第三光路均进入所述CCD彩色相机；

所述CCD彩色相机用于通过所述第一光路、第二光路和第三光路进行拍摄，从而获取目标图像。

进一步地，还包括第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片；

所述第一滤波片被置于所述第一光路中，用于对第一光路进行滤光处理，从而获得第一色光；

所述第二滤波片被置于所述第二光路中，用于对第二光路进行滤光处理，从而获得第二色光；

所述第三滤波片被置于所述第三光路中，用于对第三光路进行滤光处理，从而获得第三色光。

进一步地，还包括第一光源、第二光源、第三光源；

所述第一光源具有与所述第一色光相同的发光颜色，所述第二光源具有与所述第二色光相同的发光颜色，所述第三光源具有与所述第三色光相同的发光颜色，所述第一光源、第二光源、第三光源均用于为所述CCD彩色相机的拍摄进行补光。

进一步地，所述第一分光镜设有第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第二分光镜设有第三输入端、第四输入端和第二输出端；

所述第一输入端用于接收第二反射镜反射的光线，使得第一分光镜按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机；

所述第三输入端用于接收第一反射镜反射的光线，使得第二分光镜按预设的第二分光比例进行分光后通过第二输出端将光线输出至第二输入端，由第一分光镜再按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机；

所述第四输入端用于接收第三反射镜反射的光线，使得第二分光镜按预设的第二分光比例进行分光后通过第二输出端输出至第二输入端，由第一分光镜再按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机。

进一步地，所述CCD彩色相机经数据线与一具有图像处理功能的计算机14相连，所述计算机14用于对所述目标图像的特征进行提取，并记录所述目标图像中像素点的坐标位置，从而计算得出位移变量。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种空间位移与应变测量方法，包括以下步骤：

定位被测物体表面上的特征点；

沿所述第一光路、第二光路、第三光路对所述特征点连续进行多次拍摄，从而获取多幅目标图像。

进一步地，还包括以下步骤：

使用所述第一滤波片对所述第一光路的光线进行滤波，得到第一色光；使用所述第二滤波片对所述第二光路的光线进行滤波，得到第二色光，使用所述第三滤波片对所述第三光路的光线进行滤波，得到第三色光。

进一步地，还包括以下步骤：

根据被测物体的颜色和周围环境背景的颜色，使用所述第一光源、第二光源、第三光源对所述相机的拍摄进行补光。

进一步地，还包括以下步骤：

对第一反射镜的反射方向进行改变，从而改变第一光路的路径；

对第二反射镜的反射方向进行改变，从而改变第二光路的路径；

对第三反射镜的反射方向进行改变，从而改变第三光路的路径。

进一步地，还包括以下步骤：

从各所述目标图像中选定一副图像作为参考图像，选定其余所述目标图像作为对比图像；

对所述参考图像的特征进行提取并载入数据库，对比所述对比图像的特征，并将所述参考图像的各像素所处图像的二维位置信息载入数据库形成原始位置信息，设定位移报警阈值；

依次将所述对比图像的特征跟所述数据库中的特征进行对比，并提取出所述对比图像中各像素所处图像的二维位置数据，形成实时位置信息；

计算出各实时位置信息与其原始位置信息所处图像的二维位置距离，当所述二维位置距离差值大于位移报警阈值时，则确定所述特征点产生位移。

本发明的有益效果是：单个CCD彩色相机空间数字图像相关位移应变测量仪只需要用一个相机即可实现空间测量，不需要任何同步触发装置来实现同步数据采集，这使得光路结构更加紧凑，相对于传统的双相机对空间数据图像相关位移和应变进行测量，本发明相当于采用三个CCD相机从三个方向进行拍摄，使得计算结果更加精确，而且本发明对被测物体表面的形状没有任何限制，应用灵活。

附图说明

图1为本发明所述空间位移与应变测量装置一具体实例的结构图；

1、被测物体；2、CCD彩色相机；3、第一分光镜；4、第二分光镜；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、第三反射镜；8、第一滤波片；9、第二滤波片；10、第三滤波片；11、第一光源；12、第二光源；13、第三光源；14、计算机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

图1所示为本发明一具体实例的结构图。本发明中被测物体1表面的形状不影响本发明的应用，无论是平面、曲面均可以通过本发明进行测量。

图1中，一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置，包括CCD彩色相机2、第一分光镜3、第二分光镜4、第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7；以上所述第一反射镜5、第一分光镜3和第二分光镜4组成了第一光路；第二反射镜6、第一分光镜3组成了第二光路；第三反射镜7、第二分光镜4和第一反射镜5组成了第三光路。第一光路、第二光路、第三光路经过光线汇聚后均进入CCD彩色相机2。CCD彩色相机2用于通过所述第一光路、第二光路和第三光路进行拍摄，从而获取目标图像。

对于上述测量装置，其工作原理为：用CCD彩色相机对被测物体1上的特征点进行拍照时，由于CCD彩色相机内部含有三个独立的CCD芯片，它能将图像像素转换成数字信号，可以用来分别采集不同的颜色，每个CCD芯片都可以形成带有多个像素的位图，多个不同通道的位图合并后从而实现彩色成像；通过设置三条不同的光路对不同的颜色进行采集，可以同时实现对同一物体不同角度的拍摄，得到更多的特征点的信息。

进一步作为优选的实施方式，还包括第一滤波片8、第二滤波片9、第三滤波片10；

所述第一滤波片8被置于所述第一光路中，用于对第一光路进行滤光处理，滤波片对不同波长的颜色进行选择性吸收后得到第一色光；

所述第二滤波片9被置于所述第二光路中，用于对第二光路进行滤光处理，滤波片对不同波长的颜色进行选择性吸收后得到第二色光；

所述第三滤波片10被置于所述第三光路中，用于对第三光路进行滤光处理，滤波片对不同波长的颜色进行选择性吸收后得到第三色光；

光线被第一滤波片8、第二滤波片9、第三滤波片10进行过滤后再进入第一分光镜3、第二分光镜4进行分光；

滤波片一般是由玻璃片加入特种燃料做成的，原始的玻璃片是透明的，它的折射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，但是当染了染料后，分子结构发生变化，折射率也跟着发生变化，对某些色光的通过就起了变化；比如一束白光通过蓝色滤波片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤波片吸收了，故滤波器能够选择性让某种颜色的光通过，从而突出显示所要的颜色。

进一步作为优选的实施方式，还包括第一光源11、第二光源12、第三光源13；所述第一光源11具有与所述第一色光相同的发光颜色，所述第二光源12具有与所述第二色光相同的发光颜色，所述第三光源13具有与所述第三色光相同的发光颜色，所述第一光源11、第二光源12、第三光源13均用于为所述CCD彩色相机2的拍摄进行补光。

在进行图像拍摄时，周围环境的光线是否充足直接影响拍摄效果，亮度不够会使拍摄成像模糊不清，故使用光源对被测物体1进行补光是必要的。根据被测物体1表面的颜色和周围环境的实际情况可以对以上光源进行调整，看是否关闭某一光源或者提高某光源亮度，以达到最佳拍摄效果。

进一步作为优选的实施方案，所述第一分光镜3设有第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第二分光镜4设有第三输入端、第四输入端和第二输出端；所述第一输入端用于接收第二反射镜反射的光线，使得第一分光镜3按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机；所述第三输入端用于接收第一反射镜反射的光线，使得第二分光镜4按预设的第二分光比例进行分光后通过第二输出端将光线输出至第二输入端，由第一分光镜3再按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机2；

在光学检测中，分光镜主要应用其分光特性，使输入分光镜的光线进行透射和反射，分光镜的主要性能指标有分光比、透射和反射的总能量；经过分光镜的光线颜色是不会发生变化的，但是能够调整经过分光镜的光线强度，允许部分光线经过透射后进入CCD彩色相机，其中可以通过调整分光镜的距离和角度来控制透射和反射的比例。

进一步作为优选的实施案例，CCD彩色相机2经数据线与一具有图像处理功能的计算机14相连，所述计算机14用于对所述目标图像的特征进行提取，并记录所述目标图像中像素点的坐标位置，从而计算得出位移变量。

进行位移测量前选定好特征点，CCD彩色相机2对特征点连续多次拍摄多幅图像；选取其中一幅图像作为参考图像，选取其他图像作为目标图像；利用相机标定参数对图像进行畸变校正；对畸变校正后的参考图像的特征点的信息进行提取并存入数据库中，包括各像素点在参考图像中的二维位置信息；

设定位移报警阈值d₁；

对畸变校正后的目标图像的特征点进行提取并存入数据库中，包括各像素点在目标图像中的二维位置信息，然后再与畸变校正后的参考图像的特征点进行匹配。对于提取到的匹配特征点，将其从像素坐标转换到世界坐标，转换计算公式如下：

其中，Z_c为点在相机坐标系中的Z坐标，[u v 1]^T为点在图像坐标系中的坐标，f_x、f_y为焦距，u₀和v₀为主点坐标，R为3*3的旋转矩阵，T为3*1的平移向量，[X_w Y_w Z_w 1]^T为点在世界坐标系中的坐标。Z_c从相机标定外参获得，[u v 1]^T为匹配特征点的像素坐标，f_x、f_y、u₀、v₀从相机标定内参外参获得，R、T从相机标定外参获得；

为了得到直线位移的情况，对特征点的位移进行正交分解；

通过距离公式进行位移举例计算，计算公式如下：

其中，d为两点间的距离，(X₁，Y₁，Z₁)为参考图像中特征点的三维世界坐标，(X₂，Y₂，Z₂)为对比图像中特征点的三维世界坐标；通过计算公式得到匹配特征点的计算结果d，该计算结果d与报警阈值d₁进行比对，当d>d₁即发生位移，当d≤d₁则未发生位移。

现在对本发明装置一具体实施案例进行详细说明。

本案例中，CCD彩色相机选用具有3个CCD芯片的CCD彩色相机2；第一分光镜3选用形状为棱形的第一分光棱镜，第二分光镜4选用形状为棱形的第二分光棱镜；第一反射镜5选用表面为平面的第一平面反射镜，第二反射镜6选用表面为平面的第二平面反射镜，第三反射镜7选用表面为平面的第三平面反射镜；第一滤波片8选用绿光滤波片，第二滤波片9选用红光滤波片，第三滤波片10选用蓝光滤波片；第一光源11、第二光源12、第三光源13分别选用LED灯作为第一LED光源、第二LED光源、第三LED光源。

由于CCD彩色相机对红色最不敏感，容易导致红色外溢，导致照片中红色过于鲜艳而失去细节、层次的现象，故此案例需要使用两个分光镜对红光进行两次分光，削弱红光的到达CCD彩色相机2的强度，绿光和蓝光只需要通过分光镜进行一次透射。

被测物体1经过第一光源11、第二光源12、第三光源13进行照射补光，光线被被测物体1的特征点进行反射后形成第一反射光线，第一反射光线经过第一滤波片8滤波后得到绿光，绿光经过第一反射镜5进行反射，反射的光线进入第二分光镜4，由第二分光镜4按照第二分光比例进行分光后进入第一分光镜3，由第一分光镜3按照第一分光比例分光后输出至CCD彩色相机2，被CCD彩色相机2中对应的CCD芯片进行采集；

光线被被测物体1的特征点进行反射后形成第二反射光线，第二反射光线经过第二滤波片9滤波后得到红光，红光经过第二反射镜6进行反射，反射的光线进入第一分光镜3，由第一分光镜3按照第一分光比例分光后输出至CCD彩色相机2，被CCD彩色相机2中对应的CCD芯片进行采集；

光线被被测物体1的特征点进行反射后形成第三反射光线，第三反射光线经过第三滤波片10滤波后得到蓝光，蓝光经过第三反射镜7进行反射，反射的光线进入第二分光镜4，由第二分光镜4按照第二分光比例进行分光后进入第一分光镜3，第一分光镜3按照第一分光比例分光后输出至CCD彩色相机2，被CCD彩色相机2中对应的CCD芯片进行采集，3个CCD芯片进行光电转换，再经过电路处理后产生图像。

为了取得最好的测试效果，第二光源12放置在被测物体1表面特征点的法线上，第一光源11和第三光源13分别置于法线两侧，第一光源11与特征点的连线、第三光源13与特征点的连线分别与特征点的法线成30度夹角，且第一光源11、第二光源12、第三光源13距离被测物1.5米到2.5米之间。

为了保证拍摄效果，可以调整第一光源11、第二光源12、第三光源13来对被测物体1进行补光，比如被测物体1表面涂有红色的颜料，而且周围颜色又较暗，为了更容易区分被测物体1上的特征点，此时打开第一光源11或第三光源13，使特征点和特征点周围的对比更加明显，使拍摄的图像更加清晰。

连续多次拍照期间，可以微调CCD彩色相机2的拍摄角度，拍摄角度可以通过分别调整第一反射镜5、第二平面反光镜、第三反射镜7的放置角度和前后位置来改变第一光路、第二光路和第三光路，每条光路可以看成从某一角度对被测物体1进行一次拍照。

现在对本发明方法一具体实施案例流程进行说明。

①选取被测物体表面的某一处为特征点；

②将以上所述的一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置放置好，放置的平台可以为基座，也可以为吊架；

③打开LED光源，调整LED光源的亮度和颜色，调整反射镜的角度，使CCD彩色相机捕获到清晰的目标图像；

④使用CCD彩色相机连续对被测点进行多次拍摄，并对图像进行存储；

⑤CCD彩色相机通过数据线连接带有图像处理功能的计算机，计算机对多幅图像进行特征提取并进行分析，具体处理过程如下：

进行位移测量前选定好特征点，CCD彩色相机2对特征点连续多次拍摄多幅图像；选取其中一幅图像作为参考图像，选取其他图像作为目标图像；利用相机标定参数对图像进行畸变校正；对畸变校正后的参考图像的特征点的信息进行提取并存入数据库中，包括各像素点在参考图像中的二维位置信息；

设定位移报警阈值d₁；

对畸变校正后的目标图像的特征点进行提取并存入数据库中，包括各像素点在目标图像中的二维位置信息，然后再与畸变校正后的参考图像的特征点进行匹配。对于提取到的匹配特征点，将其从像素坐标转换到世界坐标，转换计算公式如下：

其中，Z_c为点在相机坐标系中的Z坐标，[u v 1]^T为点在图像坐标系中的坐标，f_x、f_y为焦距，u₀和v₀为主点坐标，R为3*3的旋转矩阵，T为3*1的平移向量，[X_w Y_w Z_w 1]^T为点在世界坐标系中的坐标。Z_c从相机标定外参获得，[u v 1]^T为匹配特征点的像素坐标，f_x、f_y、u₀、v₀从相机标定内参外参获得，R、T从相机标定外参获得；

为了得到直线位移的情况，对特征点的位移进行正交分解；

通过距离公式进行位移举例计算，计算公式如下：

其中，d为两点间的距离，(X₁，Y₁，Z₁)为参考图像中特征点的三维世界坐标，(X₂，Y₂，Z₂)为对比图像中特征点的三维世界坐标；通过计算公式得到匹配特征点的计算结果d，该计算结果d与报警阈值d₁进行比对，当d>d₁即发生位移，当d≤d₁则未发生位移。

⑥关闭LED光源，关闭相机电源。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件和光路，仅仅是为了便于对相应的零部件和光路进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同特换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置，其特征在于，包括CCD彩色相机、第一分光镜、第二分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜；

所述第一反射镜、第一分光镜和第二分光镜组成第一光路，所述第二反射镜、第一分光镜组成第二光路，所述第三反射镜、第二分光镜和第一分光镜组成第三光路；所述第一光路、第二光路和第三光路均进入所述CCD彩色相机；

所述CCD彩色相机用于通过所述第一光路、第二光路和第三光路进行拍摄，从而获取目标图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置，其特征在于，还包括第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片；

所述第一滤波片被置于所述第一光路中，用于对第一光路进行滤光处理，从而获得第一色光；

所述第二滤波片被置于所述第二光路中，用于对第二光路进行滤光处理，从而获得第二色光；

所述第三滤波片被置于所述第三光路中，用于对第三光路进行滤光处理，从而获得第三色光。

3.根据权利要2所述的一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置，其特征在于，还包括第一光源、第二光源、第三光源；

所述第一光源具有与所述第一色光相同的发光颜色，所述第二光源具有与所述第二色光相同的发光颜色，所述第三光源具有与所述第三色光相同的发光颜色，所述第一光源、第二光源、第三光源均用于为所述CCD彩色相机的拍摄进行补光。

4.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置，其特征在于，所述第一分光镜设有第一输入端、第二输入端和第一输出端，所述第二分光镜设有第三输入端、第四输入端和第二输出端；

所述第一输入端用于接收第二反射镜反射的光线，使得第一分光镜按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机；

所述第三输入端用于接收第一反射镜反射的光线，使得第二分光镜按预设的第二分光比例进行分光后通过第二输出端将光线输出至第二输入端，由第一分光镜再按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机；

所述第四输入端用于接收第三反射镜反射的光线，使得第二分光镜按预设的第二分光比例进行分光后通过第二输出端输出至第二输入端，由第一分光镜再按预设的第一分光比例进行分光后通过第一输出端将光线输出至所述CCD彩色相机。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于CCD相机的空间位移与应变测量装置，其特征在于，所述CCD彩色相机经数据线与一具有图像处理功能的计算机相连，所述计算机用于对所述目标图像的特征进行提取，并记录所述目标图像中像素点的坐标位置，从而计算得出位移变量。

6.一种空间位移与应变测量方法，其特征在于，所述方法使用权利要求1-5中任一项所述的装置执行以下步骤：

定位被测物体表面上的特征点；

沿所述第一光路、第二光路、第三光路对所述特征点连续进行多次拍摄，从而获取多幅目标图像。

7.根据权利要求6所述的一种空间位移与应变测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

使用所述第一滤波片对所述第一光路的光线进行滤波，得到第一色光；使用所述第二滤波片对所述第二光路的光线进行滤波，得到第二色光，使用所述第三滤波片对所述第三光路的光线进行滤波，得到第三色光。

8.根据权利要求6所述的一种空间位移与应变测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

根据被测物体的颜色和周围环境背景的颜色，使用所述第一光源、第二光源、第三光源对所述相机的拍摄进行补光。

9.根据权利要求6所述的一种空间位移与应变方法，其特征在于，还包括以下步骤：

对第一反射镜的反射方向进行改变，从而改变第一光路的路径；

对第二反射镜的反射方向进行改变，从而改变第二光路的路径；

对第三反射镜的反射方向进行改变，从而改变第三光路的路径。

10.根据权利要求6-9任一项所述的一种空间位移与应变测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

从各所述目标图像中选定一副图像作为参考图像，选定其余所述目标图像作为对比图像；

对所述参考图像的特征进行提取并载入数据库，对比所述对比图像的特征，并将所述参考图像的各像素所处图像的二维位置信息载入数据库形成原始位置信息，设定位移报警阈值；

依次将所述对比图像的特征跟所述数据库中的特征进行对比，并提取出所述对比图像中各像素所处图像的二维位置数据，形成实时位置信息。

计算出各实时位置信息与其原始位置信息所处图像的二维位置距离，当所述二维位置距离差值大于位移报警阈值时，则确定所述特征点产生位移。