CN114322812A - 一种单目三维高速测量方法、光路***及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量技术、三维视觉技术领域，具体涉及一种单目三维高速测量方法、光路***及其标定方法；基于单目测量单元所述采集被测试样的第一虚像和第二虚像进行；第一虚像和所述第二虚像用于观测所述被测试样的三维应变，可简化采用基于三维DIC算法的三维应变测量中的光路***，简化三维应变检测***的结构，以及提高检测效率。
Description
技术领域
本发明属于测量技术、三维视觉技术领域，具体涉及一种单目三维高速测量方法、光路***及其标定方法。
背景技术
目前，力学性能中变形的检测已非常普及，变形的检测可应用于各种材料和结构的应变测试检测中，一方面可用于保证产品质量合格，另一方面可用于验证材料和结构设计的合理性。因此，如何准确、高效的检测变形变得越来越重要。
目前，在变形检测中，基于DIC技术(Digital Image Correlation，数字图像相关法，又称数字散斑相关法)的传统测量***，一般为以下两种方案：
一是采用双目图像采集装置、配合双目三维DIC算法的测量***。
例如，专利文献1中发明了一种基于数字散斑的视觉引伸计实现方法，如图1所示，在对材料拉伸的三维应变进行测量中，采用双目图像采集的测量***，该测量***不仅结构复杂，需要采用两个独立光源、CCD相机。而且，两个光源需要独立放置，从两个角度倾斜照射试样，使试样光场亮度难以均匀，比如当试样较大时，会出现试样中间与左右两侧光场亮度极不均匀，导致数据缺失。
二是基于单目图像采集装置、配合二维DIC算法的测量***。
例如，专利文献2中发明了一种基于结构光的二维引伸计使用方法，如图2所示，其是通过单个相机和镜头采集图像进行处理分析，仅能够测量二维方向的应变，无法满足三维数据的测量需求。而且光源布置在相机和镜头左侧，当测量过程需求曝光时间较短时，会出现试样左右两侧亮度不均匀，导致亮度偏暗的部位出现数据缺失。
因此，现有技术中，并无相关的光路方案可搭配单目三维DIC算法进行三维应变测量，因而目前亟需一种可基于三维DIC算法且可用于三维应变检测的新测量***。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：中国发明号CN103575227 A
专利文献2：中国发明号CN 111426280 A
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种单目三维高速测量方法，基于单目测量单元所述采集的被测试样的第一虚像和第二虚像进行；第一虚像和所述第二虚像用于观测所述被测试样的三维应变，可简化采用基于三维DIC算法的三维应变测量中的光路***，简化三维应变检测***的结构，以及提高检测效率。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：
一种单目三维高速测量方法，基于单目测量单元所述采集的被测试样的第一虚像和第二虚像进行；所述第一虚像和所述第二虚像用于观测被测试样的三维应变；
所述测量方法包括以下步骤：
S101：识别所述第一虚像和第二虚像的基础像素特征；
S102：将所述基础像素特征划分并定义为多个应变子区域；
S103：采集所述被测试样的应变过程中和/或应变过程后，所述第一虚像和第二虚像中的像素特征，生成应变像素特征；
S104：自至少一部分所述应变子区域中分离出多个待计算区域；
S105：提取各所述待计算区域所对应区域的应变像素特征；
S106：将提取的各所述待计算区域所对应区域的应变像素特征，与所述基础像素特征进行比对，得到各所述待计算区域的运动步长；
S107：基于各所述运动步长，计算所述被测试样的全场应变。
进一步的，所述被测试样的外表面设置有规则排列的散斑；所述基础像素特征及应变像素特征均基于所述散斑获取。
进一步的，所述S107中，计算所述计算所述被测试样的全场应变采用亚像素位移测量算法。
本发明还提出一种光路***，用于实现上述单目三维高速测量方法，包括：第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜；
所述三角棱镜设置在所述第一反光镜与所述第二反光镜之间，前方放置被测试样；
所述第一光源设置在所述第一反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第一反射光线；
所述第二光源设置在所述第二反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第二反射光线；
所述第一反光镜用于将所述第一反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；
所述第二反光镜用于将所述第二反射光线反射到所述三角棱镜的第二镜面；
所述三角棱镜的第一镜面用于将所述第一反射光线形成所述被测试样对应的第一虚像，所述三角棱镜的第二镜面用于将所述第二反射光线形成所述被测试样对应的第二虚像。
进一步的，所述光路***还包括单目采集单元，所述单目采集单元用于采集所述第一虚像和第二虚像。
进一步的，所述光路***还包括：
第一调整装置，调整所述第一反光镜的位置和/或角度；
和/或，第二调整装置，调整所述第二反光镜的位置和/或角度；
和/或，第三调整装置，调整所述三角棱镜的位置和/或角度；
和/或，第四调整装置，调整所述单目测量单元的位置和/或角度。
进一步的，所述光路***还包括三脚架连接装置；所述三脚架连接装置为所述光路***连接三脚架的接口。
进一步的，所述三角棱镜的第一镜面与所述三角棱镜的第二镜面垂直。
进一步的，所述光路***还包括：
应变处理设备，用于与实现所述亚像素位移测量算法。
本发明还提出一种标定方法，用于标定权利上述光路***，
所述S101前还包括以下步骤：
基于所述被测试样的三维特征，调整所述光路***，标定所述第一虚像和第二虚像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明具体实施方式中一种单目三维高速测量方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中一种光路***的光路图；
图3为本发明具体实施方式中一种光路***中的第一反光镜及调整平台的示意图；
图4为本发明具体实施方式中一种光路***中的第二反光镜及调整平台的示意图；
图5为本发明具体实施方式中一种光路***中的三角棱镜及调整平台的示意图；
其中：1、第一反光镜；2、第二反光镜；3、三角棱镜；4、第一光源；5、第二光源；6、单目采集单元；7、三脚架连接装置；8、被测试样；9、第一虚像；10、第二虚像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
在本发明的一个实施例中，提出一种单目三维高速测量方法，基于单目测量单元所采集的被测试样8的第一虚像9和第二虚像10进行；所述第一虚像9和所述第二虚像10用于观测所述被测试样8的三维应变；
所述测量方法包括以下步骤：
S101：识别所述第一虚像9和第二虚像10的基础像素特征；
S102：将所述基础像素特征划分并定义为多个应变子区域；
S103：采集所述被测试样8的应变过程中和/或应变过程后，所述第一虚像9和第二虚像10中的像素特征，生成应变像素特征；
S104：自至少一部分所述应变子区域中分离出多个待计算区域；
S105：提取各所述待计算区域所对应区域的应变像素特征；
S106：将提取的各所述待计算区域所对应区域的应变像素特征，与所述基础像素特征进行比对，得到各所述待计算区域的运动步长；
S107：基于各所述运动步长，计算所述被测试样的全场应变。
本实施例的被测试样8的外表面设置有规则排列的散斑；所述基础像素特征及应变像素特征均基于所述散斑获取。
本实施例的S107中，计算所述计算所述被测试样的全场应变采用亚像素位移测量算法。
如图1所示，本实施例的基础像素特征为被测试样8应变前，由第一虚像9和第二虚像10所获得的三维散斑模型；
将三维散斑模型进行划分定义时，基于被测试样8的应变尺度以及测量精度设定子区域的大小；
当只需要测量应变集中区域便能够计算得到全场应变时，待计算区域仅从被测试样8的应变集中区域获取；当应变集中区域不能满足够得到全场应变的最小限度时，待计算区域还需要从一部分非应变集中区域获取；
本实施例的运动步长为像素的三维运动量；
参考图1，在一个实施例中，测量方法可以设置计算起点和计算终点；计算起点与计算终点之间为应变过程中和应变过程后，所需要得到全场应变的某段过程；实施时，截取此过程中的应变像素特征。
在一个实施例中，本发明还提出一种用于完成单目三维高速测量方法的一种光路***
参考图2，该光路***可包括第一光源4、第一反光镜1：、第二光源5、第二反光镜2和三角棱镜3；
实施中，可将第一光源4和第二光源5设置于三角棱镜3的前方，用于发射光线以在被测试样8的表面产生反射光线。
需要说明的是，光源可为应变检测中常用的光源，也可为自研光源，这里不作限定。
本实施例的三角棱镜3的第一镜面与第二镜面垂直，之间的夹角正对被测试样8；
可将第一反光镜1：设置于所述第一光源4的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜3的第一镜面。
可将第二反光镜2设置于所述第二光源5的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜3的第二镜面。
可将三角棱镜3设置于第一光源4以及第二光源5的后方，并位于第一反光镜1：和第二反光镜2之间，以便三角棱镜3的第一镜面将第一反光镜1：反射的光线形成所述被测试样8对应的第一虚像9，而三角棱镜3的第二镜面将第二反光镜2反射的光线形成所述被测试样8对应的第二虚像10。
通过光源向被测试样8发射光线，这时被测试样8的表面将该光线进行反射，第一反光镜1：可将反射光线反射到三角棱镜3的第一镜面中，第二反光镜2将反射光线反射到三角棱镜3的第二镜面中，从而通过三角棱镜3分别形成被测试样8对应的第一虚像9和第二虚像10，最后可通过图像采集设备根据该第一虚像9和第二虚像10获得被测试样8的左侧图像和右侧图像。
因此，通过该光路***，可提供被测试样8对应的成像信息以便于被图像采集设备采集而获得双目图像，比如图像采集设备可采用单目采集设备、双目采集设备、多目采集设备等，从而三维图像的处理设备可根据双目图像进行三维信息处理，实现对被测试样8的三维视觉应用，这样三维应变检测中的结构得到简化，也能避免因被测试样8上的亮度不均而导致数据缺失的问题。
在一些实施方式中，所述三角棱镜3的第一镜面与所述三角棱镜3的第二镜面垂直，这时三角棱镜3可为截面为等腰三角形的三角棱镜3，其中第一镜面可为一个直角边一侧的镜面，第二镜面为另一个直角边一侧的镜面。在本实施方式中，等腰三角形的底边的中垂线朝向被测试样8；第一光源4与第二光源5以此中垂线轴对称设置；第一反光镜1：与第二放光也以此中垂线轴对称设置。
在一些实施方式中，所述光路***还可包括：若干调整装置，可通过调整装置对光路***中若干设备(如第一反光镜1：、第二反光镜2、三角棱镜3等)进行调整，比如调整各个设备的位置和/或角度和/或高度等，使得被测试样8的入射光线和/或反射光线在各个设备中进行有效传输。
参考图3本说明书实施例提供一种光路***中的第一反光镜1：(如左侧反光镜)及调整平台的示意图。如图中所示，可采用第一调整装置来调整第一反光镜1：(如图中标识的左侧反光镜)的位置和/或角度，以更好地将被测试样8发射的光线发射到三角棱镜3中。
实施中，第一调整装置可包括固定支架、旋转平台和调整平台，调整平台中还可包括有用于XY轴向调整的两个按钮。其中，反光镜可固定于固定支架中，固定支架可安装于旋转平台中，旋转平台可安装于调整平台中。
可通过调整平台X向调整按钮调整左侧反光镜及固定支架的X轴向位置，通过调整平台Y向调整按钮可调整左侧反光镜及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整左侧反光镜旋转平台可调整左侧反光镜及固定支架的角度。
参考图4，本说明书实施例提供一种光路***中的第二反光镜2(如右侧反光镜)及调整平台的示意图。如图中所示，可采用第二调整装置来调整第二反光镜2(如图中标识的右侧反光镜)的位置和/或角度，以更好地将被测试样8发射的光线发射到三角棱镜3中。
实施中，第二调整装置可包括固定支架、旋转平台和调整平台，调整平台中还可包括有用于XY轴向调整的两个按钮。其中，反光镜可固定于固定支架中，固定支架可安装于旋转平台中，旋转平台可安装于调整平台中。
可通过调整平台X向调整按钮调整右侧反光镜及固定支架的X轴向位置，通过调整平台Y向调整按钮可调整右侧反光镜及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整右侧反光镜旋转平台可调整右侧反光镜及固定支架的角度。
参考图5，本说明书实施例提供一种光路***中的三角棱镜3及调整平台的示意图。如图中所示，可采用第三调整装置来调整三角棱镜3的位置和/或角度，以更好地将第一反光镜1：、第二反光镜2反射来的光线经过三角棱镜3的镜面后可以形成清晰的、准确的虚像。
实施中，第三调整装置可包括固定支架、旋转平台和调整平台，调整平台中还可包括有用于XY轴向调整的两个按钮。其中，三角棱镜3可固定于固定支架中，固定支架可安装于旋转平台中，旋转平台可安装于调整平台中。
可通过调整平台X向调整按钮调整三角棱镜3及固定支架的X轴向位置，通过调整平台Y向调整按钮可调整三角棱镜3及固定支架的Y轴向位置，还可通过调整三角棱镜3旋转平台可调整三角棱镜3及固定支架的角度。
在一些实施例中，光路***还包括三脚架连接装置7；三脚架连接装置7为所述测量***连接三脚架的接口。
在一个实施例中，测量***还包括单目采集单元6，对前述实施例提供的虚像进行图像采集，以对被测试样8进行三维图像采集，获得该被测试样8在应变检测中的三维图像数据。
实施中，该单目采集单元6可用于采集光路***形成的第一虚像9和第二虚像10，从而通过采集第一虚像9获得被测试样8的左侧图像信息和通过采集第二虚像10获得被测试样8对应的右侧图像信息，即获得该被测试样8对应的双目图像数据，完成被测试样8对应的三维图像采集。
通过光路***和单目采集设备，可以简化三维图像的采集***结构，还可通过单目图像采集设备即可应用于三维应变测量检测中。而且，该单目三维图像采集***在配合单目三维DIC算法后，不仅可实现三维应变的测量，还可消除传统光路***中因光场亮度不均匀而缺失测量数据的缺陷。
在一些实施方式中，所述单目采集单元6中可包括单镜头和单相机，其中单镜头与单相机按焦距进行固定，从而可直接用于采集图像。
在一些实施方式中，鉴于传统光路***，比如采用双目采集装置和双光源照明的光路***，比如采用单目采集装置和单光源的光路***，因光源、采集装置等设备，在每次测量使用前都需求重新安装、标定等操作，使用过程复杂，测试时间长。因此，本说明书实施例中可将光线反射装置(如反光镜、棱镜等)、及光源之间的相互位置距离、角度等空间关系进行固定，从而在出厂时标定好，并在出厂后可无需重新安装、标定，可直接用于测量，简化使用要求，使得光路***在实际使用中做到快捷方便、准备时间短，来提高使用效率。
在一个实施例中，光路***还包括应变处理设备，用于实现上述实施例中测量方法的S107，应变处理设备采用高精度、高效率亚像素位移测量算法(IC-GN算法)，算法原理如下：
The advanced IC-GN algorithm,which was recently introduced into DICcommunity by the authors of this paper[17],is employed for real-time andhigh-accuracy displacement/strain determination in the proposed videoextensometer.Using the pre-estimated initial guess of displacements at eachmeasurement point,IC-GN algorithm can determine subpixel displacements atthese points by optimizing the following robust zero-mean normalized sum ofsquared difference(ZNSSD)criterion.
where f(x)and g(x)denote the grayscale levels at x＝(x,y,1)T ofreference image and the deformed image,
arethe mean intensity value of the two subsets,
and
ξ＝(Δx,Δy,1)T is the local coordinates of the pixelpoint in each subset.Since video extensometer is mainly used to determine theuniform tensile or compressive strains,the regular first-order shape functioncomprising six deformation parameters are used.Thus W(ξ；p)is the warpfunction with p＝(u,ux,uy,v,vx,vy)T,also known as displacement mapping functionin DIC,depicting the position and shape of the target subset relative to thereference subset；W(ξ；Δp)withΔp＝(Δu,Δux,Δuy,Δv,Δvx,Δvy)T is theincremental warp function exerted on the reference subset.
在一个实施例中，本发明还提出对上述光路***进行标定的一种标定方法：
根据第一虚像9和第二虚像10，调整光路***以下至少一项：
第一光源4和第二光源5的波长、光照强度等发光特征；
第一反光镜1的位置和/或角度；
第二反光镜2的位置和/或角度；
三角棱镜3的位置和/或角度；
单目测量单元的位置和/或角度；
最终使单目测量单元所采集到的第一虚像9、第二虚像10可以观测出能够满足三维应变测量过程的三维特征。
上述调整的依据被测试样8的具体三维特征进行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种单目三维高速测量方法，其特征在于，基于单目测量单元所采集被测试样的第一虚像和第二虚像进行；所述第一虚像和所述第二虚像用于观测所述被测试样的三维应变；
所述测量方法包括以下步骤：
S101：识别所述第一虚像和第二虚像的基础像素特征；
S102：将所述基础像素特征划分并定义为多个应变子区域；
S103：采集所述被测试样的应变过程中和/或应变过程后，所述第一虚像和第二虚像中的像素特征，生成应变像素特征；
S104：自至少一部分所述应变子区域中分离出多个待计算区域；
S105：提取各所述待计算区域所对应区域的应变像素特征；
S106：将提取的各所述待计算区域所对应区域的应变像素特征，与所述基础像素特征进行比对，得到各所述待计算区域的运动步长；
S107：基于各所述运动步长，计算所述被测试样的全场应变。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述被测试样的外表面设置有规则排列的散斑；所述基础像素特征及应变像素特征均基于所述散斑获取。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S107中，计算所述计算所述被测试样的全场应变采用亚像素位移测量算法。
4.一种光路***，用于实现权利要求1-3之任一项所述的单目三维高速测量方法，其特征在于，包括：第一光源、第一反光镜、第二光源、第二反光镜和三角棱镜；
所述三角棱镜设置在所述第一反光镜与所述第二反光镜之间，前方放置被测试样；
所述第一光源设置在所述第一反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第一反射光线；
所述第二光源设置在所述第二反光镜远离所述三角棱镜的一侧，用于发射光线以在被测试样的表面产生第二反射光线；
所述第一反光镜用于将所述第一反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；
所述第二反光镜用于将所述第二反射光线反射到所述三角棱镜的第二镜面；
所述三角棱镜的第一镜面用于将所述第一反射光线形成所述被测试样对应的第一虚像，所述三角棱镜的第二镜面用于将所述第二反射光线形成所述被测试样对应的第二虚像。
5.根据权利要求4所述的光路***，其特征在于，所述光路***还包括单目采集单元，所述单目采集单元用于采集所述第一虚像和第二虚像。
6.根据权利要求5所述的光路***，其特征在于，所述光路***还包括：
第一调整装置，调整所述第一反光镜的位置和/或角度；
和/或，第二调整装置，调整所述第二反光镜的位置和/或角度；
和/或，第三调整装置，调整所述三角棱镜的位置和/或角度；
和/或，第四调整装置，调整所述单目测量单元的位置和/或角度。
7.根据权利要求4所述的光路***，其特征在于，所述光路***还包括三脚架连接装置；所述三脚架连接装置为所述光路***连接三脚架的接口。
8.根据权利要求4所述的光路***，其特征在于，所述三角棱镜的第一镜面与所述三角棱镜的第二镜面垂直。
9.根据权利要求4所述的光路***，其特征在于，所述光路***还包括：
应变处理设备，用于与实现所述亚像素位移测量算法。
10.一种标定方法，用于标定权利要求4-9之任一项所述的光路***，其特征在于：
所述S101前还包括以下步骤：
基于所述被测试样的三维特征，调整所述光路***，标定所述第一虚像和第二虚像。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
- 2021-12-17 CN CN202111551490.0A patent/CN114322812A/zh active Pending
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