本发明专利技术公开一种基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，将物体位移前、后的数字散斑图分别进行傅里叶变换，并将它们的傅里叶变换相除得到一个二维复数，然后计算该二维复数的相位角，通过对该相位角作余弦运算可得到等效杨氏干涉图，对杨氏干涉图作傅里叶变换，通过查找该傅里叶变换功率谱除零频以外最大值的坐标，可以得到面内位移量的大小，根据相位角梯度的正负可以判断物体的位移方向，该算法的衍生算法还可以实现亚像素的位移量计算；本发明专利技术克服传统算法步骤繁琐、运算量大、不便操作，特别是能够检测的散斑场最小移动量要大于等于散斑颗粒的平均直径，不能实现亚像素检测，而且无法确定物体位移方向的缺点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用数字散斑照相测量物体面内位移量大小的算法，具体地说是一种基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，属于光学检测领域。
技术介绍
利用数字散斑可以得到物体的面内位移量，作为一种光学测量的手段，因其具有非接触和高灵敏度等优点，已经在众多领域得到广泛的应用，但传统的处理算法是对位移前、后的数字散斑图在空域进行像素的相加或相减得到合成散斑图，再通过对合成散斑图作傅里叶变换，然后对得到的图像(傅里叶变换的功率谱)作滤波除噪、图像增强、二值化和条纹细化处理，最后进行条纹间距提取从而得到移动量，传统算法直接使用光强信息(傅里叶变换的功率谱)，只可以检测的散斑场最小移动量要求大于(至少等于)散斑颗粒的平均直径，也不能实现亚像素检测，而且无法确定散斑位移方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有传统算法的缺点，提供一种基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，按以下步骤进行：(1)记录物体移动前后的两幅数字散斑图像f1(x,y)和f2(x,y)，并分别进行傅里叶变换，得到各自的傅里叶变换频谱F1(u,v)、F2(u,v)；(2)用F1(u,v)除以F2(u,v)，记为U(u,v)，U(u,v)是一个二维复数，并计算U(u,v)的相位角(3)对相位角作余弦运算，得到等效杨氏干涉条纹，记为I(u,v)，即：(4)将I(u,v)进行傅里叶变换，得到I(u,v)的傅里叶变换频谱FI(ζ,η)，测量FI(ζ,η)零频以外最大值的位置坐标，再乘以像素间距即得到物体面内位移的大小。本专利技术所述亚像素散斑位移量计算方法，具体步骤如下：(1)记录物体移动前后的两幅数字散斑图像f1(x,y)和f2(x,y)，并分别进行傅里叶变换，得到各自的傅里叶变换频谱F1(u,v)、F2(u,v)；(2)用F1(u,v)除以F2(u,v)，记为U(u,v)，计算U(u,v)的n次幂，记为Un(u,v)，n为任意正整数，即：Un(u,v)＝U(u,v)×U(u,v)×……×U(u,v)，再计算Un(u,v)的相位角(3)对相位角作余弦运算，得到等效杨氏干涉条纹，记为In(u,v)，即：(4)将In(u,v)进行傅里叶变换，得到In(u,v)的傅里叶变换频谱FIn(ζ,η)，测量FIn(ζ,η)零频以外最大值的位置坐标，除以n，再乘以像素间距即得到物体面内移动的位移量。本专利技术通过计算步骤(2)所述相位角的梯度和的正负来判断散斑的移动方向，即根据梯度的正、负就可以判断散斑是向坐标轴的正向还是负向移动。以上所述x和y分别表示散斑图的横向和纵向坐标，u和v分别表示散斑图傅里叶变换后横向和纵向的频率，ζ和η分别表示等效杨氏干涉条纹频谱的横向和纵向的坐标。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术最小可检测散斑移动量小于散斑尺寸，与散斑尺寸无关，能实现亚像素检测，并能准确判断散斑位移方向，从而判断物体面内位移方向。(2)本专利技术算法简单，便于实现。附图说明图1是本专利技术计算流程示意图；图2是本专利技术实施例1采集数字散斑图(激光散斑)的光路图；图3是本专利技术实施例1记录的数字散斑图f1(x,y)(局部，200×200像素)；图4是本专利技术实施例1的相位图(局部，400×400像素)；图5是本专利技术实施例1的等效杨氏干涉条纹图I(ζ,η)(局部，400×400像素)；图6是本专利技术实施例1杨氏干涉条纹的频谱图FI(ζ,η)(局部，400×400像素)；图7是本专利技术实施例1相位的剖线(局部400行)；图8是本专利技术实施例1的FI(ζ,η)和FI5(ζ,η)剖线(局部200行)；图9是本专利技术实施例2采集数字散斑图(白光散斑)的光路图；图10是本专利技术实施例2记录的白光数字散斑图f1(x,y)；图11是本专利技术实施例2记录的白光数字散斑图f2(x,y)；图12是本专利技术实施例2计算得到的位移分布图；图13是本专利技术实施例2计算得到的位移分布叠加到白光数字散斑图上的效果；图14是本专利技术实施例2得到的位移分布的局部放大图(对应图13中白色线框部分)；图中：1-激光器，2-计算机，3-分束镜，4-可移动物体砂纸，5-CMOS摄像机，6-迈克尔逊干涉仪，7-加力器的触杆，8-受力物体海绵，9-数码相机。具体实施方式下面结合附图和实施实例，对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的内容不限于所述范围，未详细叙述内容为现有常规技术。实施例1本实施例所述基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，用于计算砂纸的面内位移，光路和相关实验设备如图2，激光器1(YAG激光器，波长λ＝533nm)发出的激光束通过分束镜3直接照射到砂纸4上，反射光被分束镜3反射到CMOS摄像机5(分辨率为1744×1308像素，像元间距为3.2μm×3.2μm)上形成散斑，光强转换为电信号传到计算机2中保存下来，得到数字散斑图，由于砂纸与迈克尔逊干涉仪6(照明光为He-Ne激光，波长λ0＝633nm)相连，所以砂纸4的面内位移量可以精确测得，可以用CCD摄像机代替CMOS摄像机5，图1所示的算法的流程图，按以下步骤进行：(1)利用上述实验装置先记录一幅砂纸移动前的数字散斑图f1(x,y)，如图3，可以看到，由于激光束未经扩散直接照射砂纸，散斑颗粒的尺寸很大，已经远远大于CMOS摄像机5的单个像元尺寸，为方便观察，图3给出了散斑图的局部(200×200像素)，接着旋转迈克尔逊干涉仪6的棘轮，带动砂纸4移动，记录移动后的数字散斑图f2(x,y)，在计算机2中计算f1(x,y)和f2(x,y)的傅里叶变换，分别得到傅里叶变换频谱F1(u,v)和F2(u,v)，其中x和y分别表示散斑图的横向和纵向坐标，u和v分别表示散斑图傅里叶变换后横向和纵向的频率，下同；(2)将F1(u,v)与F2(u,v)相除得到U(u,v)，U(u,v)是一个二维复数，并计算U(u,v)的相位角如图4所示(局部，400×400像素)；(3)对相位角取余弦运算，得到等效杨氏干涉条纹I(u,v)，即：如图5所示(局部，400×400像素)，可以看到条纹的对比度很好；(4)再对I(u,v)作傅里叶变换，得到I(u,v)的傅里叶变换频谱FI(ζ,η)，其中ζ和η分别表示等效杨氏干涉条纹频谱的横向和纵向的坐标，下同，如图6所示(给出的是以零频为中心的局部，400×400像素)，这里给出了FI(ζ,η)剖线(局部，200行)，结果如图8实线所示，剖线位置如图6中的白色虚线，测量FI(ζ,η)零频以外最大值的位置坐标，即可得到砂纸面内的位移，结合图示，可以看到FI(ζ,η)除零频以外最大值的坐标为11，得到的散斑位移量为11个像素，即砂纸面内的位移为11×3.2μm＝35.2μm。按照产生亚像素散斑照相面内位移量计算，具体步骤如下：(1)记录物体移动前后的两幅数字图像f1(x,y)和f2(x,y)，并分别进行傅里叶变换，得到各自的傅里叶变换频谱F1(u,v)、F2(u,v)，其中x和y分别表示散斑图的横向和纵向坐标，u和v分别表示散斑图傅里叶变换后横向和纵向的频率；(2)用F1(u,v)除以F2(u,v)，记为U(u,v)，计算U(u,v)的5次幂，得到一个二维复数，记为U5(u,v)，即：U5(u,v)＝U(u,v)×U(u,v)×U(u,v)×U(u,v)×U(u,v)，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，其特征在于，按以下步骤进行：(1)记录物体移动前后的两幅数字散斑图像f1(x,y)和f2(x,y)，分别进行傅里叶变换，得到各自的傅里叶变换频谱F1(u,v)、F2(u,v)；(2)用F1(u,v)除以F2(u,v)，记为U(u,v)，并计算U(u,v)的相位角(3)对相位角作余弦运算，得到等效杨氏干涉条纹，记为I(u,v)，即：(4)将I(u,v)进行傅里叶变换，得到I(u,v)的傅里叶变换频谱FI(ζ,η)，测量FI(ζ,η)零频以外最大值的位置坐标，再乘以像素间距即得到面内位移的大小；其中x和y分别表示散斑图的横向和纵向坐标，u和v分别表示散斑图傅里叶变换后横向和纵向的频率，ζ和η分别表示等效杨氏干涉条纹频谱的横向和纵向的坐标。
【技术特征摘要】
1.一种基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，其特征在于，按以下步骤进行：(1)记录物体移动前后的两幅数字散斑图像f1(x,y)和f2(x,y)，分别进行傅里叶变换，得到各自的傅里叶变换频谱F1(u,v)、F2(u,v)；(2)用F1(u,v)除以F2(u,v)，记为U(u,v)，并计算U(u,v)的相位角(3)对相位角作余弦运算，得到等效杨氏干涉条纹，记为I(u,v)，即：(4)将I(u,v)进行傅里叶变换，得到I(u,v)的傅里叶变换频谱FI(ζ,η)，测量FI(ζ,η)零频以外最大值的位置坐标，再乘以像素间距即得到面内位移的大小；其中x和y分别表示散斑图的横向和纵向坐标，u和v分别表示散斑图傅里叶变换后横向和纵向的频率，ζ和η分别表示等效杨氏干涉条纹频谱的横向和纵向的坐标。2.根据权利要求1所述基于傅里叶变换相位的散斑照相面内位移量算法，其特征在于，亚像素散斑位移量计算方法，具体步骤如下：(1)记录物体移动前后的两幅数字散斑图像f1(x,...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱晓凡，荣文秀，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53
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