本发明专利技术提出一种BSL 3D DIC系统中双棱镜缺陷误差的修正方法，包括：将标定板放置在测量系统的视场内，调整其位置和姿态，采集标定板的错位图像，其中，测量系统包括双棱镜、双远心镜头及一台CMOS相机；从测量系统中移除双棱镜；采集直接观测标定板时的图像；根据标定板的错位图像和直接观测时的图像计算错位前后对应角点的像素坐标；根据直接观测时角点的像素坐标进行镜头畸变标定及修正；构建最小二乘函数，并根据最小二乘函数利用错位前后对应角点的像素坐标对双棱镜主方向角进行标定；将标定结果输入修正数学模型以对双棱镜缺陷误差进行修正。本发明专利技术能够对BSL 3D DIC系统中双棱镜误差进行修正，提高系统的测量准确度。
【技术实现步骤摘要】
[00011本专利技术涉及光测实验力学及三维数字图像
，特别涉及一种BSL3DDIC系 统中双棱镜缺陷误差的修正方法。
技术介绍
三维数字图像相关方法(3DDigitalImageCorrelation，3DDIC)是实验力学领 域中的一种重要的非接触全场变形测量方法。传统3DDIC使用至少两个图像采集设备(如 CCD或CMOS相机）同时对试样表面的测试区域进行观察，并通过双目（或者多目）视觉原理获 得被测物体的表面三维形貌以及空间位移。较二维数字图像相关方法（2DDIC)而言，3D DIC应用范围更广阔。然而，传统3DDIC测量光路中的各个相机之间需要充足的距离以获得 不同视角的测试图像，实验装置集成度较低;为了获得可靠的测量结果，实验时需要对相机 的内部和外部参数进行精确标定;此外，相机性能的差异、实验时图像采集的同步程度等因 素都会影响测量结果的准确度。以上因素都不同程度地限制了3DDIC方法的应用和发展。 作为3DDIC方法的发展，基于双棱镜的单相机三维数字图像相关方法(Bi-prism-basedSingleLens3DDigitalImageCorrelation，BSL3DDIC) 通过在相机前放置双 棱镜，使用单个相机即可实现三维测量，大大提高了3DDIC测试系统的集成度。针对BSL3D DIC方法中的三维重构问题，目前相关的研究提供了多种方法，如:K.Genovese等通过标定 和像差修正实现三维形貌的重构（K.Genovese，L.Casaletto，J.A.Rayas，V.Flores, A.Martinez,OpticsandLasersinEngineering51,278-285,2013) 〇该方法不依赖于系 统的成像模型，但是对标定结果的要求较高，实验过程相对复杂。另外，L.F.Wu等将双棱镜 视为独立的光学元件，很据其构型和光学参数，提出了一种描述棱镜成像规律的数学模型， 大大降低了实验标定的难度（L.F.Wu,J.G.Zhu，H.M.Xie,MeasurementScienceand Technology25,115008,2014)。在此基础上，L.F.Wu等利用双远心镜头，进一步简化了上述 数学模型，降低了模型误差，提高了BSL3DDIC方法的测量精度（L.F.Wu，J.G.Zhu， H.M.Xie，AppliedOptics54(26),2015)。尽管如此，目前相关的研究中都默认双棱镜的构型是理想的，即双棱镜的棱边垂 直于其横截面且与后表面平行，如图1(a)所示。然而，受到加工过程中对准精度的限制，实 际使用的双棱镜大多是有缺陷的，这种缺陷可根据其棱边与后表面的相对位置分为面内偏 转，如图1(b)所示，离面偏转，如图1(c)所示，以及混合偏转，如图1(d)所示，其中混合偏转 是最为普遍的情况。作为BSL3DDIC系统中重要的光学元件，双棱镜的几何构型直接影响 着该系统的测量准确度，特别是通过数学模型进行三维重构时，必须对这一误差进行校正。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。 为此，本专利技术的一个目的在于提出一种BSL3DDIC系统中双棱镜缺陷误差的修正 方法，该方法能够对双棱镜缺陷误差进行修正，提高BSL3DDIC系统的测量准确度。 为了实现上述目的，本专利技术的实施例提出了一种BSL3DDIC系统中双棱镜缺陷误 差的修正方法，包括以下步骤:S1:构建测量系统，并将标定板放置在所述测量系统的视场 内，并调整所述标定板的位置和姿态直至所述标定板成像清晰，并采集所述标定板的错位 图像，其中，所述测量系统包括双棱镜、双远心镜头和一台CMOS相机;S2:从所述采集系统中 移除所述双棱镜;S3:采集直接观测所述标定板时的图像;S4:根据所述标定板的错位图像 和直接观测所述标定板时的图像计算错位前后对应角点的像素坐标;S5:根据直接观测所 述标定板时角点的像素坐标进行镜头畸变标定及修正;S6:构建最小二乘函数，并根据所述 最小二乘函数利用错位前后对应角点的像素坐标对双棱镜主方向角进行标定；以及S7:构 建修正数学模型，将双棱镜主方向角的标定结果输入所述修正数学模型以对双棱镜缺陷误 差进行修正。 另外，根据本专利技术上述实施例的BSL3DDIC系统中双棱镜缺陷误差的修正方法还 可以具有如下附加的技术特征：在一些示例中，所述标定板为一块棋盘格标定板，所述棋盘格标定板的方格边长 为1·6mm〇 在一些示例中，所述从所述采集系统中移除所述双棱镜，进一步包括:移除双棱镜 前后的相机及所述双远心镜头，并保持所述标定板的位置不变。 在一些示例中，所述步骤S5进一步包括:判断镜头畸变的程度是否高于畸变阈值； 如果镜头畸变的程度高于所述畸变阈值，则移动所述标定板至不同位置，并采集对应图像， 以使角点最大程度地遍布所述对应图像的所有区域;计算各个图像中各个角点的像素坐 标，并拟合镜头畸变函数;根据所述镜头畸变函数对每个像素坐标进行修正。 在一些示例中，所述镜头畸变函数为：其中，δχ、δγ*别为图像水平、竖直方向的畸变场，（Xu，yu)为无畸变像素坐标， Γ2 = 4 + }/|.山、1?、1?、1^4、1^5、？()、？1、？2、？3、8()、81、82、83为标定获得的畸变参数。在一些示例中，如果所述镜头畸变的程度低于畸变阈值，则不进行镜头畸变标定 及修正。在一些示例中，在所述步骤S6中，所述最小二乘函数为： 其中，Θ+和Γ双棱镜主方向角的标定结果，所述Θ+和r使得LSFjPLSF2取得极小值。 在一些示例中，所述修正数学模型为：其中，α+和cT分别表示双棱镜两侧楔形镜的楔角，A+和f是与双棱镜楔角α+和cT以 及折射率η有关的参量。在一些示例中，其中，在一些示例中，所述步骤S7进一步包括:将Θ+和(Γ代入修正数学模型中，并结合通 过DIC运算匹配的被测物体错位图像中的像点对像素坐标求解对应物点的空间坐标，并进 行后续的三维形貌重构。根据本专利技术实施例的BSL3DDIC系统中双棱镜缺陷误差的修正方法，引入了双棱 镜主方向的概念，将存在加工缺陷的双棱镜等效为两个主方向与参考坐标系分别成一定夹 角的楔形棱镜;并利用楔形棱镜成像时，图像不沿着棱镜轴向发生错位这一特征，通过标定 双棱镜主方向，进行误差修正；另外，双棱镜主方向标定过程与实验测量过程相互独立、互 不干扰，在完成标定后可进行后续的镜头畸变标定;进一步地，利用修正数学模型，在三维 重构的过程中即可实现系统误差的修正。该方法能够对双棱镜缺陷误差进行修正，提高系 统的测量准确度。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本专利技术的实践了解到。【附图说明】本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：图1是目前双棱镜加工缺陷的几种形式示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的BSL3DDIC系统中双棱镜缺陷误差的修正方法的 流程图；图3是根据本专利技术一个实施例的存在加工缺陷的双棱镜的等效示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的基于双棱镜和双远心镜头的单相机3DDIC系统的 俯视图；图5是根据本专利技术一个实施例的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种BSL 3D DIC系统中双棱镜缺陷误差的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建测量系统，并将标定板放置在所述测量系统的视场内，并调整所述标定板的位置和姿态直至所述标定板成像清晰，并采集所述标定板的错位图像，其中，所述测量系统包括双棱镜、双远心镜头和一台CMOS相机；S2：从所述测量系统中移除所述双棱镜；S3：采集直接观测所述标定板时的图像；S4：根据所述标定板的错位图像和直接观测所述标定板时的图像计算错位前后对应角点的像素坐标；S5：根据直接观测所述标定板时角点的像素坐标进行镜头畸变标定及修正；S6：构建最小二乘函数，并根据所述最小二乘函数利用错位前后对应角点的像素坐标对双棱镜主方向角进行标定；以及S7：构建修正数学模型，将双棱镜主方向角的标定结果输入所述修正数学模型以对双棱镜缺陷误差进行修正。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢惠民，吴立夫，朱建国，周幪幪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。