一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法及二维光学数字图像相关引伸计技术

本发明专利技术公开了一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法及二维光学数字图像相关引伸计，属于或涉及非接触式光学测量领域。本发明专利技术为解决二维数字图像相关测量平板试件面内变形时，由于离面位移导致的误差问题，可用于平板试件面内变形的精确测量。本发明专利技术该方法主要基于补偿板的坐标变换，采集单帧图像即可实时获得补偿板的离面位移和转动信息，进而消除其对测量结果的影响，克服了传统测量方法误差过大或要求转角较小的问题，可以用于二维平板试件面内变形的实时测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于或涉及非接触式光学测量领域。具体来讲，本专利技术为解决二维数字图像相关测量平板试件面内变形时，由于离面位移导致的误差问题，提出了一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法二维光学数字图像相关引伸计。可用于平板试件面内变形的精确测量。
技术介绍
数字图像相关方法是上世纪80年代初发展的非接触式光学测量方法。该方法已广泛应用于工程测量。传统的二维数字图像相关必须保证相机的光轴和测量试件表面垂直，而且试件加载过程中的离面位移和转动会对二维数字图像相关造成很大的测量误差。然而，工程测量中，很难保证相机完全正对试件而且试件变形过程中经常发生离面运动和转动，这使得二维数字图像相关的测量精度不高。三维数字图像相关引入双目视觉原理，预先对左右相机进行标定，使用标定确定的世界坐标系统可以有效的解决试件离面运动带来的误差。但其实验装置更为复杂且昂贵，对没有经过专业培训的技术人员来说使用不方便。因此，提出一种能够不受上述条件影响的改进补偿方法的二维数字图像相关方法具有重大意义。常规的二维数字图像相关方法往往存在以下几个问题：(1)相机ccd靶面必须保证和测量试件平面完全平行，否则就会带来实验误差，而在实际操作中，很难保证完全平行(参考文献孟利波,金观昌,姚学锋.DSCM中摄像机光轴与物面不垂直引起的误差分析[J].清华大学学报:自然科学版,2006,46(11):1930-1932.)。(2)低成本的相机往往带有较大的相机镜头畸变，这在图像边缘处表现的更为明显(参考文献PanB,YuL,WuD,etal.Systematicerrorsintwo-dimensionaldigitalimagecorrelationduetolensdistortion[J].Opticsandlasersinengineering,2013,51(2):140-147.)。(3)试件加载过程中难以避免的会发生刚体的离面平动和转动，这个是在加载中难以避免的，而这种平动转动带来的等效应变会影响实验精度(参考文献SuttonMA,YanJH,TiwariV,etal.Theeffectofout-of-planemotionon2Dand3Ddigitalimagecorrelationmeasurements[J].OpticsandLasersinEngineering,2008,46(10):746-757.)。而三维数字图像相关虽然能够解决上述问题，但其有以下缺点：(1)高成本性，需要使用两个相机。(2)易受干扰，两个相机必须保持相对位置不变，这导致在很多实验中需要重复标定，非常的耗费时间。(3)复杂环境中不允许放置标定板标定，这样就要求提前标定然后让相机保持相对位置不变移至测量环境中来，这样很容易导致相机相对位置变化造成测量误差。(4)使用操作比二维数字图像相关复杂很多，操作人员需要有高难度知识背景，不方便。新的方法中引入了在加载过程中和试件保持粘连却不受力的补偿版，补偿版上的标记点首先能够体现出ccd靶面和测量平面的平行状况，其次在试件加载过程中，补偿版跟随其做刚体的平动转动但不发生变形，通过补偿版上标记点的位移信息可以计算出平动和转动量，这样可以将这平动和转动量补偿回试件上得到了更为准确的结果。换句话来说，相当于求得了相对于补偿版试件的位移状况。另外因为预先估计了畸变，并在计算中给与了消除，可以降低畸变对测量的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是：本专利技术提出了一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法，该方法主要基于补偿板的坐标变换，采集单帧图像即可实时获得补偿板的离面位移和转动信息，进而消除其对测量结果的影响，克服了传统测量方法误差过大或要求转角较小的问题，可以用于二维平板试件面内变形的实时测量。本专利技术采用的技术方案为：一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法，该方法步骤如下：步骤(1)、进行实验测量前，需要固定好相机以及待测平面试件，相机可以不垂直正对待测平面试件，相机镜头光轴与待测平面试件法线夹角在30度以内，需要保证待测平面试件表面散板成像不虚焦并且待测平面试件处在成像中心处；步骤(2)、利用标定板对相机进行标定，相机标定后可以获得相机本身的内参以及相机畸变；步骤(3)、在待测平面试件表面粘连补偿板，补偿板一端应采用固定粘连手段保证不会脱落，补偿板另一端采用软粘连手段，只要保证其与试件贴合即可，在待测平面试件变形过程中，软粘连端会脱落；补偿板粘连完成后，可对待测平面试件进行加载，相机在加载过程中采集图像；补偿板为硬质薄平板，补偿板采用不易变形的材料，补偿板厚度保证在2mm以内，补偿板表面需要粘贴八个已知相对位置的编码点；步骤(4)、先使用数字图像相关方法获得一系列图中的匹配点，然后需要对匹配点进行映射，利用步骤(2)获得相机本身的内参及相机畸变，结合补偿板上的编码点以及编码点采集图像中像素坐标获得待测平面试件表面相对于补偿板的物理位置信息，再利用补偿算法获得的物理坐标进行应变的计算。具体的，补偿算法具体如下：1)编码点识别通过编码点识别算法可以获取补偿板上编码点中心像素坐标(xsi,ysi)(i＝1-8)；备注：补偿版上使用常规原点或者散斑图也可以进行计算，使用常规原点需要在对其中心进行识别的同时需要对其进行排序，使用散斑图需要提前在其上选择足够多的参考点并使用三维数字图像相关之类的光学测量方法提前获得其相对位移。2)畸变修正算法：图像中任何一点的像素坐标(xs,ys)，都可以通过内参和畸变修正获得无畸变像素坐标，y″＝(ys-cy)/fyx″＝(xs-cx-fsy″)/fxr2＝x″2+y″2xnodis＝cx+fxx′+fsy′ynodis＝cy+fyy′其中fx,fy,fs,cx,cy为相机内参参数，k1,k2,p1,p2,k3,k4,k5,k6为相机畸变参数，x″,y″,x′,y′,r为中间参数，(xnodis,ynodis)为消除畸变后的像素坐标。3)补偿板相对于相机的空间平动转动计算：已知：(Xi,Yi)(i＝1-8)，根据补偿板上的打印信息可以知道标记点的物理坐标；(xsi,ysi)(i＝1-8)，根据编码点识别算法可以知道每幅图上编码点的像素坐标；相机内参和畸变fx,fy,fs,cx,cyk1,k2,p1,p2,k3,k4,k5,k6，根据相机标定可以获得相机的内参和畸变；求解：外参转动矩阵R，平移矩阵T；求解过程：将世界坐标系建立在补偿版上第一个标记点处，由相机标定模型易知世界坐标到图像像素坐标的映射方程：世界坐标原点建立在补偿版平面上，xy平面和补偿版平面重合，世界坐标系和相机轴心坐标系形成R,T转动平移关系，其中R为三个自由度的外参转动矩阵：T为三个自由度的外参平移矩阵：(X,Y,Z)为世界坐标系下的空间点，(xs,ys)为其对应的图像上的点，α为辅助参数。由于补偿版本身是平板因此Z＝0，所以可得：令：可得：变换后得：通过八组数据，令h33＝1，可以获得H矩阵，然后可以得到外参：r1＝λA-1h1r2＝λA-1h2r3＝r1×r2t＝λA-1h3λ＝1/|A-1h1|＝1/|A-1h2|在使用图像坐标前，需要先使用第二部分中提到的畸变修正算法，对图像坐标先进行畸变修正，再进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法，其特征在于：该方法步骤如下：步骤(1)、进行实验测量前，需要固定好相机以及待测平面试件，相机可以不垂直正对待测平面试件，相机镜头光轴与待测平面试件法线夹角在30度以内，需要保证待测平面试件表面散板成像不虚焦并且待测平面试件处在成像中心处；步骤(2)、利用标定板对相机进行标定，相机标定后可以获得相机本身的内参以及相机畸变；步骤(3)、在待测平面试件表面粘连补偿板，补偿板一端应采用固定粘连手段保证不会脱落，补偿板另一端采用软粘连手段，只要保证其与试件贴合即可，在待测平面试件变形过程中，软粘连端会脱落；补偿板粘连完成后，可对待测平面试件进行加载，相机在加载过程中采集图像；补偿板为硬质薄平板，补偿板采用不易变形的材料，补偿板厚度保证在2mm以内，补偿板表面需要粘贴八个已知相对位置的编码点；步骤(4)、先使用数字图像相关方法获得一系列图中的匹配点，然后需要对匹配点进行映射，利用步骤(2)获得相机本身的内参及相机畸变，结合补偿板上的编码点以及编码点采集图像中像素坐标获得待测平面试件表面相对于补偿板的物理位置信息，再利用补偿算法获得的物理坐标进行应变的计算。...

【技术特征摘要】
1.一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法，其特征在于：该方法步骤如下：步骤(1)、进行实验测量前，需要固定好相机以及待测平面试件，相机可以不垂直正对待测平面试件，相机镜头光轴与待测平面试件法线夹角在30度以内，需要保证待测平面试件表面散板成像不虚焦并且待测平面试件处在成像中心处；步骤(2)、利用标定板对相机进行标定，相机标定后可以获得相机本身的内参以及相机畸变；步骤(3)、在待测平面试件表面粘连补偿板，补偿板一端应采用固定粘连手段保证不会脱落，补偿板另一端采用软粘连手段，只要保证其与试件贴合即可，在待测平面试件变形过程中，软粘连端会脱落；补偿板粘连完成后，可对待测平面试件进行加载，相机在加载过程中采集图像；补偿板为硬质薄平板，补偿板采用不易变形的材料，补偿板厚度保证在2mm以内，补偿板表面需要粘贴八个已知相对位置的编码点；步骤(4)、先使用数字图像相关方法获得一系列图中的匹配点，然后需要对匹配点进行映射，利用步骤(2)获得相机本身的内参及相机畸变，结合补偿板上的编码点以及编码点采集图像中像素坐标获得待测平面试件表面相对于补偿板的物理位置信息，再利用补偿算法获得的物理坐标进行应变的计算。2.根据权利要求1所述的一种基于坐标变换的二维数字图像相关补偿方法，其特征在于：步骤(4)中补偿算法具体如下：1)编码点识别通过编码点识别算法可以获取补偿板上编码点中心像素坐标(xsi,ysi)(i＝1-8)；其中，补偿版上使用常规原点或者散斑图也可以进行计算，使用常规原点需要在对其中心进行识别的同时需要对其进行排序，使用散斑图需要提前在其上选择足够多的参考点并使用三维数字图像相关之类的光学测量方法提前获得其相对位移；2)畸变修正算法：图像中任何一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，吕泽乾，徐小海，苏勇，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34