基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法技术

本公开提供了一种基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，对图像函数进行二维连续S变换，得到窗函数振动频率，确定最佳匹配窗口的大小；用改进的自适应窗口傅里叶变换提取散斑干涉条纹图中每一点的横向条纹频率和纵向条纹频率；用HS光流算法评估两帧连续图像之间的运动矢量场，通过迭代的方法获得运动矢量场分量；根据光流场基本方程推导得到提取形变相位分布的基本模型；将获得的条纹频率和运动矢量场分量代入模型中，得到形变相位分布；克服了窗口尺寸固定的缺点，获得了精确度更高的条纹频率，在一定范围内较准确的测量形变相位的分布，不需要解包裹和适应微小形变检测，为测量全场形变相位和动态测量提供了新途径。

A Method for Extracting Phase Change of Speckle Interference Fringes Based on Improved Optical Flow Field Theory

【技术实现步骤摘要】
基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法
本公开涉及计算机的电子散斑干涉测量
，特别涉及一种基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法、计算机可读存储介质及计算机设备。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。电子散斑干涉(ElectronicSpecklePatternInterferometry，简称ESPI)技术是目前获得散斑干涉条纹图最主要的方法，被广泛的应用于光学粗糙表面的振动分析、形变和位移测量、无损检测、应变应力检测和轮胎检测等领域，是一种非破坏性的现代全场光学测量技术。高精度的提取散斑干涉条纹图的相位分布是应用ESPI技术的关键，无论是基于哪方面的应用，当得到散斑干涉条纹图后，都要对其进行分析和处理，将条纹解析为测量场内各点的位移量、形变量或相移量，进而求得各点的无损检测、振动分析和应变应力等所需要的信息。散斑干涉条纹图相位信息提取的实质是从条纹图的灰度分布中提取相位场定量的分布，由于干涉条纹图具有周期性分布、相位信号与噪声频谱混叠、相位是包裹的等与其他图像不同的特殊性，从而使散斑干涉条纹图的分析、处理方法大大不同于其他图像，经过多年的发展与研究，形成了自己相对独立的方法体系，从早期的手工分析到现在的自动处理，许多研究者做了大量干涉条纹图处理方法的研究，并取得了不少成果。散斑干涉条纹图相位信息提取的方法主要分为两类：基于条纹亮度分析的条纹中心法和基于时间与空间相位分析的相位法。基于条纹亮度分析的条纹中心法是基于提取条纹中心线的传统思想来实现的，通过检测散斑干涉条纹图上光强最强和最弱的位置，由于这些位置的相位信息具有特殊性，可以利用这些条纹中心位置的相位信息进行内插外延来获得全场位相；其主要处理步骤为条纹图预处理、条纹的中心检测、条纹图修整拟合、条纹级数定级和条纹级数插值，它是早期的条纹处理方法，也是相位测量技术出现之前的主流方法。基于时间与空间相位分析的相位法，通过对条纹图进行时间和空间的变换、相移，进而得到的相位分布，是目前应用最广泛的一大类方法；但其实验结果在大多时间是以包裹相位图的形式给出，想要获得全场的连续相位信息，需要进行去包裹处理，但由于各种噪声和散斑干涉条纹图本身特性的影响，去包裹运算比较困难，选择方法如果不合理，精确度就不能保证而且严重的会导致去包裹失败。条纹中心法则是条纹图像数字化自动分析处理的唯一可用方法，对由以前实验重现的条纹图像进行分析处理以及实验系统难以实现位相测量，即不能引入相移装置或引入相移的目的只是获得倍增条纹时，条纹中心法也是首要的实验结果处理方法，但这种方法将条纹中心线之间的大量有用信息舍弃了，又对条纹中心线进行了修正和拟合，因此获得的全场相位分布不够全面。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，通过连续的S变换保证了最佳窗口尺寸随着条纹频率的变化而自动调整，克服了窗口尺寸固定的缺点，可以获得精确度更高的条纹频率，从而可以在一定范围内较准确的测量形变相位的分布；同时本公开不需要解包裹和适应微小形变检测，为测量全场形变相位和动态测量提供了新途径。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：第一方面，本公开提供了一种基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法；基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，步骤如下：对图像函数进行二维连续S变换，得到窗函数振动频率，确定最佳匹配窗口的大小；用改进的自适应窗口傅里叶变换提取散斑干涉条纹图中每一点(x1,y1)的横向条纹频率fx1和纵向条纹频率fy1；用HS光流算法评估两帧连续图像之间的运动矢量场，通过迭代的方法获得运动矢量场分量u和v；根据光流场基本方程推导得到提取形变相位分布的基本模型；将获得的条纹频率和运动矢量场分量代入提取形变相位分布的基本模型中，得到形变相位分布。作为可能的一些实现方式，对图像函数I(x,y)在点(x1,y1)进行二维连续S变换，保证最佳窗口尺寸随着条纹频率的变化而自动调整，具体表达式为：当条纹的局部频率与相应尺度的窗函数振荡频率相同或相近时，其S变换的模相应较大，其S变换的模的最大值的位置的连线定义为S变换的脊，频率轴方向上脊所对应的窗函数横向振荡频率ft和纵向振荡频率fp的倒数就是最佳匹配窗口的大小。作为可能的一些实现方式，对图像函数I(x,y)在点(x1,y1)处对该图像函数做改进的自适应窗口傅里叶变化，表达式为：其中(ζ,η)为某点(x1,y1)对应的频域坐标；Sf(x1,y1,ζ,η)表示I(x,y)经过改进的自适应窗口傅里叶变换后获得的频域结果；g(x,y)表示窗口函数。作为进一步的限定，窗口函数g(x,y)的具体表达式为:其中h(x,y)表示高斯函数，ft为窗函数横向振荡频率，fp纵向振荡频率；(fx1,fy1)＝argmax(|Sf(x1,y1,ζ,η)|)；其中(fx1,fy1)表示使|Sf(x1,y1,ζ,η)|取最大值的(ζ,η)，也表示干涉条纹图中每一点的横向条纹频率和纵向条纹频率。作为可能的一些实现方式，所述HS光流算法包括一个全局平滑约束条件，约束项为：对于给定区域内所有的像素点，需满足上式的和最小；作为进一步的限定，结合基本光流方程和全局平滑约束条件，建立极小化方程：其中λ是全局平滑权重系数，表示全局约束条件项所占的权重；作为更进一步的限定，采用变分计算，根据欧拉方程得到：作为更进一步的限定，作为更进一步的限定，得到：其中，和表示u和v的均值，采用九点差分的格式进行计算，其中Ix，Iy，It分别为图像I对于x，y，t的偏导值，通过对该像素点进行一阶差分求得，根据迭代可以得到un+1和vn+1，即为两帧图像之间运动矢量场中的两个分量。作为可能的一些实现方式，光流场基本方程为：Ixu+Iyv+It＝0；其中Ix，Iy，It分别为图像I对于x，y，t的偏导值，u和v表示运动矢量场中的两个分量。作为进一步的限定，干涉条纹图表示为如下形式：其中：a(x,y,t)表示背景光强，b(x,y,t)表示干涉条纹图的幅度大小，表示干涉条纹图的相位分布信息，背景光强a(x,y,t)和条纹图幅度b(x,y,t)是常数；作为更进一步的限定，将I(x,y,t)在点(x1,y1)按一阶泰勒公式展开，基于光流场基本方程，同时忽略二阶及以上的高次项，将光流场基本方程表示为：用表示点(x1,y1)在非常短的时间Δt内相位的变化量；作为更进一步的限定，得到：其中，fx1表示点(x1,y1)处横向的条纹频率，fy1表示点(x1,y1)处纵向的条纹频率；作为更进一步的限定，点(x1，y1)处提取形变相位分布的基本模型为：第二方面，本公开提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本公开所述的基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法中的步骤。第三方面，本公开提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本公开所述的基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法中的步骤。与现有技术相比，本公开的有益效果是：1、本公开所述的方法通过模拟干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，其特征在于，步骤如下：对图像函数进行二维连续S变换，得到窗函数振动频率，确定最佳匹配窗口的大小；用改进的自适应窗口傅里叶变换提取散斑干涉条纹图中每一点的横向条纹频率和纵向条纹频率；用HS光流算法评估两帧连续图像之间的运动矢量场，通过迭代的方法获得运动矢量场分量；根据光流场基本方程推导得到提取形变相位分布的基本模型；将获得的条纹频率和运动矢量场分量代入提取形变相位分布的基本模型中，得到形变相位分布。

【技术特征摘要】
1.基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，其特征在于，步骤如下：对图像函数进行二维连续S变换，得到窗函数振动频率，确定最佳匹配窗口的大小；用改进的自适应窗口傅里叶变换提取散斑干涉条纹图中每一点的横向条纹频率和纵向条纹频率；用HS光流算法评估两帧连续图像之间的运动矢量场，通过迭代的方法获得运动矢量场分量；根据光流场基本方程推导得到提取形变相位分布的基本模型；将获得的条纹频率和运动矢量场分量代入提取形变相位分布的基本模型中，得到形变相位分布。2.如权利要求1所述的基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，其特征在于，对图像函数I(x,y)在点(x1,y1)进行二维连续S变换，保证最佳窗口尺寸随着条纹频率的变化而自动调整，具体表达式为：当条纹的局部频率与相应尺度的窗函数振荡频率相同或相近时，其S变换的模相应较大，其S变换的模的最大值的位置的连线定义为S变换的脊，频率轴方向上脊所对应的窗函数横向振荡频率ft和纵向振荡频率fp的倒数就是最佳匹配窗口的大小。3.如权利要求1所述的基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，其特征在于，对图像函数I(x,y)在点(x1,y1)处对该图像函数做改进的自适应窗口傅里叶变化，表达式为：其中(ζ,η)为某点(x1,y1)对应的频域坐标；Sf(x1,y1,ζ,η)表示I(x,y)经过改进的自适应窗口傅里叶变换后获得的频域结果；g(x,y)表示窗口函数。4.如权利要求3所述的基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，其特征在于，窗口函数g(x,y)的具体表达式为：其中h(x,y)表示高斯函数，ft为窗函数横向振荡频率，fp纵向振荡频率；(fx1,fy1)＝argmax(|Sf(x1,y1,ζ,η)|)；其中(fx1,fy1)表示使|Sf(x1,y1,ζ,η)|取最大值的(ζ,η)，也表示干涉条纹图中每一点的横向条纹频率和纵向条纹频率。5.如权利要求1所述的基于改进光流场理论提取散斑干涉条纹图形变相位的方法，其特征在于，所述HS光流算法包括一个全局平滑约束条件，约束项为：对于给定区域内所有的像素点，需满足上式的和最小，其中u和v代表...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛化梅，薛亚男，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37