物体表面变形场的测量方法、系统和计算机设备技术方案

本申请提出一种物体表面变形场的测量方法、系统、设备和存储介质。其中，方法包括：确定初始场景下被测物体表面的多个标识点的第一初始空间三维坐标和被测物体表面的散斑区域内所有点的第二初始空间三维坐标；确定目标场景下每个标识点的第一变形空间三维坐标和散斑区域内所有点的第二变形空间三维坐标；根据每个标识点的第一初始空间三维坐标和第一变形空间三维坐标，计算被测物体刚体位移前后的坐标变换矩阵；根据散斑区域内所有点的第二变形空间三维坐标和坐标变换矩阵，计算散斑区域内所有点消除刚体位移后的三维坐标；根据散斑区域内所有点消除刚体位移后的三维坐标和散斑区域内所有点的第二初始空间三维坐标，获得被测物体表面的变形场。被测物体表面的变形场。被测物体表面的变形场。

【技术实现步骤摘要】
物体表面变形场的测量方法、系统和计算机设备


[0001]本申请涉及光学测量
，尤其涉及一种物体表面变形场的测量方法、系统、计算机设备和计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]三维数字图像相关技术(以下简称3D
‑
DIC)以双目立体视觉为基础，通过匹配被测物体变形前后表面的散斑图像，实现对其表面变形场和应变场的全过程测量。该技术目前主要应用于大、中型结构的全场形变、应变、位移、振幅、模态等物理信息量的测量。使用三维数字图像相关技术进行表面变形场测量时，如果被测物体发生刚体位移(如被测物体的空间位置发生了变换)，则测量值会将刚体位移值累加进去，造成测量结果误差增大。刚体位移越大误差越大。

技术实现思路

[0003]本申请的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0004]为此，本申请的第一个目的在于提出一种物体表面变形场的测量方法，以实现物体表面变形场的精准测量，提高测量结果的准确性。
[0005]本申请的第二个目的在于提出一种物体表面变形场的测量系统。
[0006]本申请的第三个目的在于提出一种计算机设备。
[0007]本申请的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
[0008]为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种物体表面变形场的测量方法，包括：
[0009]确定初始场景下被测物体表面的多个标识点的第一初始空间三维坐标和所述被测物体表面的散斑区域内所有点的第二初始空间三维坐标；其中，所述初始场景为所述被测物体表面未发生变形的场景；
[0010]确定目标场景下每个所述标识点的第一变形空间三维坐标和所述散斑区域内所有点的第二变形空间三维坐标；其中，所述目标场景为所述被测物体表面发生变形后的场景；
[0011]根据每个所述标识点的第一初始空间三维坐标和第一变形空间三维坐标，计算所述被测物体刚体位移前后的坐标变换矩阵；
[0012]根据所述散斑区域内所有点的第二变形空间三维坐标和所述坐标变换矩阵，计算所述散斑区域内所有点消除刚体位移后的三维坐标；以及
[0013]根据所述散斑区域内所有点消除刚体位移后的三维坐标和所述散斑区域内所有点的第二初始空间三维坐标，获得所述被测物体表面的变形场。
[0014]为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种物体表面变形场的测量系统，包括：
[0015]摄像机，用于采集被测物体变形前后表面的散斑图像，并将采集到的散斑图像发
送给测量装置；
[0016]测量装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，实现本申请第一方面实施例所述的物体表面变形场的测量方法。
[0017]为达上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种计算机设备，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，实现本申请第一方面实施例所述的物体表面变形场的测量方法。
[0018]为了实现上述目的，本申请第四方面实施例提出了一种非临时性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申请第一方面实施例所述的物体表面变形场的测量方法。
[0019]根据本申请实施例的技术方案，通过在被测物边缘刚性较强的位置增加特殊标识，通过对标识点三维坐标的迭代运算推导出被测物刚体平移前后的坐标转换关系(坐标变换矩阵)，这一转换关系同样适用于散斑区域的散斑点的移动轨迹。之后让变形后的散斑点坐标乘以坐标变换矩阵就得到了消除刚体位移后散斑点的三维坐标，最后再通过变形前后散斑点三维坐标的差算得变形场。由此，通过增加特殊标识点，实现了3D
‑
DIC变形场测量过程中刚体位移的消除，提高了测量结果的准确性；并利用算出的坐标变换矩阵，可以对待测图像进行放射变换得到不包含刚体位移的图像信息，让一些原本无法匹配的图像可以匹配。
[0020]本申请附加的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，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0021]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0022]图1为本申请实施例所提供的一种物体表面变形场的测量方法的流程图；
[0023]图2为本申请实施例的相机坐标系和世界坐标系的对应关系示意图；
[0024]图3为根据本申请实施例的物体表面变形场的测量方法的流程图；
[0025]图4为本申请实施例的被测物表面相机视场内标识点的布置示意图；
[0026]图5为本申请实施例的被测物体发生刚体位移变化的示意图；
[0027]图6为本申请实施例提供的一种物体表面变形场的测量系统的结构示意图；以及
[0028]图7是根据本申请实施例提供的一种计算机设备的结构框图。
具体实施方式
[0029]下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[0030]三维数字图像相关技术(以下简称3D
‑
DIC)由于其非接触、全场化的测量方式，与其他光测方法相比，具有自动化、通用性、抗干扰能力强等优点，广泛应用于多领域多种材料的力学性能测试。3D
‑
DIC的主要原理是通过双目成像，获取被测物体表面某点在左右相
机中的像素差(视差)，利用相机的内、外参矩阵计算出该点的世界坐标，进而比较散斑点在变形前后的世界坐标差值就可以算得散斑区域在空间中的变形场。这种测量方式要求整个过程中被测物体不发生空间位置的移动，否则会直接影响最终测量结果的准确性。但是在一些特殊的应用场景，如外界环境温度变化剧烈、外部振动、气压变化、结构频繁动作等，都会导致刚体位移的出现。
[0031]S
测量
＝S
变形
+W
刚体位移
ꢀꢀ
(1)
[0032]如上面公式(1)所示，要消除刚体位移带来的误差就需要从测量结果中减去刚体位移的大小。现有的解决方案一种是通过增加额外的位移传感器测得刚体位移大小，然后从结果中减去传感器数值，缺点就是误差大且无法考虑到被测物在三个方向的旋转造成的误差。另外一种比较典型的方法是通过在散斑区域选择一个或多个散斑点，通过对已选点进行曲面拟合得到一个固定的参考曲面，之后通过不断更新这个参考曲面的位置，计算散斑场与参考曲面的差值从而算出变形值。这种方法的最大缺点在于参考曲面是随着变形而不断变化的，使用单一参考曲面在小变形的情况下表现良好，一旦发生大变形误差就会随之增大。
[0033]为此，本申请提出了一种物体表面变形场的测量方法、系统、计算机设备和存储介质。本申请通过在被测物上增加多个特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物体表面变形场的测量方法，其特征在于，包括：确定初始场景下被测物体表面的多个标识点的第一初始空间三维坐标和所述被测物体表面的散斑区域内所有点的第二初始空间三维坐标；其中，所述初始场景为所述被测物体表面未发生变形的场景；确定目标场景下每个所述标识点的第一变形空间三维坐标和所述散斑区域内所有点的第二变形空间三维坐标；其中，所述目标场景为所述被测物体表面发生变形后的场景；根据每个所述标识点的第一初始空间三维坐标和第一变形空间三维坐标，计算所述被测物体刚体位移前后的坐标变换矩阵；根据所述散斑区域内所有点的第二变形空间三维坐标和所述坐标变换矩阵，计算所述散斑区域内所有点消除刚体位移后的三维坐标；以及根据所述散斑区域内所有点消除刚体位移后的三维坐标和所述散斑区域内所有点的第二初始空间三维坐标，获得所述被测物体表面的变形场。2.根据权利要求1所述的物体表面变形场的测量方法，其特征在于，所述确定初始场景下被测物体表面的多个标识点的第一初始空间三维坐标，包括：获取所述被测物体表面在所述初始场景下的初始图像，并在所述初始图像中选取所述多个标识点所在区域作为模板图像；获取所述被测物体表面在所述目标场景下的目标图像，并从所述目标图像中选取与所述模板图像大小相同的图像区域；计算选取到的所述图像区域与所述模板图像的像素差的平方和，并根据所述像素差的平方和确定所述图像区域与所述模板图像的匹配度矩阵；从所述匹配度矩阵中确定出所述图像区域内每个所述标识点的图像坐标；根据每个所述标识点在所述模板图像内的图像坐标，计算每个所述标识点的第一初始空间三维坐标。3.根据权利要求1所述的物体表面变形场的测量方法，其特征在于，所述坐标变换矩阵包括刚体旋转矩阵和刚体平移矩阵；所述根据每个所述标识点的第一初始空间三维坐标和第一变形空间三维坐标，计算所述被测物体刚体位移前后的坐标变换矩阵，包括：基于预设的刚体位移变化公式，根据每个所述标识点的第一初始空间三维坐标和第一变形空间三维坐标，计算所述被测物体刚体位移前后的刚体旋转矩阵和刚体平移矩阵。4.根据权利要求3所述的物体表面变形场的测量方法，其特征在于，所述刚体位移变化公式如下：其中，X
W0
、Y
W0
和Z
W0
为标识点的第一初始空间三维坐标；X
W1
、Y
W1
和Z
W1
为标识点的第一变形空间三维坐标；为所述刚体旋转矩阵，为所述刚体平移矩阵。5.根据权利要求3所述的物体表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：房亮，朱海斌，何志峰，
申请(专利权)人：浙江清华柔性电子技术研究院，
类型：发明
国别省市：