本发明专利技术涉及一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置与方法，其中高速动态过程DIC测量装置包括高速图像采集硬件系统，所述高速图像采集硬件系统主要由DMD、成像传感器、TIR棱镜、透镜组1、透镜组2和控制处理模块组成，本发明专利技术高速动态过程DIC测量方法还包括时域超分辨重建算法和DIC应变测量，本发明专利技术集高速图像采集、重建与DIC应变测量功能于一体，在不降低相机单帧成像分辨率的条件下，实现了高速动态过程的高空间分辨率、高帧率图像采集与相应图像DIC应变测量，具有时空分辨率高、重建速度快、带宽/内存要求低、成本低、功耗低、泛化性强等优点。性强等优点。性强等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置与方法
[0001]本专利技术涉及时域超分辨率重建和高速动态过程DIC技术，具体说是一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置与方法。
技术介绍
[0002]光学测量作为一种非接触式测量方法，可以不与被测物表面接触得到全场的变形信息，具备全场、高精度、高灵敏度等特点，在高速动态过程的观察和定量测量中受到广泛应用。例如，军事应用领域中观测并分析现代武器发射、炮弹轨迹、飞行器高速飞行状态等高速变化过程中的瞬态，道路安全领域中对桥梁、道路等设施进行实时动态检测等。
[0003]借助高速图像获取方法及设备的光测图像技术，是获取被测目标的瞬态信息有效、甚至唯一可行的方法。但是高分辨率的高速相机价格昂贵，而普通相机受传感器时空分辨率、动态范围、读出噪声以及数据传输与存储速率等物理上限制约，单幅图像空间分辨率与帧率互相掣肘（即高帧率下图像的空间分辨率很低），难以获取高时空分辨率（高帧率高分辨）的图像满足对高速物理现象观测和对运动现象准确分析的需求。
[0004]时域压缩感知技术，利用图像稀疏特性以远低于奈奎斯特频率的数据采样，获得帧频远高于器件指标的高分辨图像，是视频成像和遥感等领域的研究前沿和热点。因此，本专利技术将时域压缩感知技术应用于光测图像的获取，使其与光测力学的分析方法相结合，突破目前传感器物理极限的制约，实现高速动态过程的测量。
技术实现思路
[0005]针对上述问题，本专利技术将时域压缩感知技术与光测技术结合，搭建一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置与方法，在不降低相机单帧成像分辨率的条件下，实现高帧频的序列图像采集，应用于高速飞行、大型空间结构的动态变形测量等高速变化过程中的瞬态测量。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置，包括高速图像采集硬件系统，所述高速图像采集硬件系统包括成像光路和控制处理模块，所述成像光路主要由DMD、成像传感器CMOS、TIR棱镜、透镜组1和透镜组2组成，所述DMD放置于透镜组1的成像面上，透镜组2将DMD成像于CMOS感光面，被测物表面反射的光线通过透镜组1后，经TIR棱镜成像在DMD表面，DMD使用掩码对光线进行调制，以24
°
偏角再次进入TIR棱镜并被反射至透镜组2，最后在成像传感器CMOS成像得到高速动态过程中的测量值，所述控制处理模块用于控制整套装置并对采集的测量值、掩码数据进行处理，获取高速变化过程中的瞬态测量结果。
[0007]本专利技术还包括一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量方法，采用上述的基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置进行测量，具体包括如下步骤：S1，采用基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置进行高时空分辨率图像采集处理，具体步骤如下，
S101，搭建时域压缩感知成像光路，搭建基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置中的以DMD为核心器件设计时域分块编码曝光调制的成像光路，实现光测图像时域压缩采样；S102，数据采集方法，在步骤S101所述成像光路的基础上，设置曝光时间T和压缩比B，控制处理模块每隔T/B时间生成第张掩码，其中为高斯随机矩阵，通过外部电路按照中的“0”和“1”控制DMD镜面翻转，实现对时间段的成像场景进行空间维编码调制，掩码中的“0”表示使用DMD镜面将光线反射至光路之外，“1”表示使用DMD镜面将光线反射至光路之内，然后经过透镜2将编码后的图像聚焦到CMOS成像传感器上，在成像平面进行时域的像素堆叠，如此循环，当对B帧场景图像调制结束后，即时，曝光时间结束，控制处理模块读取CMOS得到测量值，实现时域压缩数据采集，调制过程中的数学模型可表示为：
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（1.1）其中表示B张掩码，，表示需要重建的B帧高速动态序列图像，，表示噪声；S103，数据标定方法，在步骤S102采集完数据后，需要对掩码进行标定，首先通过S102中的方法采集掩码全为“1”的调制图像和掩码全为“0”的调制图像，并使用下式进行掩码的标定：
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（1.2）其中./表示矩阵逐元素相除，表示标定后的第张掩码，将被输入进PnP
‑
FastDVDNet重构算法，为了减小标定误差，式中等号右侧的每一项可以采用多幅图取平均的方法来降低随机噪声，然后采集高速动态变化过程中的瞬态图像测量值，利用对每个测量值进行标定，如下式：
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（1.3）其中表示标定后的测量值，采用多幅图取平均的方法来降低随机噪声；S2，基于PnP
‑
FastDVDNet的压缩感知DIC图像重建与应变测量算法，具体步骤如
下，S201，利用PnP
‑
FastDVDNet算法重建出原序列图像，通过引入正则化约束，将逆向问题表示为：
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（2.1）此处的和是指标定后的测量值和掩码，然后利用ADMM算法分别交替求解、：Ⅰ、给定，通过在线性流形上的欧几里得投影更新：
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（2.2）Ⅱ、给定，可以将更新视为一个去噪问题：
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（2.3）其中表示去噪器，为噪声估计，通过PnP
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FastDVDNet算法和式（2.1）（2.2）（2.3）计算得到重建的原序列图像；S202，针对高速动态变化过程中的瞬态进行应变测量，将重建后的第一张原序列图像作为参考图像，其余序列图像作为变形图像输入到DIC应变测量方法中，所述DIC应变测量方法为变形前先在计算的域内选好一个中心，范围的参考图像子，经外界施加荷载后，在变形后的计算区内，选取合适的相关函数进行相关的匹配计算，找出与变形前的参考图像子区最吻合的目标图像子区，完成匹配过程的计算，即完成图像匹配，在得出匹配的结果后，再通过位移计算求出图像上像素点的位移量，然后将像素位移转换成为实际位移，利用位移场数据的数值差分的应变计算求解被测物的变形值，最后，应变计算完毕之后，查看试件的变形及应变云图，同时根据计算结果提取需要的数据进行后续分析。
[0008]作为优选，所述步骤S202中图像匹配的具体步骤如下：
①
，读取变形前的图像，即作为参考图像的第一张原序列图像，将该图像以的函数形式表达，并在图像上选取参考子区，其大小为；
②
，根据计算前所选取的形函数，给各个相关参数赋予初值；
③
，将数据和相关参数代入形函数，得出变形后的目标图像子区，并在计算的过程中,若得出的计算坐标不在整数点上时，通过采用亚像素插值法求出目标图像子区对应非整数坐标灰度值；
④
，将求出的目标图像子区代入相关函数的计算公式，计算相关系数值；
⑤
，设置合理的阈值，并判断相关系数值是否大于阈值，若相关系数值大于给定的
阈值则输出匹配结果，若相关系数值小于给定的阈值，则回到
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置，其特征在于：包括高速图像采集硬件系统，所述高速图像采集硬件系统包括成像光路和控制处理模块，所述成像光路主要由DMD、成像传感器CMOS、TIR棱镜、透镜组1和透镜组2组成，所述DMD放置于透镜组1的成像面上，透镜组2将DMD成像于CMOS感光面，被测物表面反射的光线通过透镜组1后，经TIR棱镜成像在DMD表面，DMD使用掩码对光线进行调制，以24
°
偏角再次进入TIR棱镜并被反射至透镜组2，最后在成像传感器CMOS成像得到高速动态过程中的测量值，所述控制处理模块用于控制整套装置并对采集的测量值、掩码数据进行处理，获取高速变化过程中的瞬态测量结果。2.一种基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置进行测量，具体包括如下步骤：S1，采用基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置进行高时空分辨率图像采集处理，具体步骤如下，S101，搭建时域压缩感知成像光路，搭建基于时域超分辨的高速动态过程DIC测量装置中的以DMD为核心器件设计时域分块编码曝光调制的成像光路，实现光测图像时域压缩采样；S102，数据采集方法，在步骤S101所述成像光路的基础上，设置曝光时间T和压缩比B，控制处理模块每隔T/B时间生成第张掩码，其中为高斯随机矩阵，通过外部电路按照中的“0”和“1”控制DMD镜面翻转，实现对时间段的成像场景进行空间维编码调制，掩码中的“0”表示使用DMD镜面将光线反射至光路之外，“1”表示使用DMD镜面将光线反射至光路之内，然后经过透镜2将编码后的图像聚焦到CMOS成像传感器上，在成像平面进行时域的像素堆叠，如此循环，当对B帧场景图像调制结束后，即时，曝光时间结束，控制处理模块读取CMOS得到测量值，实现时域压缩数据采集，调制过程中的数学模型可表示为：
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（1.1）其中表示B张掩码，，表示需要重建的B帧高速动态序列图像，，表示噪声；S103，数据标定方法，在步骤S102采集完数据后，需要对掩码进行标定，首先通过S102中的方法采集掩码全为“1”的调制图像和掩码全为“0”的调制图像，并使用下式进行掩码的标定：
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（1.2）其中./表示矩阵逐元素相除，表示标定后的第张掩码，将被输入进PnP
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FastDVDNet重构算法，为了减小标定误差，式中等号右侧的每一项可以采用多幅图取平均的方法来降低随机噪声，然后采集高速动态变化过程中的瞬态图像测量值，利用对每个测量值进行标定，如下式：
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘海波，秦梦溪，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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