專利名稱:一種物體變形的實(shí)時測量方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種三維光學(xué)測量方法,特別涉及一種適合于物體變形的實(shí) 時測量方法。
背景技術(shù):
變形測量是固體力學(xué)及材料科學(xué)研究中重要的環(huán)節(jié),因此,準(zhǔn)確、快速 和高效地測量材料的變形是實(shí)驗(yàn)力學(xué)的重要研究內(nèi)容。而要動態(tài)地測量物體 的運(yùn)動及變形信息主要有接觸式和非接觸式兩類方法。
接觸式測量的方法主要有光彈貼片法、電阻應(yīng)變片測量法。其中光彈貼 片法能用于測量金屬、混凝土、木材、巖石、橡膠等材料制成的結(jié)構(gòu)或零件 的動態(tài)應(yīng)力、靜態(tài)應(yīng)力、彈性應(yīng)力以及殘余應(yīng)力等,但此法對貼片的要求很 高,且對于許多應(yīng)變很小的結(jié)構(gòu)和零件,靈敏度不高。而電阻應(yīng)變片測量法 雖然具有精度高、測量結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但該方法對被測試件要求一定剛度, 只能點(diǎn)測量,不能得到全場數(shù)據(jù),且測量范圍有限,不能測量大應(yīng)變??傮w 來說,接觸式測量方法已不能滿足當(dāng)今快速、高效率的測量要求。
非接觸式測量方法主要有全息干涉法、疊柵云紋法、電子散斑干涉等。 全息干涉法具有較高的檢測靈敏度和精度,缺點(diǎn)是對不透光物體沒有穿透能 力, 一般只能用于厚度小的薄材料,設(shè)備較昂貴,并且在檢測時受機(jī)械振動、 聲振動(如環(huán)境噪聲)以及環(huán)境光等的干擾較大,因此需要在安靜、清潔的 暗室中進(jìn)行檢測。而疊柵云紋法在測量彈性范圍內(nèi)的微小應(yīng)變時,靈敏度和 準(zhǔn)確度還不夠,并且這種方法受到外界振動的影響較大。由于電子散斑干涉 技術(shù)是基于雙光束干涉,對檢測環(huán)境和檢測對象都有一定的要求,實(shí)驗(yàn)難度 高,設(shè)備昂貴,使得該技術(shù)在普遍應(yīng)用有一定的限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種易于操作、測量準(zhǔn)確、快速高效的實(shí)時測量 物體變形信息的方法。
為達(dá)到以上目的,本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 一種物體變形的實(shí)時測量方法,其特征在于,包括下述步驟
(1) 布置并調(diào)整測量設(shè)備在被測物體上方對稱布置兩個攝像機(jī)及相應(yīng) 的LED光照燈,然后調(diào)整兩個攝像機(jī)的角度和距離,使兩個攝像機(jī)光軸在攝 像機(jī)前l(fā)m距離處相交;
(2) 標(biāo)定攝像機(jī)將標(biāo)IE置于兩個攝像機(jī)的視場,然后對標(biāo)耙拍攝,得 到標(biāo)靶的圖像,通過標(biāo)定得到兩攝像機(jī)準(zhǔn)確的位置關(guān)系,包括兩攝像機(jī)夾角、 相對距離、攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù);
(3) 粘貼標(biāo)志點(diǎn)在待測物體表面根據(jù)被測物大小形狀以及測量要求粘 貼標(biāo)志點(diǎn),標(biāo)志點(diǎn)包括點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)、環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)以及圓形非編碼標(biāo) 志點(diǎn),粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)的密度為非編碼標(biāo)志點(diǎn)的1/3 1/2;粘貼圓形非編碼標(biāo) 志點(diǎn)時應(yīng)保證任意兩個標(biāo)志點(diǎn)間的距離大于物體局部相對初始狀態(tài)的最大變 形量;
(4) 采集數(shù)字圖像保持兩攝像機(jī)角度、距離不變,將巳經(jīng)粘貼好標(biāo)志
點(diǎn)的被測物置于兩攝像機(jī)下大約1米處或移動整個測量設(shè)備使被測物進(jìn)入測 量范圍使每個攝像機(jī)都能采集到被測物表面的標(biāo)志點(diǎn),然后開啟兩攝像機(jī)進(jìn)
行序列圖像拍照;
(5) 圖像識別定位對兩攝像機(jī)采集的序列圖像首先進(jìn)行降噪預(yù)處理,
然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行被測物表面標(biāo)志點(diǎn)的識別和定位,進(jìn)而求解它們在兩攝
像機(jī)圖像上對應(yīng)的圖像坐標(biāo);
(6) 重建三維坐標(biāo)首先根據(jù)步驟2攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果反求攝像機(jī)投影
矩陣,然后結(jié)合上步求得的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)在兩攝像機(jī)圖像上的圖像坐標(biāo)
重建標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo);對計(jì)算得到的在被測物體每個變形狀態(tài)的標(biāo)志點(diǎn)編 號,使同一標(biāo)志點(diǎn)在每個變形狀態(tài)中的編號相同;
(7) 變形分析與計(jì)算根據(jù)上步得到的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)分析
6被測物表面的各個變形狀態(tài),把物體表面的標(biāo)志點(diǎn)作為物體的變形點(diǎn),計(jì)算 包括物體的位移、變形曲線、云圖的實(shí)時信息,并在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示, 進(jìn)行可視化分析。
上述方案中,步驟(2)所述標(biāo)定攝像機(jī)具體程序如下-
(a) 啟動攝像機(jī)從不同角度和距離采集靶標(biāo)圖像,然后計(jì)算標(biāo)耙上控制 點(diǎn)的圖像坐標(biāo);
(b) 采用DLT解法解算投影矩陣,根據(jù)求得的投影矩陣求解攝像機(jī)內(nèi) 外參數(shù),從而得到標(biāo)定各參數(shù)的初始值;
(c) 利用光束平差法對攝像機(jī)標(biāo)定,得到精確的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)并將標(biāo) 定結(jié)果保存。
所述步驟(3)對于表面反光或表面顏色較復(fù)雜的物體噴顯影劑處理,以 利于標(biāo)志點(diǎn)的識別。所述步驟(4)攝像機(jī)進(jìn)行序列圖像拍照的時間為100秒, 每秒鐘拍攝5幅圖片。
步驟(5)所述圖像識別定位的具體程序如下
(a) 圖像預(yù)處理,對輸入的圖像進(jìn)行降噪、二值化處理;
(b) 在二值化圖像中搜索邊緣特征,提取橢圓邊緣,并進(jìn)行濾波操作將 非橢圓邊緣去除掉;
(c) 計(jì)算圖像中識別的橢圓特征的中心坐標(biāo),首先進(jìn)行橢圓邊緣的粗定 位,得到橢圓邊緣的整像素坐標(biāo)值,然后采用梯度幅值均值法計(jì)算邊緣點(diǎn)的 亞像素坐標(biāo)得到亞像素邊緣,最后通過最小二乘橢圓擬合得到橢圓的中心 坐標(biāo);
(d) 在圖像中搜索8個己經(jīng)識別的最相鄰橢圓點(diǎn)組成的點(diǎn)陣作為候選的 點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn);
(e) 檢測候選的點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的模板點(diǎn)并計(jì)算其圖像坐標(biāo),然后根據(jù) 模板點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)陣編碼標(biāo)志的交比;
(f) 根據(jù)求得交比判斷候選的點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)是否為真,如果為真,進(jìn) 行下一步,否則判定為非編碼標(biāo)志點(diǎn);
(g) 根據(jù)(e)步求得的模板點(diǎn)的圖像坐標(biāo)以及模板點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)求解設(shè)計(jì)坐標(biāo)相對于圖像坐標(biāo)的仿射變換參數(shù);
(h) 根據(jù)(e)計(jì)算的編碼點(diǎn)圖像坐標(biāo)和(g)步計(jì)算得到的仿射變換參 數(shù),反求編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值;
(i) 對反求的編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值和其設(shè)計(jì)坐標(biāo)值進(jìn)行匹配, 當(dāng)成功時得到編碼點(diǎn)的編碼位代號,并進(jìn)行下一步,否則判定為非編碼標(biāo)志 點(diǎn);
(j)計(jì)算點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)字編碼值,然后根據(jù)數(shù)字編碼值査點(diǎn)陣編 碼標(biāo)志點(diǎn)ID表獲得其ID。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明克服了光彈貼片法、電阻應(yīng)變片測量等傳統(tǒng)的接觸式測量在測 量范圍、測量速度以及測量效率等方面的局限性,實(shí)現(xiàn)了無接觸快速測量。
2、 本發(fā)明方法借助LED光照燈改善被測物表面光照質(zhì)量,并使用兩個 高速攝像機(jī)采集不同瞬間的多幅圖像,因此適合于不斷變形物體或移動物體 的實(shí)時動態(tài)測量。
3、 由于標(biāo)志點(diǎn)的定位采用了粗定位以及亞像素定位相結(jié)合的方法,獲得 高精度亞像素定位的同時,還可以計(jì)算定位精度,從而剔除定位質(zhì)量不高的 點(diǎn),以提高整體測量精度。
本發(fā)明方法基于先進(jìn)的立體視覺技術(shù),采用兩個高速攝像機(jī)采集各個變形 階段的圖像,利用準(zhǔn)確識別的編碼標(biāo)志點(diǎn)實(shí)現(xiàn)立體匹配,重建出物體表面點(diǎn) 的三維空間坐標(biāo),計(jì)算得到物體的變形量,從而開發(fā)出精度高、速度快、易 于操作的非接觸式物體變形實(shí)時測量系統(tǒng)。
圖1:本發(fā)明方法的流程圖。 圖2:本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)示意圖。 圖3:圖1中標(biāo)定攝像機(jī)的流程圖。 圖4:圖1中圖像識別定位流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明提出一種物體變形的實(shí)時測量方法,如圖1所示。測量系統(tǒng)如圖
2所示,由CCD攝像機(jī)1、 4, LED光照燈2、 3,計(jì)算機(jī)5等組成。計(jì)算機(jī) 5為Pentium(R) 4 CPU、 2.66GHz、帶有1394圖像采集卡,支持雙顯示器輸 出。其中軟件基于Visual C++6.0平臺自主開發(fā)。CCD采用德國Basler的A500 系列攝像機(jī),該攝像機(jī)采用Camera Link輸出,外同步或內(nèi)部自主運(yùn)行,在 分辨率為1280*1024時幀速率可達(dá)500QDS,可對攝像機(jī)編程控制。 圖1所示本發(fā)明方法的總體步驟如下
(1) 布置并調(diào)整測量設(shè)備根據(jù)測量系統(tǒng)物體的測量范圍(400*300*200, 單位毫米)布置圖2所示的測量設(shè)備。然后調(diào)整兩個攝像機(jī)l、 4的角度和 距離,使兩個攝像機(jī)的視場在鏡頭前1米距離處重疊且兩攝像機(jī)對稱布置, 這里主要是借助測量尺逐步調(diào)整兩攝像機(jī)使兩攝像機(jī)鏡頭中心線在鏡頭前約 1米處相交。本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)如圖2所示。
(2) 標(biāo)定攝像機(jī)將標(biāo)耙置于兩個攝像機(jī)的視場,然后對標(biāo)耙拍攝,得 到標(biāo)靶的圖像。通過標(biāo)定可以得到兩攝像機(jī)準(zhǔn)確的位置關(guān)系,如兩攝像機(jī)夾 角、相對距離、攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù)。具體標(biāo)定步驟如下(標(biāo) 定流程如圖3所示)
(a) 啟動攝像機(jī)從不同角度和距離采集靶標(biāo)圖像,然后計(jì)算標(biāo)靶上控制 點(diǎn)的圖像坐標(biāo)。
(b) 采用DLT解法解算投影矩陣,根據(jù)求得的投影矩陣求解攝像機(jī)內(nèi) 外參數(shù),從而得到標(biāo)定各參數(shù)的初始值。
(c) 利用光束平差法對攝像機(jī)標(biāo)定,得到精確的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)并將標(biāo) 定結(jié)果保存。
(3) 粘貼標(biāo)志點(diǎn)在待測物體表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)(包括編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編
碼標(biāo)志點(diǎn)),標(biāo)志點(diǎn)將隨工件的變形而改變空間位置,以作為后期反映被測物 變形量的計(jì)算數(shù)據(jù)。對于表面反光或表面顏色較復(fù)雜的物體要噴顯影劑處理, 以利于標(biāo)志點(diǎn)的識別。
9本方法中我們采用點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)、環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)以及圓形非編碼標(biāo)
志點(diǎn)。點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)由8個圓形點(diǎn)組成,有利于得到物體表面更多的變形 信息;環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)測量精度高,得到變形信息相比較少;圓形非編碼標(biāo) 志點(diǎn)布置較靈活,需要進(jìn)行兩攝像機(jī)圖像間的匹配計(jì)算,計(jì)算過程較復(fù)雜。 而點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)和環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)都有一個確定的ID,則無需進(jìn)行兩攝像 機(jī)圖像間的匹配計(jì)算。因此,根據(jù)實(shí)際被測物大小形狀以及測量要求可靈活 選用這三種標(biāo)志點(diǎn)。
如果測量要求得到更多的變形信息,可以只粘貼非編碼標(biāo)志點(diǎn),如果只要 求快速測量少量關(guān)鍵點(diǎn)的變形信息,可以只粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn), 一般情況下編 碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼標(biāo)志點(diǎn)都要粘貼;粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)的密度為非編碼標(biāo)志點(diǎn) 的l/3 l/2;標(biāo)志點(diǎn)粘貼要求
(a)粘貼時切勿折疊或弄臟標(biāo)志點(diǎn),緊密粘貼,防止變形過程中脫落。
(b) 粘貼非編碼標(biāo)志點(diǎn)時應(yīng)保證任意兩個標(biāo)志點(diǎn)間的距離大于物體局部 可能的相對初始狀態(tài)的最大變形量。
(c) 應(yīng)均勻地將標(biāo)志點(diǎn)粘貼在物體表面較平坦的區(qū)域,粘貼時保證標(biāo)志 點(diǎn)不能重疊或遮擋。
(4) 采集數(shù)字圖像保持兩攝像機(jī)角度、距離不變,將已經(jīng)粘貼好標(biāo)志 點(diǎn)的被測物置于兩攝像機(jī)前大約1米處或移動整個測量設(shè)備使被測物進(jìn)入測 量范圍,然后開啟兩攝像機(jī)采集圖像。
圖像采集要求
(a) 保證采集過程中光源穩(wěn)定。
(b) 攝像機(jī)前約1米處是最佳的測量位置,應(yīng)合理布置被測物。
(c) 保證物體整個變形過程都能被本發(fā)明測量系統(tǒng)的兩個攝像機(jī)拍攝到。
(5) 圖像識別定位對兩攝像機(jī)釆集的序列圖像進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)被測物 表面標(biāo)志點(diǎn)的圖像識別和定位。首先要對采集的圖像進(jìn)行降噪等預(yù)處理,然 后針對不同的標(biāo)志點(diǎn),選擇本發(fā)明開發(fā)的不同圖像處理程序?qū)?biāo)志點(diǎn)進(jìn)行識 別和定位,進(jìn)而求解它們在兩攝像機(jī)圖像上對應(yīng)的圖像坐標(biāo)。以點(diǎn)陣編碼標(biāo) 志點(diǎn)為例,參見圖4,具體步驟如下(a) 首先對輸入的圖像進(jìn)行降噪、二值化等處理得到二值化圖像。
(b) 在二值化圖像中搜索邊緣特征,提取橢圓邊緣,并進(jìn)行濾波操作將 非橢圓邊緣去除掉。
(c) 精確計(jì)算圖像中識別的橢圓特征的中心坐標(biāo)。根據(jù)尺度準(zhǔn)則、灰度
準(zhǔn)則、形狀準(zhǔn)則以及誤差準(zhǔn)則進(jìn)行判斷,進(jìn)一步去除不符合橢圓條件的邊緣, 并進(jìn)行橢圓邊緣的粗定位,得到橢圓邊緣的整像素坐標(biāo)值。
然后采用梯度幅值均值法計(jì)算邊緣點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)①在粗定位的邊緣 點(diǎn)上沿梯度方向求梯度幅值^"";②根據(jù)^^"的值確定包含邊緣的區(qū)間,
即在梯度方向上梯度幅值大于一定閾值的",力的取值區(qū)間;③利用x方向和^ 方向的梯度分量G和^作為權(quán)值,沿梯度方向的邊緣位置亞像素級校正公式 為
,=i i=i (1)
式中,《'、^是一個像素點(diǎn)沿梯度方向與粗定位邊緣點(diǎn)的距離分量,A 、 A
是梯度分量;n為沿梯度方向上^","大于一定閾值的象素點(diǎn)個數(shù)。
最后用所得到的邊緣點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)進(jìn)行最小二乘橢圓擬合,就可以得到 由這些邊緣點(diǎn)所形成的橢圓的中心坐標(biāo)。
(d) 在圖像中搜索8個己經(jīng)識別的最相鄰橢圓點(diǎn)組成的點(diǎn)陣作為候選的 點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)。
(e) 檢測候選的點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的模板點(diǎn)和編碼點(diǎn)并計(jì)算他們的圖像坐 標(biāo),然后根據(jù)模板點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)陣編碼標(biāo)志的交比。
(f) 根據(jù)求得交比判斷候選的點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)是否為真。如果為真,進(jìn) 行下一步,否則判定為非編碼標(biāo)志點(diǎn)。
(g) 計(jì)算仿射變換參數(shù)。根據(jù)(e)步求得的模板點(diǎn)的圖像坐標(biāo)以及模板點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)求解設(shè)計(jì)坐標(biāo)相對于圖像坐標(biāo)的仿射變換參數(shù)。
(h)反求點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。根據(jù)(e)計(jì) 算的編碼點(diǎn)圖像坐標(biāo)和(g)步計(jì)算得到的仿射變換參數(shù),反求編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì) 坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。
(0對反求的編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值和其設(shè)計(jì)坐標(biāo)值進(jìn)行匹配, 如果成功可以得到編碼點(diǎn)的編碼位代號,并進(jìn)行下一步,否則判定為非編碼 標(biāo)志點(diǎn)。
(j)計(jì)算點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)字編碼值,然后根據(jù)求得的數(shù)字編碼值査 表l (設(shè)計(jì)點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)時建立)得到其ID。
表i點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)ro表(部分)
ID數(shù)字編碼值代號l編碼位代號 代號2 代號1571089111
158簡2711
2511531811
2611542811
1154031011
29154441011
1592113112
1602114212
3221771812
3
(6) 重建三維坐標(biāo)首先根據(jù)攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果反求投影矩陣,然后結(jié) 合上步求得的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)在兩攝像機(jī)圖像上的圖像坐標(biāo)重建標(biāo)志點(diǎn)的 三維坐標(biāo)。
三維重建要求-
(a) 同一標(biāo)志點(diǎn)在兩攝像機(jī)圖像都能被準(zhǔn)確識別才能重建。
(b) 非編碼點(diǎn)重建前要進(jìn)行圖像匹配。
(c) 重建精度不高的點(diǎn)應(yīng)剔除。
(7) 變形分析與計(jì)算根據(jù)上步得到的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)分析
12被測物表面的各個變形狀態(tài),把物體表面的標(biāo)志點(diǎn)作為物體的變形點(diǎn),計(jì)算 包括物體的位移、變形曲線、云圖的實(shí)時信息,并在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示, 進(jìn)行可視化分析。
計(jì)算變形量要求
(a) 變形計(jì)算中同一變形點(diǎn)(標(biāo)志點(diǎn))在各個狀態(tài)下要準(zhǔn)確識別,編號一致。
(b) 所有變形狀態(tài)中的變形點(diǎn)(標(biāo)志點(diǎn))要求重建成功。 按照上述步驟我們進(jìn)行了焊接變形測量實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)對一個長160mm、
寬120mm的方形薄鋼板在焊接過程中的變形進(jìn)行實(shí)時測量。首先布置測量設(shè) 備,并利用靶標(biāo)進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定,標(biāo)定得到兩攝像機(jī)間的距離為48.645cm, 角度為29.82°,標(biāo)定精度為0.0212。其次在鋼板一面(測量時這面對著攝像 機(jī))均勻粘貼6個點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)和16個非編碼標(biāo)志點(diǎn),并在另一面布置3 個位移計(jì)用于精度對比。實(shí)驗(yàn)測量距離為l米,測量時間100秒,每秒鐘拍 攝5幅圖片,共得到鋼板焊接變形的500個狀態(tài)的圖像。然后利用本發(fā)明的 開發(fā)軟件對采集的圖像進(jìn)行處理,8個編碼標(biāo)志點(diǎn)全部準(zhǔn)確識別,非編碼標(biāo) 志點(diǎn)只有1個識別錯誤,標(biāo)志點(diǎn)的定位精度可達(dá)到0.03mm。后續(xù)的可視化分 析比位移計(jì)更加直觀清楚,整個數(shù)據(jù)處理及分析在幾分鐘內(nèi)完成。實(shí)驗(yàn)說明 本發(fā)明所提出的動態(tài)測量物體變形的方法是可行的。
權(quán)利要求
1、一種物體變形的實(shí)時測量方法,其特征在于,包括下述步驟(1)布置并調(diào)整測量設(shè)備在被測物體上方對稱布置兩個攝像機(jī)及相應(yīng)的LED光照燈,然后調(diào)整兩個攝像機(jī)的角度和距離,使兩個攝像機(jī)光軸在攝像機(jī)前1m距離處相交;(2)標(biāo)定攝像機(jī)將標(biāo)靶置于兩個攝像機(jī)的視場,然后對標(biāo)靶拍攝,得到標(biāo)靶的圖像,通過標(biāo)定得到兩攝像機(jī)準(zhǔn)確的位置關(guān)系,包括兩攝像機(jī)夾角、相對距離、攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及鏡頭畸變參數(shù);(3)粘貼標(biāo)志點(diǎn)在待測物體表面根據(jù)被測物大小形狀以及測量要求緊密粘貼標(biāo)志點(diǎn),標(biāo)志點(diǎn)包括點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)、環(huán)形編碼標(biāo)志點(diǎn)以及圓形非編碼標(biāo)志點(diǎn),粘貼編碼標(biāo)志點(diǎn)的密度為非編碼標(biāo)志點(diǎn)的1/3~1/2;粘貼圓形非編碼標(biāo)志點(diǎn)時應(yīng)保證任意兩個標(biāo)志點(diǎn)間的距離大于物體局部相對初始狀態(tài)的最大變形量;(4)采集數(shù)字圖像保持兩攝像機(jī)角度、距離不變,將已經(jīng)粘貼好標(biāo)志點(diǎn)的被測物置于兩攝像機(jī)下大約1米處或移動整個測量設(shè)備使被測物進(jìn)入測量范圍使每個攝像機(jī)都能采集到被測物表面的標(biāo)志點(diǎn),然后開啟兩攝像機(jī)進(jìn)行序列圖像拍照;(5)圖像識別定位對兩攝像機(jī)采集的序列圖像首先進(jìn)行降噪預(yù)處理,然后在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行被測物表面標(biāo)志點(diǎn)的識別和定位,進(jìn)而求解它們在兩攝像機(jī)圖像上對應(yīng)的圖像坐標(biāo);(6)重建三維坐標(biāo)首先根據(jù)步驟2攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果反求攝像機(jī)投影矩陣,然后結(jié)合上步求得的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)在兩攝像機(jī)圖像上的圖像坐標(biāo)重建標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo);對計(jì)算得到的在被測物體每個變形狀態(tài)的標(biāo)志點(diǎn)編號,使同一標(biāo)志點(diǎn)在每個變形狀態(tài)中的編號相同;(7)變形分析與計(jì)算根據(jù)上步得到的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)分析被測物表面的各個變形狀態(tài),把物體表面的標(biāo)志點(diǎn)作為物體的變形點(diǎn),計(jì)算包括物體的位移、變形曲線、云圖的實(shí)時信息,并在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示,進(jìn)行可視化分析。
2、 如權(quán)利要求1所述的物體變形的實(shí)時測量方法,其特征在于,步驟(2) 所述標(biāo)定攝像機(jī)具體程序如下(a) 啟動攝像機(jī)從不同角度和距離采集靶標(biāo)圖像,然后計(jì)算標(biāo)靶上控制 點(diǎn)的圖像坐標(biāo);(b) 采用DLT解法解算投影矩陣,根據(jù)求得的投影矩陣求解攝像機(jī)內(nèi) 外參數(shù),從而得到標(biāo)定各參數(shù)的初始值;(c) 利用光束平差法對攝像機(jī)標(biāo)定,得到精確的攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)并將標(biāo) 定結(jié)果保存。
3、 如權(quán)利要求1所述的物體變形的實(shí)時測量方法,其特征在于,所述步 驟(3)對于表面反光或表面顏色較復(fù)雜的物體噴顯影劑處理,以利于標(biāo)志點(diǎn) 的識別。
4、 如權(quán)利要求1所述的物體變形的實(shí)時測量方法,其特征在于,所述步 驟(4)攝像機(jī)進(jìn)行序列圖像拍照的時間為100秒,每秒鐘拍攝5幅圖片。
5、 如權(quán)利要求1所述的物體變形的實(shí)時測量方法,其特征在于,步驟(5) 所述圖像識別定位的具體程序如下-(a) 圖像預(yù)處理,對輸入的圖像進(jìn)行降噪、二值化處理;(b) 在二值化圖像中搜索邊緣特征,提取橢圓邊緣,并進(jìn)行濾波操作將 非橢圓邊緣去除掉;(c) 計(jì)算圖像中識別的橢圓特征的中心坐標(biāo),首先進(jìn)行橢圓邊緣的粗定 位,得到橢圓邊緣的整像素坐標(biāo)值,然后采用梯度幅值均值法計(jì)算邊緣點(diǎn)的 亞像素坐標(biāo)得到亞像素邊緣,最后通過最小二乘橢圓擬合得到橢圓的中心 坐標(biāo);(d) 在圖像中搜索8個已經(jīng)識別的最相鄰橢圓點(diǎn)組成的點(diǎn)陣作為候選的 點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn);(e) 檢測候選的點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的模板點(diǎn)并計(jì)算其圖像坐標(biāo),然后根據(jù) 模板點(diǎn)的圖像坐標(biāo)計(jì)算點(diǎn)陣編碼標(biāo)志的交比;(f) 根據(jù)求得交比判斷候選的點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)是否為真,如果為真,進(jìn) 行下一步,否則判定為非編碼標(biāo)志點(diǎn);(g) 根據(jù)(e)步求得的模板點(diǎn)的圖像坐標(biāo)以及模板點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)求解設(shè) 計(jì)坐標(biāo)相對于圖像坐標(biāo)的仿射變換參數(shù);(h) 根據(jù)(e)計(jì)算的編碼點(diǎn)圖像坐標(biāo)和(g)步計(jì)算得到的仿射變換參 數(shù),反求編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值;(i) 對反求的編碼點(diǎn)在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值和其設(shè)計(jì)坐標(biāo)值進(jìn)行匹配, 當(dāng)成功時得到編碼點(diǎn)的編碼位代號,并進(jìn)行下一步,否則判定為非編碼標(biāo)志 點(diǎn);(j)計(jì)算點(diǎn)陣編碼標(biāo)志點(diǎn)的數(shù)字編碼值,然后根據(jù)數(shù)字編碼值查點(diǎn)陣編 碼標(biāo)志點(diǎn)ID表獲得其ID。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種物體變形的實(shí)時測量方法,包括下述步驟布置并調(diào)整測量設(shè)備在被測物體上方對稱布置兩個攝像機(jī)及相應(yīng)的LED光照燈,使兩個攝像機(jī)光軸在攝像機(jī)前1m距離處相交;然后標(biāo)定攝像機(jī)再后在待測物體表面根據(jù)被測物大小形狀以及測量要求緊密粘貼標(biāo)志點(diǎn);接著將已經(jīng)粘貼好標(biāo)志點(diǎn)的被測物置于兩攝像機(jī)下大約1米處或移動整個測量設(shè)備使被測物進(jìn)入測量范圍使每個攝像機(jī)都能采集到被測物表面的標(biāo)志點(diǎn),開啟兩攝像機(jī)進(jìn)行序列圖像拍照,采集數(shù)字圖像;然后進(jìn)行圖像識別定位;根據(jù)攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果反求投影矩陣,結(jié)合求得的被測物表面標(biāo)志點(diǎn)在兩攝像機(jī)圖像上的圖像坐標(biāo)重建標(biāo)志點(diǎn)的三維坐標(biāo);最后進(jìn)行被測物表面標(biāo)志點(diǎn)變形分析與計(jì)算。
文檔編號G01B11/16GK101566465SQ20091002257
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者史寶全, 唐正宗, 晉 梁, 肖振中, 浩 胡 申請人:西安交通大學(xué)