本發(fā)明涉及高溫材料測量技術(shù)，具體涉及一種高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

高溫環(huán)境下物體變形測量和溫度測量是研究材料性能的重要內(nèi)容，在航天航空、核能、汽車等領(lǐng)域具有重要意義。目前已有的高溫變形測量方法主要分為接觸式和非接觸式，其中以光學(xué)測量方法為代表的非接觸變形測量方法由于其非接觸的優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)全場實(shí)時變形測量而得到廣泛研究和應(yīng)用。傳統(tǒng)三維數(shù)字相關(guān)方法測量方法利用雙目視覺原理，采用兩個相機(jī)在不同角度對被測物體同時拍攝，經(jīng)過三維算法計算獲取得到物體的三維形貌變化。但這需要兩個相機(jī)同步測量，在一些測量環(huán)境中受環(huán)境因素限制難于同時搭建兩個相機(jī)對被測物體進(jìn)行同步拍攝。在一些工程現(xiàn)場測量中，受客觀環(huán)境空間限制，難以容納兩個相機(jī)對被測物體同步拍攝。并且兩個相機(jī)同步拍攝的標(biāo)定和操作都比較復(fù)雜，不利于工程現(xiàn)場測量中快速獲取被測物體三維形貌變化。

對于高溫結(jié)構(gòu)材料在高溫環(huán)境下變形，其力學(xué)性能與材料溫度是相關(guān)的，高溫環(huán)境下溫度的變化影響材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)等材料性能。因此對于高溫結(jié)構(gòu)材料高溫環(huán)境下根據(jù)測得的變形進(jìn)行應(yīng)力分析，需要同時獲得材料的溫度變化情況。特別對于物體非均勻受熱，對物體受熱的非均勻熱應(yīng)力分析，需要在得到物體全程變形的同時獲取物體全程溫度信息。目前常用的紅外測溫儀為單點(diǎn)測溫，紅外熱像儀雖然能拍攝物體全場溫度分布，但分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通相機(jī)，且價格昂貴。

因此，高溫結(jié)構(gòu)材料高溫下力學(xué)性能研究，亟需發(fā)展一種高溫環(huán)境下利用一個相機(jī)實(shí)現(xiàn)高溫結(jié)構(gòu)材料三維變形和溫度同步測量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量裝置及方法，通過使用單個相機(jī)即可實(shí)現(xiàn)被測物體表面的三維變形和全場溫度分布的實(shí)時、同步測量。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量裝置。

本發(fā)明的高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量裝置包括：照明光源、彩色CCD相機(jī)、濾波片、單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)、紅外測溫儀和計算機(jī)；其中，照明光源照射在被測物體表面；彩色CCD相機(jī)和紅外測溫儀通過同步線連接，并且連接至計算機(jī)；紅外測溫儀對準(zhǔn)被測物體表面；彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)實(shí)時拍攝被測物體表面，得到的被測物體表面的彩色圖像中包含紅光R信息、綠光G信息和藍(lán)光B信息，通過相應(yīng)的紅光通道、綠光通道和藍(lán)光通道輸至計算機(jī)；彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)拍攝被測物體表面，相當(dāng)于兩個虛擬相機(jī)分別從不同角度對被測物體表面進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果，計算機(jī)取出彩色CCD相機(jī)拍攝的彩色圖像中的藍(lán)光信息，采用三維數(shù)字圖像相關(guān)算法，計算得到被測物體表面的三維形貌以及三維變形；計算機(jī)同步控制紅外測溫儀和彩色CCD相機(jī)，紅外測溫儀實(shí)時測量被測物體表面的一個點(diǎn)的溫度作為基準(zhǔn)溫度，計算機(jī)取出彩色CCD拍攝的彩色圖像中的紅光信息和綠光信息，利用比色法運(yùn)算，基于紅外測溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計算得到被測物體表面的全場溫度。

進(jìn)一步，照明光源選用藍(lán)光波段的光源；在彩色CCD相機(jī)的鏡頭前設(shè)置濾波片，濾波片的透射波段為藍(lán)光波段，透射中心波段與照明光源的波段相對應(yīng)；照明光源發(fā)射出藍(lán)光波段的照明光照射被測物體表面，增強(qiáng)藍(lán)光光源作為補(bǔ)強(qiáng)光，在鏡頭前設(shè)置有藍(lán)光波段的濾波片的CCD彩色相機(jī)拍攝被測物體表面，被測物體表面主要集中在紅光波段的高溫?zé)彷椛浔粸V波片濾掉，并減弱被測物體表面本身的反射光，從而得到被測物體表面更加清晰的彩色圖像。

照明光源采用藍(lán)光波段的發(fā)光二極管LED或者藍(lán)光波段的激光光源。

單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)采用三棱鏡或者反射鏡。

計算機(jī)包括：圖像處理系統(tǒng)，三維數(shù)字圖像相關(guān)變形計算程序，以及測溫儀和相機(jī)同步控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量方法。

本發(fā)明的高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量方法，包括以下步驟：

1)在被測物體受熱加載之前，對彩色CCD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定：照明光源照射至被測物體表面，鏡頭前設(shè)置濾波片的彩色CCD相機(jī)，透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)實(shí)時拍攝被測物體表面的彩色圖像，得到的彩色圖像傳輸至計算機(jī)，利用三維數(shù)字圖像運(yùn)算，得到初始狀態(tài)

下被測物體表面的三維基準(zhǔn)坐標(biāo)P₀(x_o,y_o,z_o)；

2)對被測物體進(jìn)行受熱加載；

3)計算機(jī)同步控制紅外測溫儀和彩色CCD相機(jī)，紅外測溫儀對準(zhǔn)被測物體表面，實(shí)時測量被測物體表面的一個點(diǎn)的溫度，作為基準(zhǔn)溫度；

4)照明光源發(fā)出照射光至被測物體表面，彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)實(shí)時拍攝被測物體表面，得到的被測物體表面的彩色圖像中包含紅光R信息、綠光G信息和藍(lán)光B信息，通過相應(yīng)的紅光通道、綠光通道和藍(lán)光通道傳輸至計算機(jī)；

5)彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)拍攝被測物體表面，相當(dāng)于兩個虛擬相機(jī)分別從不同角度對被測物體表面進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果，計算機(jī)取出彩色CCD相機(jī)拍攝的彩色圖像中的藍(lán)光信息，采用三維數(shù)字圖像相關(guān)算法，實(shí)時計算得到被測物體表面的三維形貌以及三維變形；

6)同時，計算機(jī)取出彩色CCD拍攝的彩色圖像中的紅光信息和綠光信息，利用比色法運(yùn)算，基于紅外測溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計算得到被測物體表面的全場溫度。

其中，在步驟5)中，進(jìn)一步包括：照明光源發(fā)出藍(lán)光波段的照射光至被測物體表面，在鏡頭前設(shè)置有藍(lán)光波段的濾波片的CCD彩色相機(jī)拍攝被測物體表面，被測物體表面主要集中在紅光波段的高溫?zé)彷椛浔粸V波片濾掉，并減弱被測物體表面本身的反射光，從而得到被測物體表面更加清晰的彩色圖像。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)拍攝被測物體表面，相當(dāng)于兩個虛擬相機(jī)分別從不同角度對被測物體表面進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果，計算機(jī)提取藍(lán)光信息，采用三維數(shù)字圖像相關(guān)算法，實(shí)時計算得到被測物體表面的三維形貌以及三維變形；同時利用彩色CCD相機(jī)紅光通道和綠光信息，利用比色法運(yùn)算，基于紅外測溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計算得到被測物體表面的全場溫度；實(shí)現(xiàn)通過單個相機(jī)的使用即可實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下(600℃以上)物體三維變形和全場溫度同步測量；整套裝置設(shè)計簡單，操作便捷，可適用于工程現(xiàn)場高溫環(huán)境下物體三維變形和全場溫度的同步實(shí)時測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量系統(tǒng)的實(shí)施例一的示意圖；

圖2為本發(fā)明的高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量系統(tǒng)的實(shí)施例一雙棱鏡實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果的原理圖；

圖3為本發(fā)明的高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量系統(tǒng)的實(shí)施例二反射鏡實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

實(shí)施例一

如圖1所示，本實(shí)施例的高溫環(huán)境下單相機(jī)三維變形與溫度同步測量裝置包括：照明光源2、彩色CCD相機(jī)4、濾波片、單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)3、紅外測溫儀5和計算機(jī)6；其中，照明光源1發(fā)出藍(lán)光波段的照明光照射在被測物體1表面；在彩色CCD相機(jī)的鏡頭前設(shè)置濾波片，濾波片的透射波段為藍(lán)光波段，透射中心波段與照明光源的波段相對應(yīng)；彩色CCD相機(jī)4和紅外測溫儀5通過同步線連接，并且連接至計算機(jī)6；紅外測溫儀5對準(zhǔn)被測物體表面；彩色CCD相機(jī)4透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)3拍攝被測物體表面圖像。

在本實(shí)施例中，單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)3采用三棱鏡，彩色CCD相機(jī)4位于三棱鏡的中心軸上。如圖2所示，彩色CCD相機(jī)4透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)3拍攝被測物體表面，相當(dāng)于兩個虛擬相機(jī)4a和4b分別從不同角度對被測物體表面進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果。

在本實(shí)施例中，被測物體為C/SiC復(fù)合材料，尺寸50mm×50mm×10mm，用氧丙烷火焰加熱進(jìn)行高溫?zé)g實(shí)驗(yàn)，對被測物體表面三維變形和全場溫度進(jìn)行了同步測量：

1)在被測物體受熱加載之前，對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定：照明光源照射至被測物體表面，鏡頭前設(shè)置濾波片的彩色CCD相機(jī)，透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)實(shí)時拍攝被測物體表面的圖像，拍攝得到圖像傳輸至計算機(jī)，利用三維數(shù)字圖像運(yùn)算，得到初始狀態(tài)下被測物體表面的三維基準(zhǔn)坐標(biāo)P₀(x_o,y_o,z_o)。

2)對被測物體進(jìn)行受熱加載，溫度高于600℃。

3)計算機(jī)同步控制紅外測溫儀和彩色CCD相機(jī)，紅外測溫儀對準(zhǔn)被測物體表面，實(shí)時測量被測物體表面的一個點(diǎn)的溫度作為基準(zhǔn)溫度。

4)照明光源發(fā)出藍(lán)光波段的照射光至被測物體表面，在鏡頭前設(shè)置有藍(lán)光波段的濾波片的CCD彩色相機(jī)拍攝被測物體表面，被測物體表面主要集中在紅光波段的高溫?zé)彷椛浔粸V波片濾掉，并減弱被測物體表面本身的反射光；彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)拍攝被測物體表面圖像，將實(shí)時拍攝得到的被測物體表面的彩色圖像中包含紅光R信息、綠光G信息和藍(lán)光B信息，通過相應(yīng)的紅光通道R、綠光通道G和藍(lán)光通道傳輸至計算機(jī)。

5)彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)拍攝被測物體表面，相當(dāng)于兩個虛擬相機(jī)分別從不同角度對被測物體表面進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果，計算機(jī)取出彩色CCD相機(jī)拍攝的彩色圖像中的藍(lán)光信息，將彩色CCD相機(jī)透過單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)拍攝得到的圖像從中間分成兩幅圖像，右邊圖像相當(dāng)于第一虛擬相機(jī)4a拍攝得到的圖像，左邊圖像相當(dāng)于第二虛擬相機(jī)4b拍攝的到的圖像，采用三維數(shù)字圖像相關(guān)算法，實(shí)時計算得到被測物體表面的三維坐標(biāo)P(x,y,z)，通過減去加載前初始狀態(tài)下被測物體表面的三維基準(zhǔn)坐標(biāo)P₀(x_o,y_o,z_o)得到：

獲取得到被測物體1表面的三維變形(u,v,w)，通過應(yīng)變計算公式計算三維應(yīng)變(ε_x,ε_y,γ_xy)：

其中，ε_x為被測物體的x方向應(yīng)變，ε_y為被測物體的y方向應(yīng)變，γ_xy為被測物體的主應(yīng)變。

6)同時，計算機(jī)取出彩色CCD拍攝的彩色圖像中的紅光信息和綠光信息，利用普朗克輻射定律可得到溫度的求解公式：

其中，ε(λ_R,T)、ε(λ_G,T)為物體發(fā)射率，C₂為第二輻射常數(shù)C₂＝1.438833×10^-2(m·K)，λ_R為被測物體加熱時發(fā)射的紅光波長，λ_G為被測物體加熱時發(fā)射的綠光波長，B_RG為圖像像素點(diǎn)紅光通道亮度與綠光通道亮度比色值，T(λ_R)、T(λ_G)為可見光譜范圍內(nèi)響應(yīng)函數(shù)，A_R和A_G為CCD光敏單元輸出電流和圖像灰度值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，U_R和U_G為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，t_R和t_G為曝光時間，和為光學(xué)系統(tǒng)的透過率，由于A_R、A_G、U_R、U_G、t_R、t_G、和均為常數(shù)；

利用比色法運(yùn)算，基于紅外測溫儀標(biāo)定的基準(zhǔn)溫度，計算得到被測物體表面的全場溫度，其測量公式為：

其中，B_RGo為紅外測溫儀標(biāo)定點(diǎn)的物體圖像像素點(diǎn)紅光通道亮度與綠光通道亮度比色值，T_o為紅外測溫儀標(biāo)定點(diǎn)溫度，λ_R為被測物體加熱時反射紅光波長，通過公式逐點(diǎn)遍歷計算被測物體表面圖像像素點(diǎn)，即可得到被測物體表面圖像的溫度T，將物體圖像坐標(biāo)映射到被測物體的三維坐標(biāo)上，即可得到被測物體燒蝕過程中的三維溫度場，實(shí)現(xiàn)物體高溫下三維變形和全場溫度同步測量。

實(shí)施例二

在本實(shí)施例中，單相機(jī)雙目成像系統(tǒng)3采用反射鏡。如圖2所示，彩色CCD相機(jī)4透過反射鏡拍攝被測物體表面，相當(dāng)于兩個虛擬相機(jī)4a和4b分別從不同角度對被測物體表面進(jìn)行拍攝，從而實(shí)現(xiàn)雙目視覺效果。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。