本發(fā)明涉及一種在數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試中基于卡爾曼濾波算法的環(huán)境光強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
：在用三維數(shù)字圖像相關(guān)法進(jìn)行物體表面形貌和變形測(cè)量的實(shí)踐操作過(guò)程中，相機(jī)拍攝圖像的質(zhì)量對(duì)于所得試驗(yàn)結(jié)果的影響很大，而良好的光照配置對(duì)于一個(gè)高質(zhì)量的圖片拍攝也是非常重要的一環(huán)。但是，隨著我們實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)發(fā)生變化，試樣所處的光照環(huán)境也發(fā)生變化，我們每次進(jìn)行圖像采集模塊時(shí)，都要花很長(zhǎng)的時(shí)間在調(diào)節(jié)燈光上。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中依靠經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，導(dǎo)致影響最后計(jì)算精度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提出一種在數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試中利用卡爾曼濾波算法使光照自動(dòng)調(diào)節(jié)的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種在數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試中基于卡爾曼濾波算法的環(huán)境光強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，通過(guò)改變led燈的電流值來(lái)改變光強(qiáng)，圖片亮度的不同會(huì)導(dǎo)致最終所測(cè)得的應(yīng)變值不同，所以隨著輸入的電流值不同，最后的標(biāo)記點(diǎn)的應(yīng)變也會(huì)不同，這樣，電流值i和應(yīng)變值e產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，若存在一個(gè)電流值i，使得現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下標(biāo)記點(diǎn)的應(yīng)變近似等于理想狀態(tài)下的應(yīng)變值，則這個(gè)電流值i對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度可以認(rèn)作是最優(yōu)光照環(huán)境所需要的光照條件，電流i就是最優(yōu)值。本發(fā)明的原理是：利用卡爾曼濾波算法，將計(jì)算得出的估計(jì)值結(jié)合測(cè)量值加以校正，讓每次改變電流值進(jìn)行計(jì)算得到的應(yīng)變值漸漸的逼近測(cè)量值(理論值)，直到計(jì)算得到的應(yīng)變值無(wú)限接近測(cè)量值時(shí)，此時(shí)可使電流值成為最優(yōu)，簡(jiǎn)而言之，就是估計(jì)+校正得出下一狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，以此循環(huán)。1、基于卡爾曼濾波算法的環(huán)境光強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法具體步驟：(1)利用三次多項(xiàng)式擬合法建立電流值i與應(yīng)變值e的關(guān)系因?yàn)殡娏鱥和應(yīng)變值e沒(méi)有明確的函數(shù)關(guān)系，所以采用擬合曲線的方法。假設(shè)電流的調(diào)控范圍是：0～i，取i＝0、i’＝0.333i、i”＝0.667i、i”’＝i，以這四個(gè)電流值進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出相應(yīng)的應(yīng)變值，可以得到用(i、e)表示的四個(gè)點(diǎn)，通過(guò)這四個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合電流值和應(yīng)變值的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。則假設(shè)函數(shù)關(guān)系為e(i)＝ai3+bi2+ci+d通過(guò)所取得點(diǎn)擬合出三次方程的系數(shù)a、b、c、d，由此可得電流應(yīng)變之間的關(guān)系。(2)卡爾曼增益矩陣(kalmangain)的計(jì)算卡爾曼增益矩陣用來(lái)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值，卡爾曼增益矩陣kt可以表示為：其中，pt為測(cè)量協(xié)方差矩陣，rt為誤差協(xié)方差矩陣。δt是梯度矩陣，該梯度矩陣決定了卡爾曼濾波算法的迭代跟新方向。測(cè)量協(xié)方差矩陣可以表示為：式中，以p0為測(cè)量協(xié)方差矩陣的初始值，p0可以表示為：梯度矩陣δt可表示為：(3)卡爾曼濾波算法更新迭代的表達(dá)式如下：it＝it-1+kt[eth-e(it-1)]其中，it是根據(jù)歷史電流值(上一狀態(tài)電流值)以及理論值計(jì)算得到的當(dāng)前狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)值。eth是理論值，即應(yīng)變標(biāo)定板設(shè)計(jì)的理論值(目標(biāo)值)。e(it-1)是將it-1帶入到上述擬合函數(shù)所求得的值。kt為卡爾曼增益矩陣。(4)最優(yōu)估計(jì)值的適定性評(píng)價(jià)最優(yōu)估計(jì)值計(jì)算完成之后，將最優(yōu)估計(jì)值帶入擬合方程來(lái)計(jì)算e(it)，將e(it)與理論值eth進(jìn)行對(duì)比，如果存在一個(gè)合適的小量ε，使得最優(yōu)估計(jì)值it為輸入量的應(yīng)變值e(it)與標(biāo)定板理論值eth滿足一下關(guān)系：|e(it)-eth|≤ε則it為最優(yōu)的電流值，之后的實(shí)驗(yàn)基于電流值it下的光照強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行。如果不滿足上述不等式，則以該狀態(tài)下的電流值it作為下一狀態(tài)的電流值it-1,以該狀態(tài)下協(xié)方差矩陣pt作為下一狀態(tài)的pt-1，并返回到步驟(2)，這樣就可以自循環(huán)遞推下去，直到計(jì)算得電流值滿足上述不等式。2、針對(duì)本發(fā)明快速、高效率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新的試樣模板，該試樣模板包含變形前后兩部分的信息，省略了在現(xiàn)場(chǎng)拉伸的步驟。先制作一個(gè)帶有標(biāo)記點(diǎn)的散斑圖片(用speckledgenerator這款軟件來(lái)制作)，然后在計(jì)算機(jī)圖像編輯軟件中模擬均勻拉伸，計(jì)算出模擬拉伸標(biāo)記點(diǎn)的應(yīng)變值(拉伸距離除上原長(zhǎng))。再分別打印出模擬拉伸前后的兩張圖片，如圖二所示。最后在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩張圖片分別保存在相同的位置。本發(fā)明提出一種新的方法，用led可編程燈光來(lái)實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的自動(dòng)配置，可以達(dá)到快速、精確配置到最優(yōu)的燈照環(huán)境的效果。本發(fā)明利用卡爾曼濾波算法來(lái)達(dá)到最優(yōu)估計(jì)的效果?？柭鼮V波是一種最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法，利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。本發(fā)明利用卡爾曼濾波算法來(lái)尋找能夠達(dá)到最優(yōu)光照強(qiáng)度的電流值。本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種靜態(tài)模擬拉伸的試件模板，有效的避免了在運(yùn)行本系統(tǒng)時(shí)反復(fù)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，該靜態(tài)模擬拉伸試件包含了拉伸變形前后的圖片信息，實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要進(jìn)行靜態(tài)攝像，無(wú)需進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，可以有效的滿足本發(fā)明所需要的快速、簡(jiǎn)便的要求。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：解決了使用傳統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)光強(qiáng)影響最后計(jì)算精度的弊端，通過(guò)設(shè)計(jì)出的試樣模板以及運(yùn)用卡爾曼濾波算法估算出最佳電流值i，可以使光照環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)，提高了實(shí)驗(yàn)精度，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟、使實(shí)驗(yàn)更加方便快捷精準(zhǔn)?？梢詮V泛應(yīng)用于三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量試驗(yàn)場(chǎng)合以及其他需要調(diào)節(jié)光照的場(chǎng)合。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明中模擬拉伸試樣的制作樣圖。具體實(shí)施方式卡爾曼算法在本發(fā)明中實(shí)施的流程如圖1所示，首先擬合出電流i與應(yīng)變值e的曲線關(guān)系，利用卡爾曼濾波算法，將計(jì)算得出的估計(jì)值結(jié)合測(cè)量值加以校正，讓每次改變電流值進(jìn)行計(jì)算得到的應(yīng)變值漸漸的逼近測(cè)量值(理論值)，直到計(jì)算得到的應(yīng)變值無(wú)限接近測(cè)量值時(shí)，此時(shí)可使電流值成為最優(yōu)，簡(jiǎn)而言之，就是估計(jì)+校正得出下一狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，以此循環(huán)。1、基于卡爾曼濾波算法的環(huán)境光強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法具體步驟：(1)利用三次多項(xiàng)式擬合法建立電流值i與應(yīng)變值e的關(guān)系因?yàn)殡娏鱥和應(yīng)變值e沒(méi)有明確的函數(shù)關(guān)系，所以采用擬合曲線的方法。假設(shè)電流的調(diào)控范圍是：0～i，取i＝0、i’＝0.333i、i”＝0.667i、i”’＝i，以這四個(gè)電流值進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出相應(yīng)的應(yīng)變值，可以得到用(i、e)表示的四個(gè)點(diǎn)如表一所示，通過(guò)這四個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合電流值和應(yīng)變值的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系。則假設(shè)函數(shù)關(guān)系為e(i)＝ai3+bi2+ci+d通過(guò)所取得點(diǎn)擬合出三次方程的系數(shù)a、b、c、d，由此可得電流應(yīng)變之間的關(guān)系。電流值iii’i”i”’應(yīng)變值eee’e”e”’表1(2)卡爾曼增益矩陣(kalmangain)的計(jì)算卡爾曼增益矩陣用來(lái)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值，卡爾曼增益矩陣kt可以表示為：其中，pt為測(cè)量協(xié)方差矩陣，rt為誤差協(xié)方差矩陣。δt是梯度矩陣，該梯度矩陣決定了卡爾曼濾波算法的迭代跟新方向。測(cè)量協(xié)方差矩陣可以表示為：式中，以p0為測(cè)量協(xié)方差矩陣的初始值，p0可以表示為：梯度矩陣δt可表示為：(3)卡爾曼濾波算法更新迭代的表達(dá)式如下：it＝it-1+kt[eth-e(it-1)]其中，it是根據(jù)歷史電流值(上一狀態(tài)電流值)以及理論值計(jì)算得到的當(dāng)前狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)值。eth是理論值，即應(yīng)變標(biāo)定板設(shè)計(jì)的理論值(目標(biāo)值)。e(it-1)是將it-1帶入到上述擬合函數(shù)所求得的值。kt為卡爾曼增益矩陣。(4)最優(yōu)估計(jì)值的適定性評(píng)價(jià)最優(yōu)估計(jì)值計(jì)算完成之后，將最優(yōu)估計(jì)值帶入擬合方程來(lái)計(jì)算e(it)，將e(it)與理論值eth進(jìn)行對(duì)比，如果存在一個(gè)合適的小量ε，使得最優(yōu)估計(jì)值it為輸入量的應(yīng)變值e(it)與標(biāo)定板理論值eth滿足一下關(guān)系：|e(it)-eth|≤ε則我們認(rèn)為it為最優(yōu)的電流值，我們之后的實(shí)驗(yàn)就可以基于電流值it下的光照強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行。如果不滿足上述不等式，則以該狀態(tài)下的電流值it作為下一狀態(tài)的電流值it-1,以該狀態(tài)下協(xié)方差矩陣pt作為下一狀態(tài)的pt-1，并返回到步驟(2)，這樣就可以自循環(huán)遞推下去，直到計(jì)算得電流值滿足上述不等式。2、針對(duì)本發(fā)明快速、高效率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新的試樣模板，該試樣模板包含變形前后兩部分的信息，省略了在現(xiàn)場(chǎng)拉伸的步驟。先制作一個(gè)帶有標(biāo)記點(diǎn)的散斑圖片(用speckledgenerator這款軟件來(lái)制作)，然后在計(jì)算機(jī)圖像編輯軟件中模擬均勻拉伸，計(jì)算出模擬拉伸標(biāo)記點(diǎn)的應(yīng)變值(拉伸距離除上原長(zhǎng))。再分別打印出模擬拉伸前后的兩張圖片，如圖二所示。最后在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩張圖片分別保存在相同的位置。當(dāng)前第1頁(yè)12