一種用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖像處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光測(cè)力學(xué)、圖像匹配領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖 像處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital image correlation，DIC)，又稱(chēng)數(shù)字散斑相關(guān)法，是一 種不需要相干光源的光學(xué)測(cè)量方法。該方法是由美國(guó)南卡羅來(lái)納州大學(xué)Peter和Ranson在 上個(gè)世紀(jì)80年代初提出的基于數(shù)字圖形處理技術(shù)的全場(chǎng)測(cè)量方法。
[0003] 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電荷禪合器件(化arge Coupled Device,CCD)的發(fā)展， 基于現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)的Die法逐漸成為了現(xiàn)代全場(chǎng)測(cè)量的主要方法，廣泛應(yīng)用于固 體力學(xué)試驗(yàn)的各個(gè)方面。然而，傳統(tǒng)DIC算法在進(jìn)行整像素捜索時(shí)，僅能識(shí)別x，y兩個(gè)方向的 平動(dòng)位移，而無(wú)法識(shí)別被測(cè)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)物體變形前后存在較大轉(zhuǎn)角時(shí)，傳統(tǒng)DIC法計(jì)算 精度會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至無(wú)法收斂。梯度法、N-R法等亞像素匹配方法雖然可W檢測(cè)一定 程度轉(zhuǎn)角，但可檢測(cè)范圍很小只適用于小轉(zhuǎn)角情況，大轉(zhuǎn)角測(cè)量時(shí)計(jì)算精度迅速下降甚至 產(chǎn)生計(jì)算發(fā)散的情況。
[0004] 隨著DIC法逐步從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)界大型結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量，傳統(tǒng)DIC法局限性越來(lái) 越顯著，例如在飛機(jī)全尺寸試驗(yàn)過(guò)程中，待測(cè)區(qū)域不可避免地會(huì)包含一定的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)時(shí) 傳統(tǒng)DIC法無(wú)法給出令人滿(mǎn)意的測(cè)量結(jié)果。因此，需要一種新的DIC算法W解決包含大轉(zhuǎn)角 運(yùn)動(dòng)的位移(應(yīng)變)測(cè)量問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有DIC技術(shù)應(yīng)用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量時(shí)的不足，提供一種基于子圖像預(yù)旋 轉(zhuǎn)的能夠自動(dòng)檢測(cè)被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)角度的簡(jiǎn)單高效處理方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖像處理方法，包括W下 步驟：
[0007] (1)對(duì)于任意參考子圖像Si，給定初始角度θ = θ〇,即先預(yù)估變形前后圖像相對(duì)旋轉(zhuǎn) 角度9〇。
[000引（2)適當(dāng)放大參考子圖像Si(擴(kuò)展子圖像)并預(yù)旋轉(zhuǎn)角度Θ，然后在擴(kuò)展子圖像中屯、 處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)參考子圖像SS。
[0009] (3)預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像SS在變形圖像中進(jìn)行整像素捜索，捜索判據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差 相關(guān)函數(shù)，其具體形式為：
[0010]
[0011]式中，Ii為參考圖像的像素灰度值，12為變形圖像的像素灰度值，r為參考子圖像中 屯、處的位置矢量，U為變形圖像相對(duì)參考圖像的位移矢量，Ω為進(jìn)行相關(guān)匹配的子圖像范 圍。
[0012] (4)判斷整像素捜索范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)是否大于設(shè)定值(如0.8)，若"是"貝贓行 第(5)步;若"否"則采用遍歷方法重新設(shè)定預(yù)估值。遍歷區(qū)間取[-31,31]，遍歷間隔取V9(根 據(jù)散斑圖像質(zhì)量可適當(dāng)放大或縮小間隔）。對(duì)于遍歷區(qū)間內(nèi)任一取值Θ/，令θ = θ/，進(jìn)行第 (2)和第(3)步，然后判斷最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值，若"否"則令Θ取下一個(gè)遍歷值，再 進(jìn)行第(2)和第(3)步;若"是"則進(jìn)行第(5)步。
[0013] (5)采用曲面擬合法、梯度法或N-R法等亞像素算法進(jìn)行亞像素匹配計(jì)算，并獲得 位移場(chǎng)u、v。
[0014] (6)采用局部擬合法，由位移場(chǎng)u、v計(jì)算出轉(zhuǎn)角Θ，具體計(jì)算公式為：
[0015]
[0016]式中，u、v分別為x、y方向的位移量。
[0017] (7化第(6)步計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)角Θ功真實(shí)轉(zhuǎn)角Θ的一階近似，采用迭代方法，令θ = θι 進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)，依次進(jìn)行(2)、（ 3)、（ 5)、（ 6)步，獲得2階精度轉(zhuǎn)角Θ2。
[0018] (8)w此類(lèi)推，直至Θη-Θη-Ι<θ時(shí)停止迭代（e是指轉(zhuǎn)角Θ的精度要求，視測(cè)量要求和 圖像質(zhì)量而定），最終獲得位移場(chǎng)U、V，轉(zhuǎn)角Θ，Κ及應(yīng)變?chǔ)纽?、εγ和?xy。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:采用對(duì)參考子圖像預(yù)處理 的方法，逐步迭代獲得被測(cè)物體轉(zhuǎn)角，該方法對(duì)傳統(tǒng)DIC算法改動(dòng)小，編程復(fù)雜度低，易于實(shí) 現(xiàn);該方法對(duì)0°到360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角均可識(shí)別，測(cè)量范圍廣，精度高。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的原理圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0023] 圖1是本發(fā)明的原理圖，圖中"S"表示圖像中的散斑圖樣。當(dāng)物體變形前后存在轉(zhuǎn) 角9時(shí)，采用對(duì)參考子圖像進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)的處理方法，可有效解決傳統(tǒng)DIC方法無(wú)法識(shí)別物體 旋轉(zhuǎn)角度的問(wèn)題，即先對(duì)子圖像進(jìn)行擴(kuò)展，獲得比參考子圖像稍大的圖像區(qū)域(擴(kuò)展子圖 像）；再對(duì)擴(kuò)展子圖像進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)處理，并在擴(kuò)展子圖像中屯、處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像少1。獲得 預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像后，采用傳統(tǒng)DIC方法在變形后圖像中進(jìn)行整像素捜索和亞像素匹配，最 終獲得被測(cè)物體的變形信息(位移、應(yīng)變等）。
[0024] 圖2是本發(fā)明的流程圖。各步驟具體實(shí)施細(xì)節(jié)如下：
[0025] (1)在參考圖像Ii中等間距劃分MXN個(gè)計(jì)算點(diǎn)，對(duì)于每一個(gè)計(jì)算點(diǎn)選取其鄰域圖 像塊(子圖像&)。對(duì)于任一參考子圖像Si，輸入初始轉(zhuǎn)角θ = θ〇,即先預(yù)估變形前后圖像相對(duì) 旋轉(zhuǎn)角度θ〇(當(dāng)無(wú)法預(yù)估初始轉(zhuǎn)角時(shí)，令θ〇 = 0)。
[0026] (2)適當(dāng)放大參考子圖像Si(擴(kuò)展子圖像)并預(yù)旋轉(zhuǎn)角度Θ，然后在擴(kuò)展子圖像中屯、 處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)參考子圖像S^i。
[0027] (3)預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像S^i在變形圖像中進(jìn)行整像素捜索，捜索判據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差 相關(guān)函數(shù)，其具體形式為：
[002引
[0029] 式中，Ii為參考圖像的像素灰度值，12為變形圖像的像素灰度值，r為參考子圖像中 屯、處的位置矢量，U為變形圖像相對(duì)參考圖像的位移矢量，Ω為進(jìn)行相關(guān)匹配的子圖像范 圍。
[0030] (4)判斷整像素捜索范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值(如0.8)，若"是"則進(jìn) 行第（5)步；若"否"則采用遍歷方法重新設(shè)定預(yù)估值。遍歷區(qū)間取[-31,31]，遍歷間隔取V9 (根據(jù)散斑圖像質(zhì)量可適當(dāng)放大或縮小間隔）。對(duì)于遍歷區(qū)間內(nèi)任一取值Θ/，令θ=θ/，進(jìn)行 第(2)和第(3)步，然后判斷最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值，若"否"則令Θ取下一個(gè)遍歷值， 再進(jìn)行第(2)和第(3)步;若"是"則進(jìn)行第(5)步。
[0031] (5)采用曲面擬合法、梯度法或N-R法等亞像素算法進(jìn)行亞像素匹配，并獲得位移 場(chǎng)U、V。
[0032] (6)采用局部擬合法，由位移場(chǎng)u、v計(jì)算出轉(zhuǎn)角Θ，具體計(jì)算公式為：
[0033]
[0034] 式中，u、v分別為x、y方向的位移量。
[0035] (7)由第(6)步計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)角θι為真實(shí)轉(zhuǎn)角Θ的一階近似，采用迭代方法，令θ = θι 進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)，依次進(jìn)行(2)、（ 3)、（ 5)、（ 6)步，獲得2階精度轉(zhuǎn)角Θ2。
[0036] (8似此類(lèi)推，直至Θη-Θη-Ι<θ時(shí)停止迭代（e是指轉(zhuǎn)角Θ的精度要求，視測(cè)量要求和 圖像質(zhì)量而定），最終獲得位移場(chǎng)U、V，轉(zhuǎn)角Θ，Κ及應(yīng)變?chǔ)纽?、εγ和?xy。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖像處理方法，其特征在于:先對(duì)子圖像進(jìn)行擴(kuò)展，獲得 比參考子圖像稍大的圖像區(qū)域;再對(duì)擴(kuò)展子圖像進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)處理，并在擴(kuò)展子圖像中心處 選取預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像，獲得預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像5\后，采用傳統(tǒng)DIC方法在變形后圖像中進(jìn)行整 像素搜索和亞像素匹配，最終獲得被測(cè)物體的變形信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖像處理方法，其特征在于包括以下 步驟： (1) 對(duì)于任意參考子圖像S1，給定初始角度θ = θ〇,即先預(yù)估變形前后圖像相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度 θ〇； (2) 適當(dāng)放大參考子圖像S1并預(yù)旋轉(zhuǎn)角度Θ，然后在擴(kuò)展子圖像中心處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)參考 子圖像Y1; (3) 預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像5\在變形圖像中進(jìn)行整像素搜索，搜索判據(jù)選擇標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān) 函數(shù)，其具體形式為：式中，I1為參考圖像的像素灰度值，I2為變形圖像的像素灰度值，r為參考子圖像中心處 的位置矢量，U為變形圖像相對(duì)參考圖像的位移矢量，Ω為進(jìn)行相關(guān)匹配的子圖像范圍； (4) 判斷整像素搜索范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)是否大于設(shè)定值，若"是"則進(jìn)行第(5)步;若 "否"則采用遍歷方法重新設(shè)定預(yù)估值;選取遍歷區(qū)間和遍歷間隔，對(duì)于遍歷區(qū)間內(nèi)任一取 值θ'，令θ = θ'，進(jìn)行第(2)和第(3)步，然后判斷最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值，若"否"則 令Θ取下一個(gè)遍歷值，再進(jìn)行第(2)和第(3)步;若"是"則進(jìn)行第(5)步； (5) 采用曲面擬合法、梯度法或N-R法等亞像素算法進(jìn)行亞像素匹配計(jì)算，并獲得位移 場(chǎng)u、V ; (6) 采用局部擬合法，由位移場(chǎng)u、v計(jì)算出轉(zhuǎn)角Θ，具體計(jì)算公式為：式中，u、V分別為x、y方向的位移量； (7) 由第(6)步計(jì)算獲得的轉(zhuǎn)角Q1為真實(shí)轉(zhuǎn)角Θ的一階近似，采用迭代方法，令0 = 0:進(jìn)行 預(yù)旋轉(zhuǎn)，依次進(jìn)行(2)、（ 3)、（ 5)、(6)步，獲得2階精度轉(zhuǎn)角Θ2; (8) 以此類(lèi)推，直至θη-θη-Ke時(shí)停止迭代，e是指轉(zhuǎn)角Θ的精度要求，最終獲得位移場(chǎng)u、v， 轉(zhuǎn)角Θ，以及應(yīng)變?chǔ)?χ、εγ和γχγ。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖像處理方法，其特征在于:步驟(4) 中，遍歷區(qū)間取[-^]，遍歷間隔取V9,可根據(jù)散斑圖像質(zhì)量可適當(dāng)放大或縮小間隔。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于大轉(zhuǎn)角測(cè)量的數(shù)字圖像處理方法，先對(duì)子圖像進(jìn)行擴(kuò)展，獲得比參考子圖像稍大的圖像區(qū)域(擴(kuò)展子圖像)；再對(duì)擴(kuò)展子圖像進(jìn)行預(yù)旋轉(zhuǎn)處理，并在擴(kuò)展子圖像中心處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像獲得預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像后，采用傳統(tǒng)DIC方法在變形后圖像中進(jìn)行整像素搜索和亞像素匹配，最終獲得被測(cè)物體的變形信息。本發(fā)明對(duì)0°到360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角均可識(shí)別，測(cè)量范圍廣，精度高。
【IPC分類(lèi)】G06T7/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105447858
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510790299
【發(fā)明人】秦利軍, 龔興龍, 繆泓, 李朝光, 杜興剛, 杜龍, 彭志軍, 朱親強(qiáng), 王紅飛, 朱翔, 王學(xué)強(qiáng), 呂萬(wàn)韜, 王震, 姜亞娟, 徐丹, 余凌晶, 胡博海
【申請(qǐng)人】江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司
【公開(kāi)日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日