[发明专利]单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法

说明书

本发明公开了一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，包括：安装、搭建光路系统，调整棱镜与相机之间、棱镜与待测试件所在区域之间的距离，以满足成像要求；在待测试件表面制备高清散斑图案，作为被测物表面的形貌信息载体；使用标定板对相机内部参数和四视角对应的外部参数进行标定；采集试样参考图像并对四视角图像进行分割与保存；使用数字图像相关算法对分割图像进行匹配运算并对匹配点进行三维重构得到点云数据；加载试样并对变形图像进行分割与储存；使用数字图像相关算法对分割图像进行匹配运算并对匹配点进行三维重构得到点云数据，根据参考图和变形图的三维点云数据和匹配关系计算三维位移和表面应变。

技术领域

本发明涉及一种基于单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，属于非接触三维变形测量技术领域。

背景技术

数字图像相关作为一种测量技术，不同于传统接触式测量方法，可以通过非接触测量方法实现对物体的高精度全场测量。基于双目立体视觉原理，三维数字图像作为一种非接触式的光学全场测量方法，它结合了数字图像相关法和计算机视觉原理，可以准确测量物体表面的三维形貌和变形。相比于光测力学中其他几种基于干涉原理的测量方法，它具有诸多优势，如设备简单、无需隔震、量程大、测量范围可控等。目前，三维数字图像相关技术被广泛应用于科学与工程领域。

对于三维数字图像相关方法，研究结果表明：双相机3D-DIC系统测量精度在X方向和Y方向不同，且其中某方向精度较低。若使用双向组合正交布置四相机3D-DIC系统，则可同时保证X方向和Y方向的测量精度。然而，随着相机数量的增多，系统设备的安装和搭建难度也随之增大，并且设备成本也随之增加。单相机四视角3D-DIC的提出，将会大大减少系统设备的成本，并在一定程度上减轻系统的搭建难度，进一步拓宽数字图像相关的应用范围。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，可以同时保证X方向和Y方向的测量精度，并且大幅度降低设备成本和操作难度，在高精度全场应变测量具有很好的应用前景。

上述目的通过以下技术方案实现：一种单相机四视角三维数字图像相关高精度变形测量方法，包括以下步骤：

(1)根据测量视场和成像视角，设计、加工并制作特定尺寸的四角锥棱镜；

(2)搭建由四角锥棱镜、单个相机所构成的光路系统并调整二者位置，该光路系统在被测试件测量过程中的被测区域被四角锥棱镜折射一分为四且成像清晰，同时所成四视角图像沿光路传递到相机端；

(3)在被测试样表面制备随机散斑图案，作为被测物体表面的形貌信息载体；

(4)对相机拍摄的四视角图像所对应的内参和外参进行标定，得到相机内部参数和四视角对应的外部参数；

(5)采集被测试件的四视角散斑图像，并进行分割与储存；

(6)对步骤(5)中的分割图像进行立体匹配，并根据步骤(4)得到的相机内部参数和四视角对应的外部参数对分割图像进行三维重构得到点云数据，进行变形前后的点云数据的对比运算，进而得到全场位移和应变数据。

进一步的，本发明方法中，在步骤(1)设计并加工的四角锥棱镜，是基于测量视场和成像视角，并依据光线折射原理设计加工而成，具体为：

O为空间中待测物体上任意一点，光线经点O反射至四角锥棱镜侧面，经侧面折射，光线沿水平光路传递至相机端，四角锥棱镜底面边长为a，高为h，测量视场工作距离为l，成像视角为θ，四角锥棱镜折射率为n，光线经侧面折射，入射角为α，反射角为β。

根据光线折射原理可得如下参数关系：

其中，a,h,α,β为未知量，求解上述方程，完成四角锥棱镜的参数设计。