数字散斑相关方法及应用进展

数字散斑相关方法（DSCM）是一种可以测量变形和应变的光学非接触测量方法,其通过对变形前后物体表面的图像进行灰度信息相关计算来获取被测物的力学性能。本文叙述了数字散斑相关方法近年来在国内外的发展动态和应用现状,详细论述了基于自适应遗传算法、智能神经网络方法、小波变换法的一系列新型相关搜索方法。文章指出,近年来,数字散斑相关技术已发展到相对成熟,目前的研究重点是提高测试精度和图像处理速度,而提高散斑图像质量和研究高效的算法是需要努力的方向。     

研究子窗口对数字散斑相关计算影响的新方法

子窗口尺寸选择是数字散斑相关计算中的一个重要问题,对计算结果的精确度有重要的影响,研究了子窗口内各像素对计算结果的影响,并提出了一种新的方法用于处理该问题。该方法不再像传统数字散斑相关方法中那样平等对待所有的像素,而是根据它们从目标图像中识别出子窗口的能力分别处理,各像素的权系数由分布函数根据它们与参考图像子窗口中心的距离计算得到。与传统的选择子窗口尺寸的方法相比,该方法不仅具有根据不同测试条件选择合适数量的像素包含进子窗口的功能,而且缓解了子窗口边缘像素对计算结果的影响,提高了相关计算的精度。     

数字散斑时间序列相关三维面形测量方法

提出了一种测量三维面形的新方法,将随机数字散斑投影到参考平面上,深度方向等间距平移参考平面,用CCD提取时间序列散斑参考集R（t)。然后用被测物体取代参考平面,获取物体调制散斑图像O。O中的任意子图像O（x,y)与参考平面簇中对应位置的时间序列子图像R（x,y:t)之间的交叉相关值曲线呈高斯分布,其峰值位置就是被测物点的高度。该方法摆脱了以前数字散斑测量法水平相关思路,是真正的时间序列相关方法,且原理简单,测量精度高,不需要复杂的相位展开和校准过程,特别适用于测量突变面形和空间离散面形,根据测量结果的误差特征,提出了相关值加权邻平均插值算法,能得到比邻平均算法更好的测量结果。     

频域数字散斑相关法对双材料界面裂纹的研究

本文将数字散斑相关方法与显微放大技术相结合,对铜、钢双材料界面裂纹试作进行了研究,提出了频率城数字散斑相关法,该方法在频率域中利用物体变形前后散斑图对应子区域的相关搜索来测量物体的变形位移,该方法与常用的空间域数字相关法相比,避免了相关识别中的反复搜索,极大地提高了信息提取速度,并且具有更高的定位精度和测量精度。文章最后给出了实验结果。     

立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形场

采用立体摄影术与数字图像相关技术相结合的方法测量了三维位移场。首先利用两个CCD摄像机在空间两个不同位置拍摄物体表面在变形前后同一个区域之间的散斑图像;然后利用数字散斑相关技术求解这四幅散斑图像之间的相对位移;最后利用立体摄影的几何转换公式来确定物体表面的三维变形场。给出了该立体摄影测试系统的标定结果以及编织复合材料试件的三维变形测量结果。     

抛喷丸表面的多波长散斑自相关法粗糙度测量

粗糙表面产生的多波长远场散斑图案的散斑延长现象可以用来进行表面粗糙度测量。以抛喷丸表面为研究对象,具体介绍了多波长散斑自相关表面粗糙度测量方法。根据多波长散斑图案的各向同性径向辐射的特征,提出了适用的数字图像处理方法。探讨了局部自相关函数特征长度的选取、数字图像处理过程中的局部窗口尺寸和散斑图像的饱和曝光比等因素对散斑延长效应的影响。通过拍摄和处理每一样品表面多个位置的多波长远场散斑图像,计算了Ra分别为0.4,0.8,1.6和3.2μm的表面样块的光学粗糙度指标值。结果表明,该光学粗糙度指标能很好反映被测表面的粗糙程度。     

散斑面内形变场检测系统设计

数字散斑测量是一种非接触、全场测量的高精度光测方法。该系统由散斑生成装置、数据采集装置和数据处理装置三部分组成。散斑生成装置将扩散的激光束投射到待测物体上,用接收屏接收物体散射生成的散斑图像。数据采集装置主要由CCD和数字采集卡组成,CCD拍摄散斑图像,并将其传输给数字采集卡,经采集卡转换成数字图像,以矩阵形式输入到数据处理装置。数据处理装置根据光学相关识别技术设计的检测程序对采集到的数字图像进行相关运算,通过对相关峰的准确定位来获取物体的形变信息。     

旋转锥镜相机研测动态曲率和斜率

采用旋转锥镜相机，进行激光散斑剪切照相，研测缓慢变形物体的动态曲率和斜率。拍摄一张散斑图即可获得曲率和斜率动态变化的全过程。     

旋转锥镜相机研制动态曲率和斜率

采用旋转锥镜相机，进行激光散斑剪切照相，研测缓慢变形物体的动态曲率和斜率。拍摄一张散斑图即可获得曲率和斜率动态变化的全过程。     

基于物体像的干涉条纹图像中散斑噪声的识别方法

散斑噪声是激光干涉时的普遍现象,其覆盖被测表面对应区域的形状信息,造成测量误差。针对斜入式激光干涉测量中散斑噪声的特点,提出一种基于物体像的散斑噪声的识别方法。该方法通过统计物体像中有效测量区域和背景区域内灰度分布的特点,自动计算出判定散斑噪声的上下阈值。基于物体像与干涉条纹图像间微米级的映射关系,得到干涉条纹图像中散斑噪声的位置。设计了相关实验,对干涉条纹图像中识别出的散斑噪声区域进行修补,消除了包裹相位图中一个条纹周期内相邻像素点间大于π的相位突变。     

数字散斑亚像素小角位移测量的曲面拟合法

与传统测量方法相比,数字散斑相关法由于其目标特征单元网格划分的灵活性,能够更好地满足不同场合小角位移的测量需求。针对该方法亚像素小角位移测量的曲面拟合参数选择问题,研究了亚像素测量图像小角旋转前后的九点二次曲面拟合法,并根据计算机生成模拟散斑进行模拟实验分析,得到最佳误差效率优化条件下的曲面拟合法求解亚像素小角位移的最佳散斑尺寸3.5 pixel、计算窗口尺寸41×41 pixel和拟合窗口尺寸3×3 pixel。实验验证了上述测量参数的有效性,为进一步的曲面拟合法数字散斑成像角位移测量提供参考。     

基于梯度的数字体图像相关方法测量物体内部变形

数字体图像相关方法通过分析两幅以体素为单位的三维体图像获得物体内部的三维变形信息.在利用数字体图像相关方法测量物体内部变形的过程中,整体素的位移场可以通过简单的空域搜索获得,因此如何计算亚体素位移是提高该方法位移测量精度的关键.介绍了一种基于空间灰度梯度的亚体素位移测量算法,并用计算机模拟生成的可精确控制位移的三维散斑...     

基于经验小波变换及核概率密度的物体表面变形测量

采用CCD相机采集物体变形前后的散斑图片,利用一维经验小波变换对散斑图片进行逐行分解,获得一系列的固有分量.根据分解后分量的核概率密度函数提出基于核概率密度的自适应降噪法,去除噪声干扰,提取跟变形信息相关的分量并重构,利用重构后的每一行获得变形前后重构散斑图.采用Hilbert法计算重构后散斑图的相位,对变形前后散斑图相位进行相减,根据相位差进行解包裹获得物体表面变形信息.实验结果表明该方法能够有效地对物体表面变形进行测量,且测量精度较经验模态分解提高4倍.     

基于MEMS陀螺仪的光学图像拼接

提出了一种利用刚性连接于光学系统的微机械陀螺仪的光学图像拼接加速算法.该方法基于相机投影模型和坐标变换关系建立相机运动与像素坐标移动的关系;根据陀螺仪数据计算拍摄前后两幅待拼接图像期间相机的旋转角度,确定两幅待拼接图中特征点搜索窗口大小;然后基于SURF特征提取算法,提取待拼接两幅图片中的特征点,在搜索窗口内寻找匹配特征点对,避免了全局搜索从而减小计算量,加快匹配速度.实验搭建了硬件平台以验证算法可行性,与传统全局搜索匹配相比,运行时间减少了31%.     

基于单幅数字散斑投影及图像相关的离面振动测量

采用单幅数字散斑图投影及高速数字图像采集技术,研究了动态离面位移的测量。采用商用液晶投影仪将计算机产生的模拟散斑图投影到待测动态变形物体表面,由高速数字图像采集设备摄取并保存变形散斑图,采用时间序列数字图像相关软件计算出物体表面各点随时间变化的离面位移。这种方法用于振动分析时不仅可以获得振型分布,而且还可以获得各点的振幅值。与现有的激光频闪照相测振及激光多普勒测振等方法相比,具有光学系统简单,可全场定量测量。悬臂梁振动实验结果证实了该方法的有效性。     

基于多角度无透镜傅里叶变换数字全息的散斑噪声抑制成像研究

在数字全息成像中,散斑噪声严重影响了再现像的信噪比和成像分辨率,因此为了提高数字全息成像质量,迫切需要抑制再现像的散斑噪声.分析并给出了矩形散射光斑的强度协方差,定量计算了特定实验条件下产生退相关散斑图样的最小角度差.结合透镜的性质设计并搭建了多角度无透镜傅里叶变换数字全息成像系统,利用光纤端面在透镜焦平面的二维机械移动代替传统反射镜的旋转,使照明光束在不改变照明位置和大小的同时,可任意改变光束方向.移动光纤端面使多角度照明满足最小角度差,获取了81幅数字全息图.利用单次快速傅里叶逆变换实现数值再现,对多幅再现像的强度像求平均,实验结果表明散斑对比度降低为单幅再现像的14.6%,使图像信噪比提高了6.9倍.该抑制散斑的多角度数字全息成像方法有效的抑制了散斑噪声,且成像光路结构简单,可操作性强.     

Statistical property of dynamic speckles produced by a rotating cylinder object

高斯光束照射以固定角速度旋转的粗糙圆柱体表面,反射空间形成随着被测表面运动变化的动态散斑.研究了照射面积大于圆柱曲面条件下在远场衍射区形成的动态散斑统计特性,得到了不同入射条件及不同圆柱时动态散斑强度起伏空间-时间归一化相关函数.结果表明:随着圆柱半径、旋转速度以及照射光斑有效面积的增大,动态散斑强度起伏相关性快速减小;当圆柱旋转速度恒定,动态散斑光强起伏相关函数的峰值随着探测点之间距离的增大而减小,但峰值的位置随之而增大;在近似点照射情况下随着圆柱半径的增大空间相关长度基本不变,而相关时间性明显增大.     

旋转圆柱目标的动态散斑统计特性(英)

高斯光束照射以固定角速度旋转的粗糙圆柱体表面,反射空间形成随着被测表面运动变化的动态散斑。研究了照射面积大于圆柱曲面条件下在远场衍射区形成的动态散斑统计特性,得到了不同入射条件及不同圆柱时动态散斑强度起伏空间-时间归一化相关函数。结果表明:随着圆柱半径、旋转速度以及照射光斑有效面积的增大,动态散斑强度起伏相关性快速减小;当圆柱旋转速度恒定,动态散斑光强起伏相关函数的峰值随着探测点之间距离的增大而减小,但峰值的位置随之而增大;在近似点照射情况下随着圆柱半径的增大空间相关长度基本不变,而相关时间性明显增大。     

基于微区统计特性的数字散斑相关测量亚像素位移梯度算法

提出了一种形式简单、求解快速、稳定性好和精度高的用于数字散斑相关方法亚像素位移求解的微区梯度算法。介绍了算法原理,并给出了四种不同模式的算法公式。采用模拟图像,介绍了四种模式在计算时间、计算子窗口时对结果的影响,并对适用范围和求解精度等方面进行了分析对比。最后的计算实例验证了算法的可行性和优越性。     

基于双目光栅重建和纹理映射的缺陷三维测量方法

针对工业检测中对表面缺陷的高精度检测和定位需求,提出了一种缺陷特征重建方法。通过在基于双目光栅投影的三维重构系统上附加纹理相机,实现对于重构点云模型的纹理映射,并结合纹理相机图像中提取到的特征区域,完成表面特征的三维重构。针对待测物体需要进行多视角重建的情况,引入精密转台,利用旋转轴标定方法获取不同旋转位置下纹理图像与点云数据的映射关系,并利用基于距离判据的判断方法实现了对遮挡部分点云的剔除。采用四象限临近点搜索和基于距离加权平均的线性插值方法对纹理图像中像素坐标进行三维测量。实验完成了对于图像中标注缺陷轮廓内像素点的重建,实现了对于表面特征的精确尺寸计算和定位,通过对重建的缺陷尺寸和位置进行计算并与影像测量仪测得结果进行对比,可得本文方案对缺陷三维尺寸和位置的测量误差不超过0.2 mm,且能更准确地计算缺陷面积。