使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation, 3D-DIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton, IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.     

一种基于投影云纹法的三维形貌测量技术及其标定方法

投影云纹法测量物体的三维形貌具有非接触式、快速、全场测量的优势,且计算结果的分辨率和精度都很高。本文提出了一种新的投影云纹系统测量三维形貌的计算和标定方法,这种方法适用于由投影仪直接投影栅线的投影云纹系统,对光路没有特殊相对位置要求,标定过程对设备的要求低,简单易行,仅需一大一小两块平整的标定板即可实现对整个系统的标定。其可行性、正确性以及高精度的特点都被真实物体测量证实。     

三维数字图像测量系统稳定性的实验研究

基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法已被广泛应用于平面或曲面物体的表面形貌和三维变形测量。然而因相机自热、环境温度变化等内外部因素的影响,同一三维数字图像相关测量系统在不同时间,其内部参数会不可避免地发生微小改变,从而或多或少地引起额外的形貌和变形测量误差。为获得高精度的测量结果,需对由相机自热或环境温度变化引起的变形测量误差进行表征,并采用措施予以减小或消除此类误差。本文以石英玻璃平板为研究对象,利用三维数字图像相关测量系统对其位移和应变分布进行了连续5小时的测量,分析了测量结果随相机温度变化的关系曲线。研究结果显示,本文所用相机通电后其机壳温度一般约上升8~10℃甚至更高,所搭建的三维数字图像相关测量系统因相机温度变化所引起的应变测量误差在50~200με(约15~21με/℃)之间。本文还给出了相应建议来减小和消除相机或环境温度变化对三维变形测量的影响。     

非线性相位误差补偿的反相条纹投影法

在理论分析伽马非线性引起相位误差的基础上,本文提出一种新的反相条纹投影形貌测量方法,能补偿条纹投影法中非线性误差的影响。若相机和投影仪存在二阶和三阶伽马非线性残余,会造成四步相移法产生四倍频的非线性相位误差。通过预先引入偏移相位π/4到四步相移法中,使其对应的非线性相位误差发生变号,这样偏移前后的测量相位相加即可补偿非线性误差的影响。针对四步相移法,仿真模拟和实验结果显示出非线性相位误差的频率始终是条纹频率四倍,验证了反相条纹投影方法的可行性和适用性,与常规方法相比,具有更高的测量精度。     

基于体视显微镜的测量系统标定研究

微观三维变形测量系统在工程上有广泛的应用。本文构建了体视显微镜双相机微观图像采集与测量系统,可以实现对微小物体形貌、位移、变形的全场测量。微观三维变形的测量精度与成像系统的畸变模型存在密切的关系。本文采用了考虑多种不确定情况的畸变模型,能很好地表达体视显微镜测量系统的成像误差,并设计了点阵式标定模板和精密的平动平台,实现了基于Tsai标定的自动标定算法。实验表明,体视显微镜测量系统可以在各种放大倍数下稳定工作,标定的精度得到很大的提高,并给出了在不同放大倍数下对规则圆柱体的形貌和直径的测量结果。     

用DSPI方法和栅线投影法测量任意曲表面的三维变形

本文采用数字散斑干涉法和栅线投影法同时测量了任意曲表面的三维位移和三维形貌，并运用数字图像处理技术分析了曲表面的三维应变场，用实验方法获得了曲表面的主应变和主方向。     

热障涂层高温失效行为的正射投影-单相机三维数字图像相关实验研究

热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)作为一种隔热材料,可降低发动机高温部件的表面温度,提高涡轮发动机的整体性能。涂层服役过程中,TBC陶瓷层的失效将导致高温部件中的金属基底直接暴露于恶劣的高温环境中,严重影响发动机的安全性。其高温服役环境下的力学性能研究是备受材料和力学工作者关注的问题。本文结合热障涂层高温检测的需求,实现了涂层-基底异质表面的高对比度高温散斑制作;发展了正射投影-单相机三维数字图像相关方法(正射投影-单相机3DDIC),构建了跨界面形函数,实现了涂层与基底的三维形貌及位移、应变的同时测量;基于涂层结构的高温拉伸实验结果,建立了依据涂层-基底应变方差差值的涂层失效判断方法,得到了热障涂层在室温(27℃)至1000℃的断裂极限应变。实验结果表明,正射投影-单相机3DDIC方法作为一种可靠测试方法,可以应用于涂层结构高温下的力学失效行为研究。     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

固连于可控旋转平台相机的外参标定

为了进行大视场角的测量任务,可以将相机安装在运动精确可控的平台上,以平台的姿态运动来扩展相机的视场角。相机相对于平台的位姿关系的精确标定是保证测量结果准确的前提。本文主要利用一维标志物体,根据成像关系,建立了外参标定的约束方程;发展了线性求解外参的方法,以及非线性优化的标定方法。为了克服线性法正交性差,以及非线性优化法不能求解平移向量的缺点,总结出了组合求解法,该方法可以应用于仅能够作旋转运动的平台。数值模拟和实验结果均表明姿态角的标定精度较高,而平移向量则对噪声十分敏感。最后分析了算法偶尔出现奇异的原因。     

Development and assessment of a single-image fringe projection method for dynamic applications

A single-image fringe projection profiling method suitable for dynamic applications was developed by combining an accurate camera calibration procedure and improved phase extraction procedures. The improved phase extraction process used a modified Hilbert transform with Laplacian pyramid algorithms to improve measurement accuracy. The camera calibration method used an accurate pinhole camera model and pixel-by-pixel calibration of the phase-height relationship. Numerical simulations and controlled baseline experiments were performed to quantify key error sources in the measurement process and verify the accuracy of the approach. Results from numerical simulations indicate that the resulting phase error can be reduced to less than 0.02 radians provided that parameters such as fringe spacing, random measured intensity noise, fringe contrast and frequency of spatial intensity noise are carefully controlled. Experimental results show that the effects of random temporal and spatial noise in typical CCD cameras for single fringe images limits the accuracy of the method to 0.04 radians in most applications. Quantitative results from application of the fringe projection method are in very good agreement with numerical predictions, demonstrating that it is possible to design both a fringe projection system and a measurement process to achieve a prespecified accuracy and resolution in the point-to-point measurement of the spatial (X, Y, Z) positions.     

基于任意系统位置关系的投影云纹形貌测量技术研究

提出了一套完整的基于投影云纹系统的物体表面形貌测量方法,包括理论公式推导、系统线性近似误差分析、全场灵敏度系数标定方法、实际物体的实验测量结果。所提出的方法既不需要特定的系统硬件位置关系设置,也无需人为确定系统的几何参数。该方法在允许测量系统组件任意放置的情况下仍然能够获得很高的分辨率和精度,其有效性及正确性通过真实物体的实验得到证实。     

三维形状检测中的参数标定研究

应用投影栅线法在现场检测三维物体的形状时，参数标定是影响测量精度最重要的一个因素。本文研究了三维形状检测过程中的参数标定问题，并应用傅里叶位相解调技术处理实验数据。提出了坐标系统及几何参数的标定技术，推导出考虑栅线节距变化的计算公式。给出了部分实验结果，并讨论了测试精度。     

Three dimensional movement measurement for the wing of a flying airplane

The movement parameters of a wing of a flying airplane are important for its design, analysis and life-estimation, while the three dimensional (3D) measurement of these parameters is a difficult task. A measurement setup is proposed as well as its corresponding calibration methods for the camera system on both ground condition and air condition, image processing algorithms and a new method of locating 3D straight lines through plane-plane intersection are developed. The test results show that the 3D measurement accuracy in the condition of flying in the air can be better than 1 mm.     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

A convenient look-up-table based method for the compensation of non-linear error in digital fringe projection

Although the structured light system that uses digital fringe projection has been widely implemented in three-dimensional surface profile measurement, the measurement system is susceptible to non-linear error. In this work, we propose a convenient look-up-table-based(LUT-based) method to compensate for the non-linear error in captured fringe patterns. Without extra calibration, this LUT-based method completely utilizes the captured fringe pattern by recording the full-field differences. Then, a phase compensation map is established to revise the measured phase. Experimental results demonstrate that this method works effectively.     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一。摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段。本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括：提出折线光路像机链摄像测量方法与技术,用于船体等大型结构,不稳定平台的静态基准转换,以及地下工程、边坡等的多点变形长期动态监测;采用多摄像机联合组网,用于机翼、风电叶片等大型结构形貌与变形的高精度测量;在投影轮廓线辅助下进行多部像机组网,用于对大型堆场三维形貌、料堆体积和高程等的高精度测量等。     

DLT-Lines Based Camera Calibration with Lens Radial and Tangential Distortion

Background

Camera calibration is an essential step for the optical measurement method used in the experimental mechanics. Most plumb line methods focus on solving lens distortions without considering camera intrinsic and extrinsic parameters.

Objective

In this paper, we propose a full camera calibration method to estimate the camera parameters, including camera intrinsic parameters, extrinsic parameters and lens distortion parameters, from a single image with six or more non-coplanar lines.

Methods

We parameterize the 3D lines with the intersection of two planes that allow the direct linear transformation of the lines(DLT-Lines). Based on the DLT-Lines, the projection matrix is estimated linearly, and then the camera intrinsic and extrinsic parameters are extracted from the matrix. The relationship between the distorted 2D lines and the distortion coefficients is derived, based on which the distortion coefficients can be solved linearly. In the last step, a non-linear optimization algorithm is used to jointly refine all the camera parameters, including the distortion coefficients.

Results

Both synthetic and real data are used to evaluate the performance of our method, which demonstrates that the proposed method can calibrate the cameras with radial and tangential distortions accurately.

Conclusions

We propose a DLT-lines based camera calibration method for experimental mechanics. The proposed method can calibrate all the camera parameters from a single image.