專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于相位渦旋的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量微小位移的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法。具體的說(shuō)是涉及一種基 于相位渦旋特征參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體微小位移的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量。
背景技術(shù)：
激光散斑是指當(dāng)激光照射在粗糙物體表面上時(shí)，在反射場(chǎng)或透射場(chǎng)形成的看似雜 亂無(wú)章而又符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的明暗相間的斑點(diǎn)。散斑攜帶了被測(cè)物體的信息，通過(guò)對(duì)散斑場(chǎng) 的分析可以得到被測(cè)物體的變化信息。數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法是二十世紀(jì)80年代初由日 本的I. Yamaguchi和美國(guó)的W. H. Peters及W. F. Ranson等人提出的，用于測(cè)量物體面內(nèi) 位移的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法；它具有光路簡(jiǎn)單、全場(chǎng)測(cè)量、非接觸及對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低 等優(yōu)點(diǎn)；因而在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，專(zhuān)利“飛秒激光散斑相關(guān) 法測(cè)量微小位移的裝置和方法”(授權(quán)號(hào)為ZL200610026621，授權(quán)日為2008. 04. 02)，通過(guò) 對(duì)物體變形前后兩幅散斑光強(qiáng)圖的相關(guān)運(yùn)算能夠?qū)崿F(xiàn)亞像素位移的精度測(cè)量，其不足之 處是該方法需要飛秒激光系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)昂貴且不易維護(hù)，限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍；專(zhuān) 利“骨小梁的提取與力學(xué)性能測(cè)量方法及其測(cè)量裝置”(公開(kāi)號(hào)為CN101158679，
公開(kāi)日
為2008. 04. 09)，公開(kāi)了一種利用數(shù)字散斑相關(guān)方法對(duì)骨小梁的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量的方法 及裝置，該專(zhuān)利是數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法的新應(yīng)用，而沒(méi)有關(guān)注該方法本身的測(cè)量準(zhǔn)確性 及精度；專(zhuān)利“一種多功能薄膜力學(xué)性能檢測(cè)裝置”(公開(kāi)號(hào)為CN101788427A，
公開(kāi)日為 2010. 07. 28)，該裝置采用數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量薄膜變形，結(jié)合鼓泡法和改良移層法，可 獲得薄膜與涂層的力學(xué)性能；該裝置也是利用散斑強(qiáng)度圖直接進(jìn)行相關(guān)搜索，而沒(méi)有考慮 圖像受噪聲污染等影響因素。分析可知，在現(xiàn)有公開(kāi)的文獻(xiàn)資料中，在對(duì)數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法及其應(yīng)用研究 方面，大都采用實(shí)驗(yàn)獲得的散斑光強(qiáng)圖像進(jìn)行直接相關(guān)搜索來(lái)進(jìn)行測(cè)量，而實(shí)際測(cè)量中散 斑圖中背景噪聲及高頻噪聲的存在降低了數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題提供一種基于相位渦旋的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法，它 能夠有效消除背景噪聲和高頻噪聲的影響，可快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)亞像素精度的測(cè)量。本發(fā)明是利用數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量光路獲得被測(cè)物體移動(dòng)前和移動(dòng)后兩個(gè)狀態(tài)的 散斑光強(qiáng)圖像，然后利用拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波器對(duì)這兩幅圖像進(jìn)行濾波獲得光強(qiáng)復(fù)數(shù)信 號(hào)；分別提取出它們的實(shí)部零值線與虛部零值線，通過(guò)實(shí)部零值線與虛部零值線的交叉點(diǎn) 得到被測(cè)物體移動(dòng)前、后兩個(gè)狀態(tài)的相位渦旋分布；計(jì)算出每個(gè)相位渦旋的拓?fù)潆姾商卣?參數(shù)，獲得兩幅散斑圖像的拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣；最后，對(duì)這兩個(gè)拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到被測(cè)物體的位移信息。本發(fā)明的方法，主要包括如下步驟(1)用CXD相機(jī)記錄被測(cè)物體移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑光強(qiáng)圖I1U, y)、I2 (X，y)，為保證測(cè)量精度，應(yīng)使散斑圖中的散斑顆粒的平均直徑為4 6Pixels，散斑圖像應(yīng)大于 512X512Pixels ；將兩幅散斑光強(qiáng)圖存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理；(2)用拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波器，對(duì)移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑光強(qiáng)圖IiO^y^IJx， y)進(jìn)行濾波，得到它們的光強(qiáng)復(fù)數(shù)信號(hào)分布Z1 (χ,力、^(Xj);拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波器的 帶寬應(yīng)等于散斑圖中散斑顆粒的平均直徑；(3)然后，提取出物體移動(dòng)前光強(qiáng)復(fù)數(shù)信號(hào)/,(X，_y)的實(shí)部與虛部零值線，通過(guò)實(shí)部 與虛部零值線的交叉點(diǎn)得到物體移動(dòng)前散斑場(chǎng)的相位渦旋分布；再提取出物體移動(dòng)后光強(qiáng) 復(fù)數(shù)信號(hào)的實(shí)部與虛部零值線，通過(guò)實(shí)部與虛部零值線的交叉點(diǎn)得到物體移動(dòng)后散 斑場(chǎng)的相位渦旋分布；(4)通過(guò)移動(dòng)前相位渦旋分布計(jì)算出拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣qi(x，y)，再通過(guò)移動(dòng) 后相位渦旋分布計(jì)算出拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣q2(x，y)；(5)在移動(dòng)前拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣Ci1 (x，y)中，以數(shù)據(jù)中心點(diǎn)為中心選擇大小在 41X41 61X61Pixels間的子區(qū)作為搜索區(qū)域，然后，利用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)，在被 測(cè)物體移動(dòng)后的拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣q2(x，y)中以數(shù)據(jù)中心點(diǎn)為起點(diǎn)，在X，y方向進(jìn)行 相關(guān)搜索；當(dāng)相關(guān)系數(shù)最大時(shí)，停止搜索，得到散斑場(chǎng)在x，y方向的位移(μ，ν)，成像光路 的放大倍數(shù)為Μ，則被測(cè)物體的位移量為(μ/Μ，ν/Μ)。本發(fā)明的工作原理是在數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量中，利用CCD相機(jī)記錄物體移動(dòng)前和移動(dòng)后兩幅散斑光強(qiáng)灰 度圖，分別用I1(XdhI2O^y)來(lái)表示；然后存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。在移動(dòng)前的散斑 圖I1(Xd)中以中心點(diǎn)P點(diǎn)為中心取大小為mXm的子區(qū)A作為相關(guān)搜索區(qū)域；當(dāng)被測(cè)物體 發(fā)生移動(dòng)后，子區(qū)A移至子區(qū)B的位置，P點(diǎn)移動(dòng)到P'點(diǎn)。由統(tǒng)計(jì)學(xué)知，A與B這兩個(gè)樣本 空間的相關(guān)系數(shù)最大。因此，可以利用下式的標(biāo)準(zhǔn)化自協(xié)方差相關(guān)函數(shù)來(lái)求其相關(guān)系數(shù)，
MM_—
Σ Σ [i^,y)-lmJ_i2{x+M,y+y)-hm]
C(//’v)= , X-M y-M,(1)
vr^ 7MM,MM,V J
J ΣΣ Σ [I2(x+M,y+V)-T2m]2
y x=-M y=-M\ x=-M y--M其中，(μ , V)為從P點(diǎn)搜索P'點(diǎn)時(shí)在X，y方向上移動(dòng)的位移，c(y，V)為改 點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)，I1(x,y),I2(x+y,y+v)分別為移動(dòng)前和移動(dòng)后散斑圖像中各像素點(diǎn)灰度，
分別為相關(guān)搜索子區(qū)A，B的平均灰度值；根據(jù)相關(guān)系數(shù)的最大值來(lái)確定子區(qū)B的位 置，最終得到散斑場(chǎng)移動(dòng)后P'點(diǎn)在x，y方向的位移(μ，ν)；公式⑴中，m = 2M+l。而在散斑測(cè)量中，當(dāng)光場(chǎng)的復(fù)振幅為零時(shí)，其實(shí)部和虛部在空間該點(diǎn)同時(shí)為零，在 該點(diǎn)產(chǎn)生相位奇異現(xiàn)象，稱(chēng)為散斑相位渦旋。相位渦旋攜帶了散斑場(chǎng)的變化信息，因此，本 發(fā)明提出利用相位渦旋作為特征因子來(lái)實(shí)現(xiàn)散斑相關(guān)測(cè)量。在數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量中，CCD相 機(jī)記錄的散斑圖是光強(qiáng)分布圖，丟失了相位信息；本發(fā)明首先通過(guò)拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波 器將光強(qiáng)I U，y)分布復(fù)原為復(fù)數(shù)信號(hào)分布，
權(quán)利要求
1.一種基于相位渦旋的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟(1)用CCD相機(jī)記錄被測(cè)物體移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑光強(qiáng)圖I1(XdhI2O^y),將兩幅 散斑光強(qiáng)圖像存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理；(2)用拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波器，對(duì)移動(dòng)前和移動(dòng)后的散斑光強(qiáng)圖I1(^y)U2(Iy)進(jìn) 行濾波，得到光強(qiáng)復(fù)信號(hào)分布{x,y)、I2 {x,y)；(3)然后，提取出物體移動(dòng)前光強(qiáng)復(fù)信號(hào)/,(X,的實(shí)部與虛部零值線，通過(guò)實(shí)部與虛部 零值線的交叉點(diǎn)得到物體移動(dòng)前散斑場(chǎng)的相位渦旋分布；再提取出物體移動(dòng)后光強(qiáng)復(fù)信號(hào) A(U)的實(shí)部與虛部零值線，通過(guò)實(shí)部與虛部零值線的交叉點(diǎn)得到物體移動(dòng)后散斑場(chǎng)的相 位渦旋分布；(4)通過(guò)移動(dòng)前相位渦旋分布計(jì)算出拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣Ci1(X，y)，再通過(guò)移動(dòng)后相 位渦旋分布計(jì)算出拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣q2(x，y)；(5)在移動(dòng)前拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣qi(x，y)中，以數(shù)據(jù)中心點(diǎn)為中心選擇合適大小的 子區(qū)作為搜索區(qū)域，然后，利用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差相關(guān)函數(shù)，在被測(cè)物體移動(dòng)后的拓?fù)潆姾煞植?數(shù)據(jù)矩陣q2(x，y)中以數(shù)據(jù)中心點(diǎn)為起點(diǎn)，在χ，y方向進(jìn)行相關(guān)搜索；當(dāng)相關(guān)系數(shù)最大時(shí)， 停止搜索，得到散斑場(chǎng)在χ，y方向的位移(μ，ν)；成像光路的放大倍數(shù)為Μ，則被測(cè)物體 的位移量為(μ /Μ，ν /M)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于測(cè)量中應(yīng)用的散斑圖中散斑顆粒的平 均直徑為4 6Pixels ；散斑圖像大于512X512Pixels。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于測(cè)量中使用的拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波 器的帶寬應(yīng)等于散斑圖中散斑顆粒的平均直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于進(jìn)行相關(guān)搜索時(shí)選擇的子區(qū)大小應(yīng)為 41X41 61X61Pixels。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于相位渦旋的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法。首先，利用數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量光路獲得被測(cè)物體移動(dòng)前、后兩個(gè)狀態(tài)的散斑光強(qiáng)圖像；然后利用拉蓋爾-高斯復(fù)數(shù)濾波器對(duì)這兩幅圖像進(jìn)行濾波獲得光強(qiáng)復(fù)數(shù)信號(hào)；分別提取出它們的實(shí)部零值線與虛部零值線的交叉點(diǎn)，得到被測(cè)物體移動(dòng)前、后兩個(gè)狀態(tài)的相位渦旋分布；計(jì)算出相應(yīng)的拓?fù)潆姾煞植紨?shù)據(jù)矩陣；最后，對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到被測(cè)物體的位移信息。該方法能有效消除背景噪聲及高頻噪聲對(duì)相關(guān)測(cè)量可靠性的影響，測(cè)量精度可達(dá)到亞像素級(jí)；并且具有簡(jiǎn)單易行、快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102135413SQ20101060560
公開(kāi)日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者臺(tái)玉萍, 李新忠, 李立本, 杜凱, 楊傳徑, 甄志強(qiáng), 陳慶東, 魏榮慧 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)