Bsl 3d dic系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[00011本發(fā)明涉及光測實驗力學(xué)及三維數(shù)字圖像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種BSL3DDIC系 統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維數(shù)字圖像相關(guān)方法(3DDigitalImageCorrelation，3DDIC)是實驗力學(xué)領(lǐng) 域中的一種重要的非接觸全場變形測量方法。傳統(tǒng)3DDIC使用至少兩個圖像采集設(shè)備(如 CCD或CMOS相機）同時對試樣表面的測試區(qū)域進行觀察，并通過雙目（或者多目）視覺原理獲 得被測物體的表面三維形貌以及空間位移。較二維數(shù)字圖像相關(guān)方法（2DDIC)而言，3D DIC應(yīng)用范圍更廣闊。然而，傳統(tǒng)3DDIC測量光路中的各個相機之間需要充足的距離以獲得 不同視角的測試圖像，實驗裝置集成度較低;為了獲得可靠的測量結(jié)果，實驗時需要對相機 的內(nèi)部和外部參數(shù)進行精確標(biāo)定;此外，相機性能的差異、實驗時圖像采集的同步程度等因 素都會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。以上因素都不同程度地限制了3DDIC方法的應(yīng)用和發(fā)展。
[0003] 作為3DDIC方法的發(fā)展，基于雙棱鏡的單相機三維數(shù)字圖像相關(guān)方法(Bi-prism-basedSingleLens3DDigitalImageCorrelation，BSL3DDIC) 通過在相機前放置雙 棱鏡，使用單個相機即可實現(xiàn)三維測量，大大提高了3DDIC測試系統(tǒng)的集成度。針對BSL3D DIC方法中的三維重構(gòu)問題，目前相關(guān)的研究提供了多種方法，如:K.Genovese等通過標(biāo)定 和像差修正實現(xiàn)三維形貌的重構(gòu)（K.Genovese，L.Casaletto，J.A.Rayas，V.Flores, A.Martinez,OpticsandLasersinEngineering51,278-285,2013) 〇該方法不依賴于系 統(tǒng)的成像模型，但是對標(biāo)定結(jié)果的要求較高，實驗過程相對復(fù)雜。另外，L.F.Wu等將雙棱鏡 視為獨立的光學(xué)元件，很據(jù)其構(gòu)型和光學(xué)參數(shù)，提出了一種描述棱鏡成像規(guī)律的數(shù)學(xué)模型， 大大降低了實驗標(biāo)定的難度（L.F.Wu,J.G.Zhu，H.M.Xie,MeasurementScienceand Technology25,115008,2014)。在此基礎(chǔ)上，L.F.Wu等利用雙遠(yuǎn)心鏡頭，進一步簡化了上述 數(shù)學(xué)模型，降低了模型誤差，提高了BSL3DDIC方法的測量精度（L.F.Wu，J.G.Zhu， H.M.Xie，AppliedOptics54(26),2015)。
[0004]盡管如此，目前相關(guān)的研究中都默認(rèn)雙棱鏡的構(gòu)型是理想的，即雙棱鏡的棱邊垂 直于其橫截面且與后表面平行，如圖1(a)所示。然而，受到加工過程中對準(zhǔn)精度的限制，實 際使用的雙棱鏡大多是有缺陷的，這種缺陷可根據(jù)其棱邊與后表面的相對位置分為面內(nèi)偏 轉(zhuǎn)，如圖1(b)所示，離面偏轉(zhuǎn)，如圖1(c)所示，以及混合偏轉(zhuǎn)，如圖1(d)所示，其中混合偏轉(zhuǎn) 是最為普遍的情況。作為BSL3DDIC系統(tǒng)中重要的光學(xué)元件，雙棱鏡的幾何構(gòu)型直接影響 著該系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度，特別是通過數(shù)學(xué)模型進行三維重構(gòu)時，必須對這一誤差進行校正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0006] 為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種BSL3DDIC系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修正 方法，該方法能夠?qū)﹄p棱鏡缺陷誤差進行修正，提高BSL3DDIC系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提出了一種BSL3DDIC系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤 差的修正方法，包括以下步驟:S1:構(gòu)建測量系統(tǒng)，并將標(biāo)定板放置在所述測量系統(tǒng)的視場 內(nèi)，并調(diào)整所述標(biāo)定板的位置和姿態(tài)直至所述標(biāo)定板成像清晰，并采集所述標(biāo)定板的錯位 圖像，其中，所述測量系統(tǒng)包括雙棱鏡、雙遠(yuǎn)心鏡頭和一臺CMOS相機;S2:從所述采集系統(tǒng)中 移除所述雙棱鏡;S3:采集直接觀測所述標(biāo)定板時的圖像;S4:根據(jù)所述標(biāo)定板的錯位圖像 和直接觀測所述標(biāo)定板時的圖像計算錯位前后對應(yīng)角點的像素坐標(biāo);S5:根據(jù)直接觀測所 述標(biāo)定板時角點的像素坐標(biāo)進行鏡頭畸變標(biāo)定及修正;S6:構(gòu)建最小二乘函數(shù)，并根據(jù)所述 最小二乘函數(shù)利用錯位前后對應(yīng)角點的像素坐標(biāo)對雙棱鏡主方向角進行標(biāo)定；以及S7:構(gòu) 建修正數(shù)學(xué)模型，將雙棱鏡主方向角的標(biāo)定結(jié)果輸入所述修正數(shù)學(xué)模型以對雙棱鏡缺陷誤 差進行修正。
[0008] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的BSL3DDIC系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修正方法還 可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0009]在一些示例中，所述標(biāo)定板為一塊棋盤格標(biāo)定板，所述棋盤格標(biāo)定板的方格邊長 為1·6mm〇
[0010] 在一些示例中，所述從所述采集系統(tǒng)中移除所述雙棱鏡，進一步包括:移除雙棱鏡 前后的相機及所述雙遠(yuǎn)心鏡頭，并保持所述標(biāo)定板的位置不變。
[0011] 在一些示例中，所述步驟S5進一步包括:判斷鏡頭畸變的程度是否高于畸變閾值； 如果鏡頭畸變的程度高于所述畸變閾值，則移動所述標(biāo)定板至不同位置，并采集對應(yīng)圖像， 以使角點最大程度地遍布所述對應(yīng)圖像的所有區(qū)域;計算各個圖像中各個角點的像素坐 標(biāo)，并擬合鏡頭畸變函數(shù);根據(jù)所述鏡頭畸變函數(shù)對每個像素坐標(biāo)進行修正。
[0012] 在一些示例中，所述鏡頭畸變函數(shù)為：
[0013]
[0015]其中，δχ、δγ*別為圖像水平、豎直方向的畸變場，（Xu，yu)為無畸變像素坐標(biāo)， Γ2 = 4 + }/|.山、1?、1?、1^4、1^5、？()、？1、？2、？3、8()、81、82、83為標(biāo)定獲得的畸變參數(shù)。
[0016]在一些示例中，如果所述鏡頭畸變的程度低于畸變閾值，則不進行鏡頭畸變標(biāo)定 及修正。
[0017]在一些示例中，在所述步驟S6中，所述最小二乘函數(shù)為：
[0018]
[0019]
[0020] 其中，Θ+和Γ雙棱鏡主方向角的標(biāo)定結(jié)果，所述Θ+和r使得LSFjPLSF2取得極小值。 [0021 ] 在一些示例中，所述修正數(shù)學(xué)模型為：
[0022]
[0023]
[0026]其中，α+和cT分別表示雙棱鏡兩側(cè)楔形鏡的楔角，A+和f是與雙棱鏡楔角α+和cT以 及折射率η有關(guān)的參量。
[0027]在一些示例中，其中，
[0028]
[0029]
[0030]在一些示例中，所述步驟S7進一步包括:將Θ+和(Γ代入修正數(shù)學(xué)模型中，并結(jié)合通 過DIC運算匹配的被測物體錯位圖像中的像點對像素坐標(biāo)求解對應(yīng)物點的空間坐標(biāo)，并進 行后續(xù)的三維形貌重構(gòu)。
[0031]根據(jù)本發(fā)明實施例的BSL3DDIC系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修正方法，引入了雙棱 鏡主方向的概念，將存在加工缺陷的雙棱鏡等效為兩個主方向與參考坐標(biāo)系分別成一定夾 角的楔形棱鏡;并利用楔形棱鏡成像時，圖像不沿著棱鏡軸向發(fā)生錯位這一特征，通過標(biāo)定 雙棱鏡主方向，進行誤差修正；另外，雙棱鏡主方向標(biāo)定過程與實驗測量過程相互獨立、互 不干擾，在完成標(biāo)定后可進行后續(xù)的鏡頭畸變標(biāo)定;進一步地，利用修正數(shù)學(xué)模型，在三維 重構(gòu)的過程中即可實現(xiàn)系統(tǒng)誤差的修正。該方法能夠?qū)﹄p棱鏡缺陷誤差進行修正，提高系 統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。
[0032]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0033]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0034]圖1是目前雙棱鏡加工缺陷的幾種形式示意圖；
[0035]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的BSL3DDIC系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修正方法的 流程圖；
[0036]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的存在加工缺陷的雙棱鏡的等效示意圖；
[0037]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于雙棱鏡和雙遠(yuǎn)心鏡頭的單相機3DDIC系統(tǒng)的 俯視圖；
[0038]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的標(biāo)定板的錯位圖像的示意圖；
[0039]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的標(biāo)定板的直接觀測圖像的示意圖；以及
[0040]圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于鏡頭畸變標(biāo)定的圖像的示意圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0042] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的BSL3DDIC系統(tǒng)中雙棱鏡缺陷誤差的修 正方法。
[0043]首