一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法，針對一般變形初值估計方法在被測物體表面存在較大剛體轉動或大變形的情況下失效的問題，提出了一種自動的變形初值估計方法，即通過SIFT算法匹配得到變形前后圖像計算子區(qū)的對應點，并利用最小二乘法獲得變形初值估計作為Newton-Rapshon方法的迭代初值。對大變形下的模擬散斑圖進行了仿真計算，結果顯示該方法在30°大轉角的情況下仍能夠有效測量位移。
【專利說明】一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光測力學【技術領域】，具體涉及一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法。
【背景技術】
[0002]數(shù)字圖像相關(Digital Image Correlation, DIC)最早出現(xiàn)在上世紀80年代初，由美國南卡羅來納州大學的Peters和Ranson最早提出，該方法日趨成熟，已經成為一種廣為人知并有眾多應用的非接觸全場光學測量方法。
[0003]為計算變形前圖像中某點的位移，通常選擇以該點為中心的一個正方形子區(qū)。由于參考圖像正方形子區(qū)在變形后圖像中形狀會發(fā)生變化，因此可用形函數(shù)來近似描述變形后圖像子區(qū)的形狀。此時，變形前后圖像子區(qū)相似程度的相關函數(shù)則可以表示為變形參數(shù)的非線性方程。此方程可以用Newton-Rapshon (后面簡稱為N-R)方法或其它方法求解。其它方法如遺傳算法、差分進化算法雖可以用于求取變形參數(shù)，但相比N-R方法極為耗時，現(xiàn)以少見于應用。近30年來，對N-R方法的研究主要涉及以下幾個關鍵問題:①相關函數(shù)選擇問題；②變形初值估計問題；③形函數(shù)的選擇問題Hessian矩陣的優(yōu)化問題。由于N-R方法收斂范圍在幾個像素內(Knauss認為在7個像素范圍內收斂)，因此就要求提供較準確的初值估計。當變形較小時，簡單的整像素相關搜索可以得到較準確的變形初值(此時應變參數(shù)設為O)。而當變形較大時，此方法收索到的結果相關系數(shù)值小而變得不可靠，甚至于是錯誤的?；谌藱C交互的變形初值估計方法可為任何變形狀態(tài)迅速提供準確可靠的變形初值估計，避免計算量較大的搜索過程，缺點是不能實現(xiàn)計算過程的完全自動化。
[0004]現(xiàn)有技術參考文獻如下:
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【發(fā)明內容】

[0021]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法，解決了現(xiàn)有技術中數(shù)字圖像變形初值計算方法不能實現(xiàn)計算過程的完全自動化以及計算精度低的問題。
[0022]本發(fā)明為解決上述技術問題釆用以下技術方案:
[0023]一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法，包括如下步驟:
[0024](I)獲取被測物體表面變形前的數(shù)字圖像及表面變形后的數(shù)字圖像，將表面變形前的數(shù)字圖像作為“參考圖像”，表面變形后的圖像作為“目標圖像”;首先，將參考圖像及目標圖像均置于同一個平面坐標系內，在參考圖像上，任意選取一個像素點作為網格節(jié)點，并以該網格節(jié)點為中心點，以2M+1為邊長劃分正方形區(qū)域，作為參考圖像子區(qū)，其中M為像素點數(shù)，其次，通過特征點提取及匹配算法從目標圖像中自動提取出與參考圖像子區(qū)對應的
像素點，以此得到--對應的多組像素點，所述參考圖像中與目標圖像中任一對應的像素
點之間的變換關系用“形函數(shù)”表示；[0025](2)根據一一對應像素點及參考圖像子區(qū)中心點坐標計算確定中間計算量，所述中間計算量具體包括:參考圖像子區(qū)中與目標圖像子區(qū)中在同一坐標系下所有像素點的坐標值及參考圖像子區(qū)中所有像素點的坐標相對于中心的變化量；
[0026](3)根據步驟(2)中得到的中間計算量及步驟(I)中得到的一一對應的多組像素點利用最小二乘法求解所述“形函數(shù)”的參數(shù)值，將得到的“形函數(shù)”的參數(shù)值作為所述數(shù)字圖像的變形初值。
[0027]所述“形函數(shù)”為:
[0028]X' =x+u+ux Δ x+uy Δ y
[0029]y' =y+v+vx Δ x+vy Δ y
[0030]其中，X'，y'為目標圖像子區(qū)中除中心點外任一像素點的坐標，x，y為參考圖像子區(qū)中與V ,1'對應的像素點的坐標，ΛΧ，Ay分別為為參考圖像子區(qū)中的像素點X，y到參考圖像子區(qū)中心在橫縱坐標軸方向的距離，U, V是參考圖像子區(qū)中心到目標圖像子區(qū)中心在橫縱坐標軸方向的位移，Ux, Uy, vx, Vy分別為參考圖像子區(qū)中到目標圖像子區(qū)中對應點的位移梯度。
[0031]所述M為大于等于20且小于等于50的整數(shù)。
[0032]所述“形函數(shù)”的參數(shù)值是通過將中間計算量代入一階或二階“形函數(shù)”得到的。
[0033]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0034]1、本發(fā)明操作簡單，自動化程度高。
[0035]2、不受結構表面變形大小的限制，在存在較大面內位移或扭轉變形的情況下都可以使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明數(shù)字圖像變形前后圖像子區(qū)示意圖。
[0037]圖2為本發(fā)明小變形全場相關系數(shù)分布。
[0038]圖3為本發(fā)明大變形全場相關系數(shù)分布。
[0039]圖4為本發(fā)明SIFT特征點匹配。
[0040]圖5為本發(fā)明變形前圖像。
[0041]圖6為本發(fā)明變形后圖像。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖對本發(fā)明的結構及工作過程作進一步說明。
[0043]1、數(shù)字圖像相關方法
[0044]數(shù)字圖像相關方法是通過拍攝得到被測物體表面變形前后數(shù)字圖像，匹配出兩幅圖像的指定對應點，計算出全場位移及應變的光學測量方法。變形前圖像成為“參考圖像”，變形后圖像稱為“目標圖像”，其原理圖如圖1所示。數(shù)字圖像相關方法首先預先在參考圖像劃分一虛擬網格用于求取離散的全場位移。圖中P點為一網格節(jié)點，以其為中心(2M+1) X (2M+1)像素大小的正方形區(qū)域為參考圖像子區(qū)(虛線框)，其中M為像素點數(shù)，優(yōu)選取值為20至50內的整數(shù)。在變形后圖像中通過一定的搜索方法，按定義好的相關函數(shù)來進行相關計算，尋找出使相關函數(shù)取極值的目標圖像子區(qū)(實線框)。結合目標圖像子區(qū)中心點P' (Xc/ ,i' J坐標即可計算出點P(X(!，yci)在X，y方向的位移量u, V。
[0045]變形后的目標圖像子區(qū)的形狀與位置相比之前都發(fā)生了變化。在采用一階形函數(shù)的情況下，此時目標圖像子區(qū)中的G' U' ,y')與參考圖像中的G(x，y)存在如下線性關系:
【權利要求】
1.一種數(shù)字圖像變形初值的計算方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)獲取被測物體表面變形前的數(shù)字圖像及表面變形后的數(shù)字圖像，將表面變形前的數(shù)字圖像作為“參考圖像”，表面變形后的圖像作為“目標圖像”;首先，將參考圖像及目標圖像均置于同一個平面坐標系內，在參考圖像上，任意選取一個像素點作為網格節(jié)點，并以該網格節(jié)點為中心點，以2M+1為邊長劃分正方形區(qū)域，作為參考圖像子區(qū)，其中M為像素點數(shù)，其次，通過特征點提取及匹配算法從目標圖像中自動提取出與參考圖像子區(qū)對應的像素點，以此得到一一對應的多組像素點，所述參考圖像中與目標圖像中任一對應的像素點之間的變換關系用“形函數(shù)”表示； (2)根據一一對應像素點及參考圖像子區(qū)中心點坐標計算確定中間計算量，所述中間計算量具體包括:參考圖像子區(qū)中與目標圖像子區(qū)中在同一坐標系下所有像素點的坐標值及參考圖像子區(qū)中所有像素點的坐標相對于中心的變化量； (3)根據步驟(2)中得到的中間計算量及步驟(1)中得到的一一對應的多組像素點利用最小二乘法求解所述“形函數(shù)”的參數(shù)值，將得到的“形函數(shù)”的參數(shù)值作為所述數(shù)字圖像的變形初值。
2.根據權利要求1所述的數(shù)字圖像變形初值的計算方法，其特征在于:所述“形函數(shù)”為:
X' =x+u+ux Δ X+Uy Δ y
y' =y+v+vx Δ x+vy Δ y 其中，X' ,1'為目標圖像子區(qū)中除中心點外任一像素點的坐標，x，y為參考圖像子區(qū)中與V ,1'對應的像素點的坐標，Λχ，Ay分別為為參考圖像子區(qū)中的像素點X，y到參考圖像子區(qū)中心在橫縱坐標`軸方向的距離，U，V是參考圖像子區(qū)中心到目標圖像子區(qū)中心在橫縱坐標軸方向的位移，Ux, Uy, vx, Vy分別為參考圖像子區(qū)中到目標圖像子區(qū)中對應點的位移梯度。
3.根據權利要求1所述的數(shù)字圖像變形初值的計算方法，其特征在于:所述M為大于等于20且小于等于50的整數(shù)。
4.根據權利要求1所述的數(shù)字圖像變形初值的計算方法，其特征在于:所述“形函數(shù)”的參數(shù)值是通過將中間計算量代入一階或二階“形函數(shù)”得到的。
【文檔編號】G06T7/00GK103729849SQ201310750811
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權日:2013年12月31日
【發(fā)明者】王漢全, 毛建國, 沈峘, 張佩澤 申請人:南京航空航天大學