一種用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖像處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光測力學(xué)、圖像匹配領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖 像處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital image correlation，DIC)，又稱數(shù)字散斑相關(guān)法，是一 種不需要相干光源的光學(xué)測量方法。該方法是由美國南卡羅來納州大學(xué)Peter和Ranson在 上個世紀80年代初提出的基于數(shù)字圖形處理技術(shù)的全場測量方法。
[0003] 近年來，隨著計算機技術(shù)和電荷禪合器件(化arge Coupled Device,CCD)的發(fā)展， 基于現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)的Die法逐漸成為了現(xiàn)代全場測量的主要方法，廣泛應(yīng)用于固 體力學(xué)試驗的各個方面。然而，傳統(tǒng)DIC算法在進行整像素捜索時，僅能識別x，y兩個方向的 平動位移，而無法識別被測物體的轉(zhuǎn)動，當物體變形前后存在較大轉(zhuǎn)角時，傳統(tǒng)DIC法計算 精度會受到嚴重影響，甚至無法收斂。梯度法、N-R法等亞像素匹配方法雖然可W檢測一定 程度轉(zhuǎn)角，但可檢測范圍很小只適用于小轉(zhuǎn)角情況，大轉(zhuǎn)角測量時計算精度迅速下降甚至 產(chǎn)生計算發(fā)散的情況。
[0004] 隨著DIC法逐步從實驗室走向工業(yè)界大型結(jié)構(gòu)的變形測量，傳統(tǒng)DIC法局限性越來 越顯著，例如在飛機全尺寸試驗過程中，待測區(qū)域不可避免地會包含一定的剛體轉(zhuǎn)動，運時 傳統(tǒng)DIC法無法給出令人滿意的測量結(jié)果。因此，需要一種新的DIC算法W解決包含大轉(zhuǎn)角 運動的位移(應(yīng)變)測量問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有DIC技術(shù)應(yīng)用于大轉(zhuǎn)角測量時的不足，提供一種基于子圖像預(yù)旋 轉(zhuǎn)的能夠自動檢測被測物體旋轉(zhuǎn)角度的簡單高效處理方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖像處理方法，包括W下 步驟：
[0007] (1)對于任意參考子圖像Si，給定初始角度θ = θ〇,即先預(yù)估變形前后圖像相對旋轉(zhuǎn) 角度9〇。
[000引（2)適當放大參考子圖像Si(擴展子圖像)并預(yù)旋轉(zhuǎn)角度Θ，然后在擴展子圖像中屯、 處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)參考子圖像SS。
[0009] (3)預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像SS在變形圖像中進行整像素捜索，捜索判據(jù)選擇標準化協(xié)方差 相關(guān)函數(shù)，其具體形式為：
[0010]
[0011]式中，Ii為參考圖像的像素灰度值，12為變形圖像的像素灰度值，r為參考子圖像中 屯、處的位置矢量，U為變形圖像相對參考圖像的位移矢量，Ω為進行相關(guān)匹配的子圖像范 圍。
[0012] (4)判斷整像素捜索范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)是否大于設(shè)定值(如0.8)，若"是"貝贓行 第(5)步;若"否"則采用遍歷方法重新設(shè)定預(yù)估值。遍歷區(qū)間取[-31,31]，遍歷間隔取V9(根 據(jù)散斑圖像質(zhì)量可適當放大或縮小間隔）。對于遍歷區(qū)間內(nèi)任一取值Θ/，令θ = θ/，進行第 (2)和第(3)步，然后判斷最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值，若"否"則令Θ取下一個遍歷值，再 進行第(2)和第(3)步;若"是"則進行第(5)步。
[0013] (5)采用曲面擬合法、梯度法或N-R法等亞像素算法進行亞像素匹配計算，并獲得 位移場u、v。
[0014] (6)采用局部擬合法，由位移場u、v計算出轉(zhuǎn)角Θ，具體計算公式為：
[0015]
[0016]式中，u、v分別為x、y方向的位移量。
[0017] (7化第(6)步計算獲得的轉(zhuǎn)角Θ功真實轉(zhuǎn)角Θ的一階近似，采用迭代方法，令θ = θι 進行預(yù)旋轉(zhuǎn)，依次進行(2)、（ 3)、（ 5)、（ 6)步，獲得2階精度轉(zhuǎn)角Θ2。
[0018] (8)w此類推，直至Θη-Θη-Ι<θ時停止迭代（e是指轉(zhuǎn)角Θ的精度要求，視測量要求和 圖像質(zhì)量而定），最終獲得位移場U、V，轉(zhuǎn)角Θ，Κ及應(yīng)變εχ、εγ和丫 xy。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點及突出性效果:采用對參考子圖像預(yù)處理 的方法，逐步迭代獲得被測物體轉(zhuǎn)角，該方法對傳統(tǒng)DIC算法改動小，編程復(fù)雜度低，易于實 現(xiàn);該方法對0°到360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角均可識別，測量范圍廣，精度高。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的原理圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0022] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0023] 圖1是本發(fā)明的原理圖，圖中"S"表示圖像中的散斑圖樣。當物體變形前后存在轉(zhuǎn) 角9時，采用對參考子圖像進行預(yù)旋轉(zhuǎn)的處理方法，可有效解決傳統(tǒng)DIC方法無法識別物體 旋轉(zhuǎn)角度的問題，即先對子圖像進行擴展，獲得比參考子圖像稍大的圖像區(qū)域(擴展子圖 像）；再對擴展子圖像進行預(yù)旋轉(zhuǎn)處理，并在擴展子圖像中屯、處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像少1。獲得 預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像后，采用傳統(tǒng)DIC方法在變形后圖像中進行整像素捜索和亞像素匹配，最 終獲得被測物體的變形信息(位移、應(yīng)變等）。
[0024] 圖2是本發(fā)明的流程圖。各步驟具體實施細節(jié)如下：
[0025] (1)在參考圖像Ii中等間距劃分MXN個計算點，對于每一個計算點選取其鄰域圖 像塊(子圖像&)。對于任一參考子圖像Si，輸入初始轉(zhuǎn)角θ = θ〇,即先預(yù)估變形前后圖像相對 旋轉(zhuǎn)角度θ〇(當無法預(yù)估初始轉(zhuǎn)角時，令θ〇 = 0)。
[0026] (2)適當放大參考子圖像Si(擴展子圖像)并預(yù)旋轉(zhuǎn)角度Θ，然后在擴展子圖像中屯、 處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)參考子圖像S^i。
[0027] (3)預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像S^i在變形圖像中進行整像素捜索，捜索判據(jù)選擇標準化協(xié)方差 相關(guān)函數(shù)，其具體形式為：
[002引
[0029] 式中，Ii為參考圖像的像素灰度值，12為變形圖像的像素灰度值，r為參考子圖像中 屯、處的位置矢量，U為變形圖像相對參考圖像的位移矢量，Ω為進行相關(guān)匹配的子圖像范 圍。
[0030] (4)判斷整像素捜索范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值(如0.8)，若"是"則進 行第（5)步；若"否"則采用遍歷方法重新設(shè)定預(yù)估值。遍歷區(qū)間取[-31,31]，遍歷間隔取V9 (根據(jù)散斑圖像質(zhì)量可適當放大或縮小間隔）。對于遍歷區(qū)間內(nèi)任一取值Θ/，令θ=θ/，進行 第(2)和第(3)步，然后判斷最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值，若"否"則令Θ取下一個遍歷值， 再進行第(2)和第(3)步;若"是"則進行第(5)步。
[0031] (5)采用曲面擬合法、梯度法或N-R法等亞像素算法進行亞像素匹配，并獲得位移 場U、V。
[0032] (6)采用局部擬合法，由位移場u、v計算出轉(zhuǎn)角Θ，具體計算公式為：
[0033]
[0034] 式中，u、v分別為x、y方向的位移量。
[0035] (7)由第(6)步計算獲得的轉(zhuǎn)角θι為真實轉(zhuǎn)角Θ的一階近似，采用迭代方法，令θ = θι 進行預(yù)旋轉(zhuǎn)，依次進行(2)、（ 3)、（ 5)、（ 6)步，獲得2階精度轉(zhuǎn)角Θ2。
[0036] (8似此類推，直至Θη-Θη-Ι<θ時停止迭代（e是指轉(zhuǎn)角Θ的精度要求，視測量要求和 圖像質(zhì)量而定），最終獲得位移場U、V，轉(zhuǎn)角Θ，Κ及應(yīng)變εχ、εγ和丫 xy。
【主權(quán)項】
1. 一種用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖像處理方法，其特征在于:先對子圖像進行擴展，獲得 比參考子圖像稍大的圖像區(qū)域;再對擴展子圖像進行預(yù)旋轉(zhuǎn)處理，并在擴展子圖像中心處 選取預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像，獲得預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像5\后，采用傳統(tǒng)DIC方法在變形后圖像中進行整 像素搜索和亞像素匹配，最終獲得被測物體的變形信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖像處理方法，其特征在于包括以下 步驟： (1) 對于任意參考子圖像S1，給定初始角度θ = θ〇,即先預(yù)估變形前后圖像相對旋轉(zhuǎn)角度 θ〇； (2) 適當放大參考子圖像S1并預(yù)旋轉(zhuǎn)角度Θ，然后在擴展子圖像中心處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)參考 子圖像Y1; (3) 預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像5\在變形圖像中進行整像素搜索，搜索判據(jù)選擇標準化協(xié)方差相關(guān) 函數(shù)，其具體形式為：式中，I1為參考圖像的像素灰度值，I2為變形圖像的像素灰度值，r為參考子圖像中心處 的位置矢量，U為變形圖像相對參考圖像的位移矢量，Ω為進行相關(guān)匹配的子圖像范圍； (4) 判斷整像素搜索范圍內(nèi)最大相關(guān)系數(shù)是否大于設(shè)定值，若"是"則進行第(5)步;若 "否"則采用遍歷方法重新設(shè)定預(yù)估值;選取遍歷區(qū)間和遍歷間隔，對于遍歷區(qū)間內(nèi)任一取 值θ'，令θ = θ'，進行第(2)和第(3)步，然后判斷最大相關(guān)系數(shù)C是否大于設(shè)定值，若"否"則 令Θ取下一個遍歷值，再進行第(2)和第(3)步;若"是"則進行第(5)步； (5) 采用曲面擬合法、梯度法或N-R法等亞像素算法進行亞像素匹配計算，并獲得位移 場u、V ; (6) 采用局部擬合法，由位移場u、v計算出轉(zhuǎn)角Θ，具體計算公式為：式中，u、V分別為x、y方向的位移量； (7) 由第(6)步計算獲得的轉(zhuǎn)角Q1為真實轉(zhuǎn)角Θ的一階近似，采用迭代方法，令0 = 0:進行 預(yù)旋轉(zhuǎn)，依次進行(2)、（ 3)、（ 5)、(6)步，獲得2階精度轉(zhuǎn)角Θ2; (8) 以此類推，直至θη-θη-Ke時停止迭代，e是指轉(zhuǎn)角Θ的精度要求，最終獲得位移場u、v， 轉(zhuǎn)角Θ，以及應(yīng)變ε χ、εγ和γχγ。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖像處理方法，其特征在于:步驟(4) 中，遍歷區(qū)間取[-^]，遍歷間隔取V9,可根據(jù)散斑圖像質(zhì)量可適當放大或縮小間隔。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于大轉(zhuǎn)角測量的數(shù)字圖像處理方法，先對子圖像進行擴展，獲得比參考子圖像稍大的圖像區(qū)域(擴展子圖像)；再對擴展子圖像進行預(yù)旋轉(zhuǎn)處理，并在擴展子圖像中心處選取預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像獲得預(yù)旋轉(zhuǎn)子圖像后，采用傳統(tǒng)DIC方法在變形后圖像中進行整像素搜索和亞像素匹配，最終獲得被測物體的變形信息。本發(fā)明對0°到360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角均可識別，測量范圍廣，精度高。
【IPC分類】G06T7/00
【公開號】CN105447858
【申請?zhí)枴緾N201510790299
【發(fā)明人】秦利軍, 龔興龍, 繆泓, 李朝光, 杜興剛, 杜龍, 彭志軍, 朱親強, 王紅飛, 朱翔, 王學(xué)強, 呂萬韜, 王震, 姜亞娟, 徐丹, 余凌晶, 胡博海
【申請人】江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月17日