一种使用合光棱镜的新型单相机三维数字图像相关系统
阅读说明：本技术 一种使用合光棱镜的新型单相机三维数字图像相关系统 (Novel single-camera three-dimensional digital image correlation system using light-combining prism ) 是由 潘兵 曾凡苍 董博 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种使用X-cube棱镜和单个彩色相机的全靶面单相机三维数字图像相关测量系统及方法,包括X-cube棱镜(4),照明光源(2),平面镜(3),彩色相机(5),挡光板(1)及计算机(6)；平面镜将不同视角的光线反射进入X-cube棱镜(4),由棱镜分离光线颜色并合成一束光,通过镜头进入相机靶面,由相机采集得到颜色通道分离的双目立体图像。利用传统3D-DIC算法进行不同颜色通道图像的匹配,得到红、蓝图像的视差数据,获得被测物体的三维形貌,位移,及变形。本发明结构紧凑、系统参数易调节、立体成像质量高,在显微、高速等特殊领域进行三维形貌和变形的实验时,能更方便、有效地完成高精度三维测量。(The invention relates to a full target surface single-camera three-dimensional digital image correlation measurement system and a full target surface single-camera three-dimensional digital image correlation measurement method using an X-cube prism and a single color camera, wherein the system comprises the X-cube prism (4), an illumination light source (2), a plane mirror (3), the color camera (5), a light barrier (1) and a computer (6); the plane mirror reflects light rays with different visual angles into an X-cube prism (4), the color of the light rays is separated by the prism and a beam of light is synthesized, the light rays enter the target surface of the camera through the lens, and a binocular stereo image with separated color channels is acquired by the camera. And matching the images of different color channels by using a traditional 3D-DIC algorithm to obtain parallax data of the red and blue images and obtain the three-dimensional appearance, displacement and deformation of the measured object. The invention has compact structure, easy adjustment of system parameters and high stereo imaging quality, and can more conveniently and effectively finish high-precision three-dimensional measurement when carrying out experiments on three-dimensional appearance and deformation in special fields of microscopy, high speed and the like.)
技术领域
本发明涉及光测力学领域，尤其是一种基于数字图像相关的三维形貌，位移及变形测量方法。
背景技术
目前，测量物体的三维形貌，位移以及变形一般使用三维数字图像相关法(3DDigital Image Correlation,3D-DIC)这一非接触式的光学测量方法。这一技术通常采用两个或多个同步的相机进行测量。但是基于多个相机的系统在实际使用过程中仍存在一些不足：多个相机的使用会成倍地增加成本；且多个相机需严格保证同步，需要复杂的同步触发装置和技术；另外，不同相机的特性不会完全相同，其差异会给DIC计算带来困难。在使用高速摄像机进行动态变形测量时，这些问题尤为突出。
由于传统的基于多相机的3D-DIC方法存在着以上缺点，研究者们开始研究使用单个相机的3D-DIC方法。Xia等首先提出了基于光栅衍射的3D-DIC方法，其中光栅能得到-1，0，1级3个图像，取其中-1和1级即可进行3D-DIC计算。这一方法牺牲了靶面的中心位置，其图像使用有效分辨率也只有原来的1/3。Lee等首先提出了基于棱镜折射的单相机立体视觉技术，但是由于棱镜带来的特殊畸变使得其模型较为复杂。而基于反射的方法由于没有畸变，且分辨率较高而得到广泛使用。这些方法都从成像上彻底解决了多个虚拟相机的同步问题，使得使用高速相机进行精确的三维测量成为可能。然而，以上基于衍射，折射以及反射的单相机3D-DIC方案都存在一个重要不足：这些方法成像均在同一个靶面的不同区域，以牺牲相机靶面空间分辨率实现单相机3D-DIC测量。
为了在不牺牲相机空间分辨率前提条件下实现全靶面三维形貌和变形测量，Yu等提出了一种基于单个3CCD彩色相机的新型全靶面、单相机3D-DIC方法，该方法使用颜色通道分离的方法，将红，蓝两个通道的像同时记录下来，在仅使用一个相机的情况下实现了全靶面全场变形测量。另外，Yu还提出了颜色串扰矫正方法，使这一技术能应用到一般的CMOS相机上，使得使用高速CMOS彩色相机的测量得以实现。Li提出了基于偏振相机和偏振片实现的全靶面单相机3D-DIC可通过两个偏振片配合偏振相机的方式来消除不同视角下采集图像之间的相互干扰。但这种方法受限于偏振相机本身高昂的造价，实用性不如基于颜色分光的方法，且这种基于偏振成像的方式也无法应用于高速测量系统当中。Zhong提出了采用一个二向色滤波片实现测量系统光路结构的简化来解决光路结构复杂导致的测量系统集成度低和参数难以调节等实际问题，但遗憾的是，该方案实施的同时也会导致一系列额外的成像问题，如二向色滤波片后表面反射光引起的鬼影和折射效应引发的成像畸变等。之后，Yang提出了另一个方案，将绿色通道也利用起来，实现了多视角的3D测量。但其方案中蓝色和绿色通道都经过了两次透射，能量衰减较高，对照明要求很高。
发明内容
本发明提出了一种使用X-cube合光棱镜的全靶面单彩色相机3D-DIC系统和测量方法，结构更为简单紧凑，其双通道均只需一次透射，提高了光源的利用效率，同时系统参数也更易与调节。使用左右两个通道可实现正常的3D-DIC，配合中间通道还可以正对试件，实现多视角DIC。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种使用X-cube合光棱镜和单个彩色相机的三维数字图像测量系统，该系统包括X-cube合光棱镜，照明光源，平面镜，彩色相机，挡光板及计算机；
所述照明光源光强可调，使彩色相机不同通道能方便采集灰度值相近的图像；
所述平面镜用于从两个视角反射光线，使其射向合光棱镜，用于实现双视角成像；
所述X-cube合光棱镜用于将来自其两侧平面镜的反射光分别滤为红光和蓝光，并合成为同一束光射出；
所述彩色相机用于采集由X-cube合光棱镜合成的双通道彩色图像；
所述挡光板用于遮挡来自正前方的光，防止其通过X-cube合光棱镜进入相机；
所述计算机用于处理由彩色相机采集到的标定和实验图像数据，首先将标定图像与实验图像进行红蓝通道分离，再利用分离后的标定图像计算相机参数，最后对实验图像进行三维数字图像3D-DIC分析计算，得到被测物体的三维形貌，位移以及变形数据。
进一步的，所述照明光源为一蓝光光源和一红光光源；或者所述照明光源为白光光源，使用白光光源时在X-cube合光棱镜两侧分别放置频带不重叠的红、蓝滤波片。
进一步的，所述平面镜将来自被测物体的光反射，使之垂直入射X-cube合光棱镜，所述X-cube合光棱镜将分别从两个面垂直入射的光线分别滤为红、蓝光，再合成同一束光并从靠近彩色相机的面射出。
一种使用X-cube合光棱镜和单个彩色相机的三维数字图像测量系统，其特征在于：该系统包括X-cube合光棱镜，照明光源，平面镜，彩色相机及计算机；
所述照明光源光强可调，使彩色相机不同通道能方便采集灰度值相近的图像；
所述平面镜用于从多个视角反射光线，使其射向X-cube合光棱镜，用于实现多视角成像；
所述X-cube合光棱镜用于将来自其两侧平面镜的反射光和正前方来自被测物体的反射光分别滤为红光、蓝光和绿光，并合成为同一束光射出；
所述彩色相机用于采集由X-cube合光棱镜合成的三通道彩色图像；
所述计算机用于处理由彩色相机采集到的标定和实验图像数据，首先将标定图像与实验图像进行红、蓝、绿通道分离，再利用分离后的标定图像计算相机参数，最后对实验图像进行三维数字图像3D-DIC分析计算，得到被测物体的三维形貌，位移以及变形数据。
进一步的，所述照明光源为一蓝光光源、一红光光源和一绿光光源；或者所述照明光源为白光光源，使用白光光源时在X-cube合光棱镜两侧和正前方分别放置频带不重叠的红、蓝、绿滤波片。
进一步的，所述平面镜将来自被测物体的光反射，使之垂直入射X-cube合光棱镜，所述X-cube合光棱镜将分别从三个面垂直入射的红，蓝，绿光线合成同一束光并从第四个面射出。
进一步的，所述彩色相机采用3CCD彩色相机或高速彩色相机；
进一步的，所述彩色相机配备普通镜头或高倍显微镜头。
进一步的，所述的X-cube棱镜两对角线分别镀有半透半反膜，从一面入射的白光会被分解为红绿蓝三色分别从另外三个面射出，同样地，从三个面入射的红绿蓝三色光会合成，并从第四个面射出。
一种使用X-cube合光棱镜和单个彩色相机的三维数字图像测量系统的测量方法，包括以下步骤：
1)在被测试件表面喷涂散斑，并按照所需测量工况将试件固定；
2)将所述三维数字图像测量系统放置在被测物体前，调节平面镜及彩色相机使各通道成像清晰；
3)进行所需测量的工况加载，并使用计算机控制彩色相机采集图像；
4)对采集到的图像进行颜色通道分离并进行数字图像3D-DIC分析计算。
本发明的有益效果为：
1.该系统仅采用一个相机的单次拍摄即可实现3D-DIC测量，采用X-cube棱镜使其能在保持成像质量的前提下获得更加简单和紧凑的光学结构，具有成本低、不需要相机同步等特点
2.该系统通过颜色分光装置实现单相机立体成像，具有全靶面测量能力，不会导致测量过程中成像分辨率的降低
3.该系统还能有效拓展到高速、显微等特殊测量领域，从而有效降低硬件成本和测试空间需求
4.得益于新系统完全对称的光学结构，它可以像传统双目3D-DIC一样实现系统参数的方便调节。
5.和传统的单相机3D-DIC系统相比，将挡光板换为滤波片后能利用3个颜色通道，能够恢复传统方法中由于视角遮挡的部分。
6.和Zhang提出的特殊DIC以及Yang提出的多视角单相机3D-DIC相比，各通道均只发生一次透射，提高了光源的利用率，各通道亮度更为均匀，利于DIC进行立体匹配。
7.各通道反射次数均为偶数次，所成像均为正立且没有倾斜，利于DIC进行立体匹配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例2的结构示意图；
图中：1、挡光板；2、照明光源；3、平面镜；4、X-cube合光棱镜；5、彩色相机；6、计算机；7、滤波片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
一种单彩色相机3D-DIC系统包括X-cube合光棱镜，红、蓝光源，平面镜，彩色相机，挡光板及计算机；X-cube合光棱镜用于将来自两侧平面镜的光分别滤为红、蓝光，再合成为同一束光，并从靠近彩色相机面射出；红、蓝光源用于提供照明，且光强可调，使彩色相机不同通道能方便采集灰度值相近的图像；平面镜用于从多个视角反射光线，用于实现多视角成像，将来自被测物体的光反射，使之垂直入射X-cube合光棱镜；彩色相机用于采集由X-cube合光棱镜合成的双通道彩色图像，可采用3CCD相机或彩色CMOS相机，包括彩色高速相机等；挡光板用于遮挡来自正前方的光，防止其通过X-cube棱镜进入相机。可替换为带通滤波片，再加入一个绿光光源后从而实现红蓝绿三视角三通道的图像采集；计算机用于处理由彩色相机采集到的图像数据，对图像进行DIC分析计算，得到被测物体的三维形貌，位移以及变形数据。
使用时，在被测试件表面喷涂散斑，并按照所需测量工况将试件固定；将测量系统放置在被测试件前。调节平面镜及相机使各通道成像清晰；进行所需测量的工况加载，并使用计算机控制彩色相机采集图像；对采集到的图像进行颜色通道分离并进行DIC分析计算。
实施例2
一种单彩色相机3D-DIC系统包括X-cube合光棱镜，白光光源，滤波片，平面镜，彩色相机，挡光板及计算机；X-cube合光棱镜用于将来自两侧平面镜的光分别滤为红、蓝光，再合成为同一束光，并从靠近彩色相机面射出；白光光源用于提供照明，且光强可调，使彩色相机不同通道能方便采集灰度值相近的图像；在X-cube合光棱镜两侧分别放置频带不重叠的红、蓝滤波片；平面镜用于从多个视角反射光线，用于实现多视角成像，将来自被测物体的光反射，使之垂直入射X-cube合光棱镜；彩色相机用于采集由X-cube合光棱镜合成的多通道彩色图像，可采用3CCD相机或彩色CMOS相机，包括彩色高速相机等；挡光板用于遮挡来自正前方的光，防止其通过X-cube棱镜进入相机。可替换为带通滤波片，从而实现红蓝绿三视角三通道的图像采集；计算机用于处理由彩色相机采集到的图像数据，对图像进行DIC分析计算，得到被测物体的三维形貌，位移以及变形数据。
使用时，在被测试件表面喷涂散斑，并按照所需测量工况将试件固定；将测量系统放置在被测试件前。调节平面镜及相机使各通道成像清晰；进行所需测量的工况加载，并使用计算机控制彩色相机采集图像；对采集到的图像进行颜色通道分离并进行DIC分析计算。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。