具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例一：

结合图1，本发明提供了一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法流程图，具有以下步骤：

步骤101：提供图像采集设备，将图像采集设备设置在液面远离地面的一侧，且图像采集设备与液面具有间隔，并对图像采集设备进行标定；

结合图2，各层信息载体图像的采集可以通过CCD(charge-coupled Device，电荷耦合元件，即图像传感器)相机和/或将图像转变为数字信号功能的图像采集设备实现。图像采集设备(如CCD相机)置于水槽的正上方。

步骤102：提供具有一定厚度的介质，并将介质置于液面底部，在垂直于地面所在平面的方向上，介质包括相对设置的上层和下层，上层和下层均具有信息载体图形；

在一些可选的实施例中，介质包括透明玻璃、或透明塑料，介质的折射率与液体的折射率可以相等，也可以不相等。

结合图2，在实际应用中，将各层信息载体图形置于盛有适量透明液体的玻璃水槽的外面底部。此时，信息载体图形在该方法中就是置于液面底部或下方，就可以应用光的折射定律，即斯涅尔定律。

信息载体图形为：条纹，散斑，点阵等可以根据畸变分析面内位移的图形。

步骤103：液面静止时，利用图像获取方法通过图像采集设备对信息载体图形进行图像采集，得到液面静止时的信息载体图像，图像获取方法包括图像采集设备采集双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像采集到同一图像中，利用几何相位分析技术或者彩色阈值提取法将上层信息载体图形的图像和下层信息载体图形的图像分开到两张图像中，形成上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像；

利用图像获取方法时，可以通过控制上下层信息载体图像的颜色不同，通过编程实现颜色阈值提取将上下层信息载体图像分开到两张图像中，形成上层信息载体图像与下层信息载体图像。或者通过控制上下层信息载体图像相位分布动不同，通过几何相位分析技术将上下层信息载体图像分开到两张图像中，形成上层信息载体图像与下层信息载体图像。

具体地可结合图3至图10，图3中采集到的是双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像均被采集到了图3中，此时可利用彩色阈值提取法将上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像分开得到两张图像，图4和图5，即上层信息载体图像和下层信息载体图像；当然也可以采用几何相位分析技术，图6中是采集到的双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像均被采集到了图6中，此时可利用几何相位分析技术将上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像分开得到两张图像，图7和图8是上层信息载体图像的两个方向的相位图，图9和图10是下层信息载体图像的两个方向的相位图。

步骤104：当液面发生形变时，利用图像获取方法对信息载体图形进行图像采集，得到液面形变后的信息载体畸变图像，信息载体畸变图像包括上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像，采集一张信息载体畸变图像时，最终测量的是采集时刻的液面瞬时形貌，当采集随时间变化的序列信息载体畸变图像时，最终测量得到的是液面随时间变化的形貌；

当然，这里的图像获取方法可参照步骤103中的方法，这里不再赘述。

信息载体畸变图像为液面变形后液面(水)底的信息载体图形将有效光源反射出液面后被图像采集设备采集到的图像。

步骤105：以液面静止时获取的上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像作为参考，对上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像进行处理得到上层信息载体图像和下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据，求解上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场与下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场；

对各层信息载体图像中的畸变运用相关技术进行处理以获取各层信息载体图像上各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据。这里的UV方向与OXY坐标轴方向相同(平行)，只是在场论中习惯于采用‘U、V’叫法。

在本实施例中，液面发生变形后，各层信息载体图形反射的光经过液面的变形区域会发生透射角度的偏移，从而在采集到的各层信息载体图像中产生畸变现象(如：信息载体图像中某一区域会朝着图像的某一侧延伸或收缩等)，故可以根据畸变的方向对发生畸变的信息载体图像运用相关技术获取该发生畸变的各层信息载体图像的面内U、V方向的位移矢量场数据，进一步得到各层信息载体图像全场位移矢量场。

可选的，采用数字云纹技术、数字散斑技术或几何相位分析技术对对上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像进行处理得到上层信息载体图像和下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据。

数字云纹技术：所有云纹测量技术的基本元件都是栅线。两组栅线叠合在一起产生的云纹条纹会随着栅线几何形状的微小改变而发生宏观移动，云纹法就是通过测量条纹的移动量来分析物体的位移场。栅线是物体变形信息的载体，因此选用合适的栅线可以方便快捷地提取出物体的变形信息。云纹法中的参考栅线，可以是实际的几何栅线，或者是计算机生成的数字栅，栅线的类型通常是根据所要分析问题的类型和分析的方便性来选取。数字云纹技术采用的是数字栅叠加，其云纹条纹的生成不同于传统云纹技术中由两组栅线的光学叠加来实现，而是将数字化的变形栅线图进行二值化后与计算机生成的二值参考栅进行逻辑运算，来模拟栅线叠加形成的几何云纹。

数字散斑技术：数字图像相关法(Digital image correlation，DIC)，又称数字散斑相关法，是将变形前后的两幅数字图像，通过相关计算获取感兴趣区域的变形信息。其基本原理是，对变形前图像中的感兴趣区域进行网格划分，将每个子区域当作刚性运动。再针对每个子区域，通过一定的搜索方法按预先定义的相关函数来进行相关计算，在变形后图像中寻找与该子区域的互相关系数为最大值的区域，即该子区域在变形后的位置，进而获得该子区域的位移。对全部子区域进行计算，即可获得全场的变形信息。

几何相位分析技术：(Geometric phase analysis，GPA)其方法是对变形前后的点阵图像进行傅里叶变换，选择两个非线性矢量，再进行反傅里叶变换，可以得到变形前后点阵图像的相位信息，用变形后的相位信息减去变形前的相位信息得到相位差，根据相位差与应变及位移的关系获得应变场与位移场。

上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场，包括上层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和，下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场包括下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和。

步骤106：按照以下方法，根据上层信息载体图像的全场位移矢量场与下层信息载体图像的全场位移矢量场求解液面各个时刻的液体高度数据：

其中，S1为上层信息载体图像的全场面内位移，S2为下层信息载体图像的全场面内位移，d为介质的上层与下层之间的厚度，α为图像采集设备所采集图像对应位置的光线与竖直方向的夹角，n1为液体的折射率，n2为介质的折射率。

可以理解的是，由于介质、液体和空气的折射率均不同，所以图像采集设备对介质上层和下层的信息载体图形进行图像采集时会发生不同程度的折射，由于介质的上层与下层之间具有厚度，所以上层信息载体图像的全场面内位移S1与下层信息载体图像的全场面内位移S2不相等。

进一步地，根据全场位移矢量场求解得到液面的高度分布，需要建立液面的高度于各层信息载体图像面内位移之间的函数关系。具体地说，如图2所示，液面的变形前后的剖面光路图，某点液面到上层信息载体图形之间的距离H满足上述公式，当然计算出高度H就能够了解了液面上各点的液面变形与形貌了。

实施例二：

结合图11，本实施例提供了一种基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量系统，包括图像采集设备201、介质205、面内位移矢量处理模块202以及液面三维形貌处理模块203。

介质205具有一定厚度，设置在液面底部，在垂直于地面所在平面的方向上，介质205包括相对设置的上层和下层，上层和下层均具有信息载体图形；

图像采集设备201，设置在液面远离地面的一侧，且图像采集设备201与液面具有间隔，并对图像采集设备201进行标定，与面内位移矢量处理模块202相耦接，用于液面静止时利用图像获取方法对信息载体图形进行图像采集，得到液面静止时的信息载体图像，图像获取方法包括：图像采集设备采集双层信息载体图像，上层信息载体图形和下层信息载体图形的图像采集到同一图像中，利用几何相位分析技术或者彩色阈值提取法将上层信息载体图形的图像和下层信息载体图形的图像分开到两张图像中，形成上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像；当液面发生形变后，对信息载体图形进行图像采集，得到液面形变后的信息载体畸变图像，信息载体畸变图像包括上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像，并发送至面内位移矢量处理模块202，采集一张信息载体畸变图像时，最终测量的是采集时刻的液面瞬时形貌，当采集随时间变化的序列信息载体畸变图像时，最终测量得到的是液面随时间变化的形貌；

面内位移矢量处理模块202，分别与图像采集设备201和液面三维形貌处理模块203相耦接，用于以液面静止时获取的上层信息载体参考图像与下层信息载体参考图像作为参考，对所述上层信息载体畸变图像和所述下层信息载体畸变图像进行处理得到所述上层信息载体图像和所述下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据，求解上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场与下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场，并发送至液面三维形貌处理模块203；

液面三维形貌处理模块203，与面内位移矢量处理模块202相耦接，用于接收面内位移矢量处理模块202发送的上层信息载体图像的全场位移矢量场与下层信息载体图像的全场位移矢量场数据，按照以下方法求解出液面高度:

其中，S1为上层信息载体图像的全场面内位移，S2为下层信息载体图像的全场面内位移，d为介质205的上层与下层之间的厚度，α为图像采集设备201所采集图像对应位置的光线与竖直方向的夹角，n1为液体204的折射率，n2为介质205的折射率。

可选的，信息载体图形包括条纹、散斑和点阵信息。

可选的，面内位移矢量处理模块202采用数字云纹技术、数字散斑技术或几何相位分析技术对对上层信息载体畸变图像和下层信息载体畸变图像进行处理得到上层信息载体图像和下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向的位移矢量数据。

可选的，介质205包括透明玻璃、或透明塑料，介质205的折射率与液体204的折射率不相等。

可选的，上层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场，包括上层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和，下层信息载体图像各个时刻的全场位移矢量场包括下层信息载体图像各个时刻的面内U、V方向位移矢量场的矢量和。

在本实施例中，各层信息载体图像是水底各层信息载体图形将有效光源反射出液面被图像采集设备采集到的图像，其中，信息载体图形是包括条纹，散斑，点阵等具备特定灰度梯度的图案。信息载体图像的采集可以通过CCD相机和/或将图像转变为数字信号功能的图像采集设备实现。在实际应用中，将双层信息载体图形置于盛有适量透明液体的玻璃水槽的外面底部。图像采集设备(如CCD相机)置于水槽的正上方。

进一步地，图像采集模块201可以是CCD相机和/或将图像转变为数字信号功能的图像采集设备。

可选的，面内位移矢量处理模块202可以为：由CPU、GPU和/或具有数据处理功能的芯片构成的面内位移矢量处理模块。

可选的，液面三维形貌处理203可以为：由CPU、GPU和/或具有数据处理功能的芯片构成的液面三维形貌处理模块。

在本实施例中，各层信息载体图像是水底各层信息载体图形将有效光源反射出液面被图像采集设备采集到的图像，其中，信息载体图形是包括条纹，散斑，点阵等具备特定灰度梯度的图案。信息载体图像的采集可以通过CCD相机和/或将图像转变为数字信号功能的图像采集设备实现。在实际应用中，将双层信息载体图形置于盛有适量透明液体的玻璃水槽的外面底部。图像采集设备(如CCD相机)置于水槽的正上方。

进一步地，双层信息载体图像采集模块201可以是CCD相机和/或将图像转变为数字信号功能的图像采集设备。

通过上述实施例可知，本发明提供的基于双层图形透射成像的液面变形和形貌测量方法和系统，至少实现了如下的有益效果：

1)本发明通过记录液面静止时和液面变形后各时刻的双层信息载体图像，运用相关技术，可以实现对静态和动态液面形貌进行快速高精度地测量；

2)本发明通过分析上下两层信息载体图像畸变与液面高度之间的光学关系，有效提高测量量程的同时提高了测量的灵敏度；

3)本发明测量上下两层信息载体图形反射的光线透射出变形液面后的畸变，结合该上下两层信息载体图形间给定的间隔距离，就可以综合得到液面形貌变化图，测量方法简单，计算效率高，并且便于实验操作。

4)本发明只需要使用单个的图像采集设备，装置简单经济。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。