一種基于數(shù)字散斑的陣列式高速攝像系統(tǒng)的像差修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陣列式高速攝像系統(tǒng)的像差修正方法，屬于實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高速攝像技術(shù)與光測(cè)力學(xué)相結(jié)合在實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)、材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)量等方面已經(jīng)起到了重要的應(yīng)用。盡管對(duì)陣列式高速攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的研究，但是缺乏對(duì)多因素耦合造成的像差問(wèn)題的影響研究，這些缺點(diǎn)很大程度上阻礙了該項(xiàng)技術(shù)在力學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試方面的發(fā)展及其在工程應(yīng)用的拓展。亟待針對(duì)數(shù)字式陣列高速攝像系統(tǒng)固有的像差問(wèn)題提出一種簡(jiǎn)單有效地像差修正的方法，使動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果更為精確。
[0003]陣列式高速攝像系統(tǒng)的像差來(lái)源很多，首先很難保證每個(gè)CCD的對(duì)焦完全一致，所以即使是定焦鏡頭，其對(duì)焦的細(xì)微差別也會(huì)帶來(lái)類似于應(yīng)變的放縮誤差;其次，視場(chǎng)也不能保證完全一致，這會(huì)引入類似于剛體位移的誤差;再者，是由每個(gè)CCD的光軸不完全平行所帶來(lái)的類似于畸變的誤差。由于高速攝像系統(tǒng)的精度要求較高，所以上面的提到的誤差都不可能通過(guò)手工調(diào)節(jié)消除，只能通過(guò)數(shù)學(xué)方法將該誤差修正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于數(shù)字散斑的陣列式高速攝像系統(tǒng)的像差修正方法，對(duì)不同位置CCD相機(jī)采集的圖像進(jìn)行像差的修正，使其能對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和性能進(jìn)行精確測(cè)量。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的陣列式高速攝像系統(tǒng)的像差修正方法，一種基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的陣列式高速攝像系統(tǒng)的像差修正方法，該方法采用的數(shù)字式陣列高速攝像系統(tǒng)，該所述系統(tǒng)主要包括:mXn陣列光源系統(tǒng)1、第一成像透鏡2、第二成像透鏡3、時(shí)序同步延遲控制系統(tǒng)4、mXn陣列CCD相機(jī)系統(tǒng)5、交換機(jī)6和計(jì)算機(jī)7，其中m2 2,n > 2；由mXn陣列光源系統(tǒng)I發(fā)出的光經(jīng)第一成像透鏡2折射變?yōu)槠叫泄?，穿過(guò)試件10后再經(jīng)過(guò)第二成像透鏡3匯聚，最終由m Xη陣列CCD相機(jī)系統(tǒng))接收成像，通過(guò)交換機(jī)6將采集的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)7;本系統(tǒng)的時(shí)序控制由時(shí)序同步延遲控制系統(tǒng)4完成;其特征在于:該方法包括如下步驟:
[0007]I)對(duì)m X η陣列CCD相機(jī)系統(tǒng)不同位置CCD相機(jī)進(jìn)行編號(hào)，第I行，第I列的CCD相機(jī)編號(hào)為0，0號(hào)相機(jī)未加載狀態(tài)下采集的圖像是基準(zhǔn)圖像;之后按照逐行順序編號(hào)將所有相機(jī)編為Ι-j，其中j=mXn-l ；
[0008]2)未加載時(shí)利用mXη陣列CCD相機(jī)系統(tǒng)拍攝一組初始散斑圖像，以尾號(hào)I編號(hào)，，即0-1，1-1，2-1，……，j_l，共計(jì)m Xη幅初始圖像，加載時(shí)保持光學(xué)系統(tǒng)不變，利用每個(gè)CCD相機(jī)再拍攝一組不同時(shí)刻散斑圖像，以尾號(hào)2編號(hào)，S卩0-2，1-2，2-2，……，j-2，共計(jì)mXn幅實(shí)驗(yàn)圖像，尾號(hào)前邊數(shù)字代表相機(jī)編號(hào)；
[0009]3)通過(guò)二維數(shù)字相關(guān)運(yùn)算計(jì)算0-1與1-1號(hào)圖像初始散斑圖像的相關(guān)位移場(chǎng)U0;
[0010]4)運(yùn)用傅里葉變換的相移方法，對(duì)I號(hào)相機(jī)的實(shí)驗(yàn)前后的圖像1-1及1-2進(jìn)行逐點(diǎn)的亞像素平移，得到I次修正后的圖像1-1-1及1-2-1，通過(guò)多次的相移算法，即通過(guò)調(diào)整圖像的頻域特征實(shí)現(xiàn)亞像素平移，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的亞像素平移，Lfv表示修正前后的圖像矩陣，則:
[0011]f7 =F_1[F(f).e2lti(v/+u,).e—2i]
[0012]其中F’F—1表示傅里葉變換與逆變換，/,Y則表示U1中的豎直及水平兩個(gè)方向的位移場(chǎng)的對(duì)稱變換，i為復(fù)數(shù)符號(hào)；
[0013]5)通過(guò)二維數(shù)字相關(guān)運(yùn)算計(jì)算修正后的1-1-1號(hào)圖像與0-1號(hào)圖像的相關(guān)位移場(chǎng)Ul，如果位移場(chǎng)Ui中的最大位移值Ui(max)與最小位移值Ui(min)的差值遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)的理論位移場(chǎng)U，即:
[0014]Ui(max)-Ui(min)〈〈U
[0015]貝Ijl號(hào)相機(jī)與O號(hào)相機(jī)的像差基本已消除，如果不滿足iMmaxhlMminKOJ，則以U1代替Uo重復(fù)3)、4)、5)步驟進(jìn)行迭代修正，如此重復(fù)直到滿足Uk(max)-Uk(min)〈〈U，k代表迭代修正次數(shù)，取值為k = 0，I，2，…，則I號(hào)相機(jī)采集的實(shí)驗(yàn)前后的散斑圖像經(jīng)過(guò)修正最終變?yōu)樯邎Dl-1-k及l(fā)-2-k;
[0016]6)對(duì)2-j號(hào)相機(jī)實(shí)驗(yàn)前后的圖像重復(fù)3)、4)、5)步驟進(jìn)行迭代修正，從而消除Ι-j號(hào)相機(jī)采集的圖像與O號(hào)相機(jī)采集的圖像的像差；
[0017]優(yōu)選地，mX η陣列光源系統(tǒng)采用3 X 3的LED光源系統(tǒng)。
[0018]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的而技術(shù)效果:本發(fā)明針對(duì)數(shù)字陣列式高速攝像系統(tǒng)固有的像差問(wèn)題，基于數(shù)字圖像相關(guān)處理的基本方法，對(duì)多種誤差因素耦合下的數(shù)字圖像像差進(jìn)行了分析，提出并實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)不同位置CCD相機(jī)采集的圖像像差的迭代修正，解決了由各個(gè)相機(jī)對(duì)焦、位置差異等因素引起的像差，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為精確。本發(fā)明具有更好的普適性與精確度。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明所采用的數(shù)字式陣列高速攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明陣列CCD相機(jī)位置及對(duì)應(yīng)的相機(jī)編號(hào)。
[0021 ]圖3是本發(fā)明中單個(gè)CCD相機(jī)的像差修正方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過(guò)程，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]圖1是本發(fā)明所采用的數(shù)字式陣列高速攝像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖，該系統(tǒng)主要包括:mXn陣列光源系統(tǒng)1、第一成像透鏡2、第二成像透鏡3、時(shí)序同步延遲控制系統(tǒng)4、mXn陣列C⑶相機(jī)系統(tǒng)5、交換機(jī)6和計(jì)算機(jī)7，其中m2 2，n 2 2;由mXn陣列光源系統(tǒng)I發(fā)出的光經(jīng)第一成像透鏡2折射變?yōu)槠叫泄猓┻^(guò)試件10后再經(jīng)過(guò)第二成像透鏡3匯聚，最終由mXn陣列CCD相機(jī)系統(tǒng))接收成像，通過(guò)交換機(jī)6將采集的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)7。本系統(tǒng)的時(shí)序控制由時(shí)序同步延遲控制系統(tǒng)4完成，落錘8通過(guò)沖擊頭9對(duì)試件10施加沖擊載荷，沖擊頭9的沖擊端部布置一信號(hào)線，落錘8自身連接一信號(hào)線，落錘8與沖擊頭9接觸時(shí)產(chǎn)生回路，誘發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)觸發(fā)時(shí)序同步延遲控制系統(tǒng)4工作，隨后時(shí)序同步延遲控制系統(tǒng)4產(chǎn)生從9個(gè)通道輸出的、各通道獨(dú)立可變時(shí)序脈沖信號(hào)觸發(fā)3*3陣列CCD相機(jī)系統(tǒng)5工作，完成圖像的采集。
[0024]圖2是本發(fā)明陣列CCD相機(jī)位置及對(duì)應(yīng)的相機(jī)編號(hào)。第I行，第I列的CCD相機(jī)編號(hào)為0，0號(hào)相機(jī)未加載狀態(tài)下采集的圖像是基準(zhǔn)圖像;之后按照逐行順序編號(hào)將所有相機(jī)編為1-」，其中」=111\11-1。
[0025]本發(fā)明提供的方法包括如下步驟:
[0026]I)對(duì)m X η陣列CCD相機(jī)系統(tǒng)不同位置CCD相機(jī)進(jìn)行編號(hào)，第I行，第I列的CCD相機(jī)編號(hào)為0，0號(hào)相機(jī)未加載狀態(tài)下采集的圖像是基準(zhǔn)圖像;之后按照逐行順序編號(hào)將所有相機(jī)編為ι-j，其中j=m