本發(fā)明屬于數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，涉及一種高溫環(huán)境下散斑圖像質(zhì)量評估與自動校正系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、目前航空、航天、軍工等諸多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，開展在軌高低溫環(huán)境下機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能檢測是分析航天器設(shè)計(jì)合理性的有效途徑，分析產(chǎn)品力學(xué)性能往往需要進(jìn)行位移變形的檢測，作為數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的典型應(yīng)用，數(shù)字散斑檢測技術(shù)具有非接觸、高精度的技術(shù)優(yōu)越性，適用于高低溫環(huán)境下的位移變形原位檢測。

2、數(shù)字散斑檢測技術(shù)的檢測精度與檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性直接取決于散斑場的質(zhì)量，清晰準(zhǔn)確且隨機(jī)性良好的散斑圖像是能夠準(zhǔn)確真實(shí)反映變形位移的前提。但是，目前散斑場制備往往通過人手工開展，散斑點(diǎn)隨機(jī)性、尺寸等性質(zhì)都難以可靠保證；并且，針對于高低溫環(huán)境下的光照、振動等因素對散斑圖像采集成像的干擾影響當(dāng)前還未存在有效控制措施，測量時(shí)不可避免的引入測量誤差，進(jìn)而使高低溫環(huán)境下位移變形檢測不準(zhǔn)確，為后續(xù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品基于檢測結(jié)果進(jìn)行的性能評估帶來誤差與不確定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種高溫環(huán)境下散斑圖像質(zhì)量評估與自動校正系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)了高低溫環(huán)境下散斑圖像制備、質(zhì)量評價(jià)、自動校正，進(jìn)一步保證數(shù)字散斑檢測中數(shù)據(jù)的精確采集，實(shí)現(xiàn)可靠解算結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)在高低溫環(huán)境下的變形。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：

3、一種高溫環(huán)境下散斑圖像質(zhì)量評估與自動校正系統(tǒng)，包括散斑場制備模塊和評價(jià)與校正模塊；其中，散斑場制備模塊包括支撐約束組件、二維運(yùn)動組件、散斑噴涂組件、上位機(jī)控制組件；支撐約束組件包括試驗(yàn)件、背部支撐板、側(cè)部壓緊塊、底部支撐板；二維運(yùn)動組件包括運(yùn)動支撐梁、縱向方向運(yùn)動組件、橫向方向運(yùn)動組件；評價(jià)與校正模塊包括2個(gè)ccd相機(jī)、數(shù)據(jù)解算上位機(jī)、高低溫試驗(yàn)箱；

4、其中，底部支撐板水平放置；背部支撐板豎直安裝在底部支撐板的上表面；試驗(yàn)件豎直貼放在背部支撐板的側(cè)壁處；試驗(yàn)件的兩側(cè)分別通過側(cè)部壓緊塊夾緊約束；運(yùn)動支撐梁豎直設(shè)置在底部支撐板上；運(yùn)動支撐梁通過壓緊裝置以不同長度進(jìn)行組合以適應(yīng)不同尺寸的試驗(yàn)件；底部支撐板上表面設(shè)置有導(dǎo)軌；橫向方向運(yùn)動組件設(shè)置在底部支撐板的導(dǎo)軌上，橫向方向運(yùn)動組件帶動運(yùn)動支撐梁沿導(dǎo)軌移動；縱向方向運(yùn)動組件設(shè)置在運(yùn)動支撐梁的側(cè)壁導(dǎo)軌上；散斑噴涂組件安裝在縱向方向運(yùn)動組件上；通過縱向方向運(yùn)動組件帶動散斑噴涂組件沿運(yùn)動支撐梁導(dǎo)軌方向上下移動；當(dāng)散斑噴涂組件到達(dá)試驗(yàn)件表面預(yù)設(shè)位置后，上位機(jī)控制組件驅(qū)動散斑噴涂組件對試驗(yàn)件表面進(jìn)行噴涂；上位機(jī)控制組件實(shí)現(xiàn)對散斑噴涂組件的噴涂軌跡的控制；

5、噴涂完成后，將試驗(yàn)件放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)；2個(gè)ccd相機(jī)組成雙目成像系統(tǒng)，通過雙目成像系統(tǒng)對試驗(yàn)件散斑場進(jìn)行高低溫環(huán)境下的狀態(tài)捕獲；并將捕獲的表征散斑場狀態(tài)的圖像進(jìn)行傳輸至數(shù)據(jù)解算上位機(jī)進(jìn)行解算及校正處理。

6、在上述的一種高溫環(huán)境下散斑圖像質(zhì)量評估與自動校正系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)解算上位機(jī)通過計(jì)算分析散斑場質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)對圖像質(zhì)量進(jìn)行打分，統(tǒng)計(jì)記錄待校正項(xiàng)目，并基于預(yù)設(shè)圖像模板利用相關(guān)校正算法實(shí)現(xiàn)對于散斑圖像的自動校正，為后續(xù)基于散斑圖像的高低溫環(huán)境下試驗(yàn)件變形檢測提供清晰高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

7、在上述的一種高溫環(huán)境下散斑圖像質(zhì)量評估與自動校正系統(tǒng)的質(zhì)量評估與自動校正方法，包括：

8、步驟一、確認(rèn)散斑場制備模塊和評價(jià)與校正模塊工作正常；

9、步驟二、將試驗(yàn)件安裝在背部支撐板側(cè)壁處，利用側(cè)部壓緊塊進(jìn)一步緊固試驗(yàn)件；

10、步驟三、基于試驗(yàn)件尺寸與表面狀態(tài)計(jì)算白色底部散斑與黑色散斑的具體噴涂參數(shù)，開展散斑場自動化制備；

11、步驟四、將已經(jīng)噴涂散斑的試驗(yàn)件放置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，通過評價(jià)與校正模塊中的ccd相機(jī)對不同環(huán)境溫度下的試驗(yàn)件表面散斑場進(jìn)行逐階段采集成像；

12、步驟五、通過評價(jià)與校正模塊中的數(shù)據(jù)解算上位機(jī)對全流程散斑場數(shù)據(jù)集進(jìn)行逐階段解算，獲得需要校正的散斑圖像；

13、步驟六、對需要校正的散斑圖像進(jìn)行校正；

14、步驟七、完成散斑圖像校正后，重復(fù)步驟五，對圖像的亮度、去抖動情況以及清晰程度進(jìn)行再次評價(jià)；當(dāng)評價(jià)結(jié)果滿足預(yù)設(shè)值，執(zhí)行步驟八；否則重復(fù)步驟六；

15、步驟八、將符合質(zhì)量要求的散斑圖像按照溫度、時(shí)間序列進(jìn)行存儲，用以后續(xù)的變形位移檢測。

16、在上述的方法，所述步驟三中，計(jì)算白色底部散斑與黑色散斑的具體噴涂參數(shù)，開展散斑場自動化制備方法為：

17、s31、采用與試驗(yàn)件形狀一致的白光光源水平直射試驗(yàn)件表面；經(jīng)由ccd相機(jī)對光源照射下的試驗(yàn)件表面開展邊緣檢測，并對灰度明顯異于整體的局部區(qū)域進(jìn)行定位；

18、s32、結(jié)合對閉合局部區(qū)域在光源照射下圖像中所圍像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求解閉合區(qū)域中心在圖像像素中的位置；其中表示圖上一點(diǎn)像素值；i，j表示像素位置；n，m表示區(qū)域所圍尺寸；

19、s33、對各個(gè)區(qū)域中心點(diǎn)與邊緣區(qū)域像素值進(jìn)行比對，判斷當(dāng)前區(qū)域的凹凸?fàn)顟B(tài)；

20、s34、計(jì)算區(qū)域凹凸程度，并設(shè)置散斑噴涂參數(shù)；數(shù)據(jù)解算上位機(jī)控制散斑噴涂組件進(jìn)行有針對性的散斑噴涂；在凸區(qū)域減弱噴涂驅(qū)動力，在凹區(qū)域增強(qiáng)噴涂動力，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件全場白色涂層等厚度均勻噴涂；對各點(diǎn)位散斑點(diǎn)噴涂動力修正；其中f為預(yù)設(shè)的全局散斑噴涂組件動力值，此值由數(shù)據(jù)解算上位機(jī)設(shè)置?，為經(jīng)過修正后的噴涂動力值；

21、s35、基于試驗(yàn)件尺寸建立散斑場數(shù)值表；

22、s36、通過數(shù)據(jù)解算上位機(jī)控制散斑噴涂組件運(yùn)動至試驗(yàn)件表面的左上與右下位置進(jìn)行標(biāo)定，通過統(tǒng)一此兩點(diǎn)空間坐標(biāo)與二維運(yùn)動組件坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動組件運(yùn)動路線與試驗(yàn)件表面的對照；

23、s37、通過s31-s36，獲取了試驗(yàn)件表面散斑場尺寸、作為底色的白色散斑噴涂各點(diǎn)位力度、黑色散斑各點(diǎn)位直徑與運(yùn)動路徑，形成的散斑場數(shù)值經(jīng)數(shù)據(jù)解算上位機(jī)控制，由二維運(yùn)動組件帶動散斑噴涂組件對試驗(yàn)件表面進(jìn)行逐點(diǎn)位散斑噴涂，并在噴涂過程中逐點(diǎn)位紅外輻照固化，最終形成全場底色均勻、作為特征點(diǎn)的黑色滿足檢測精度要求且隨機(jī)性強(qiáng)的高質(zhì)量散斑場。

24、在上述的方法，所述s31中，基于canny檢測算法結(jié)合閉運(yùn)算對光源照射下圖像進(jìn)行邊緣檢測形成輪廓圖，以存在明顯高于圖像整體均值像素點(diǎn)的輪廓圖中所檢測到的閉合局部區(qū)域?yàn)榇治龅陌纪箙^(qū)域。

25、在上述的方法，所述s32中，閉合區(qū)域中心在圖像像素中的位置的求解方法為：

26、。

27、在上述的方法，所述s33中，判斷當(dāng)前區(qū)域的凹凸?fàn)顟B(tài)的方法為：

28、

29、式中，為中心點(diǎn)像素值；

30、mean表示除中心點(diǎn)外的當(dāng)前區(qū)域中所有點(diǎn)的像素均值；

31、theta(x,y)表示二者比值；

32、通過比值判斷當(dāng)前區(qū)域的凹凸?fàn)顟B(tài)，一旦theta大于閾值則判定為凸?fàn)顟B(tài)，否則為凹狀態(tài)。

33、在上述的方法，所述s34中，區(qū)域凹凸程度的計(jì)算方法為：

34、

35、式中，mean_all表示非所有區(qū)域中心點(diǎn)的像素均值；

36、為散斑修正系數(shù)；

37、為區(qū)域狀態(tài)判斷閾值；

38、凸區(qū)域得到正修正系數(shù)，凹區(qū)域得到負(fù)修正系數(shù)；

39、各點(diǎn)位散斑點(diǎn)修正后的噴涂動力為：

40、

41、式中，f為預(yù)設(shè)的全局散斑噴涂組件動力值；f由數(shù)據(jù)解算上位機(jī)設(shè)置。

42、在上述的方法，所述s35中，散斑場數(shù)值表的建立方法為：

43、結(jié)合ccd相機(jī)的最高檢測精度和散斑噴涂組件噴涂散斑尺寸能力確定黑色散斑最小直徑；以最大凹凸區(qū)域的最小外切正方形對角線長度為黑色散斑最大直徑；設(shè)定散斑中心坐標(biāo)為；對試驗(yàn)件表面各點(diǎn)進(jìn)行黑色散斑點(diǎn)直徑定義為：

44、

45、其中保證60%及以上的試驗(yàn)件表面噴涂黑色散斑；而未被噴涂的位置點(diǎn)由數(shù)據(jù)解算上位機(jī)隨機(jī)抽取確定；進(jìn)一步的噴涂黑色散斑點(diǎn)點(diǎn)位在閉區(qū)間內(nèi)隨機(jī)抽取確定黑色散斑直徑值。

46、在上述的方法，所述步驟五中，對全流程散斑場數(shù)據(jù)集進(jìn)行逐階段解算的方法為：

47、計(jì)算圖像亮度：計(jì)算時(shí)將圖像網(wǎng)格化處理為的區(qū)域分布，分別計(jì)算整體圖像灰度均值與各區(qū)域灰度均值，以整體圖像灰度均值表征圖像整體亮度，以各區(qū)域灰度均值表征圖像局部亮度，以各區(qū)域灰度均值與整體圖像灰度均值比值表征圖像局部亮度變化狀態(tài)；計(jì)算時(shí)以未升溫狀態(tài)為參考值，通過對比不同狀態(tài)下的圖像整體亮度判斷圖像亮度變化情況，判斷與參考值差值在預(yù)設(shè)值范圍外的，需要校正；

48、在同一組圖像中開展抖動程度評價(jià)：通過散斑場中隨機(jī)噴涂的黑色散斑特征點(diǎn)進(jìn)行圖像相關(guān)計(jì)算，在同組圖像中計(jì)算特征點(diǎn)矢量位移，求解試件表面位移場；求解時(shí)首先進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算匹配散斑點(diǎn)的位移，記錄組內(nèi)所有圖像較之于第一幅圖像的位移偏移值，作為抖動程度評價(jià)指標(biāo)；

49、計(jì)算圖像清晰度：

50、

51、式中，與為橫縱方向梯度值；

52、b為清晰度評價(jià)參數(shù)；

53、計(jì)算時(shí)以未升溫狀態(tài)為參考值，通過對比不同狀態(tài)下的圖像b值判斷圖像清晰度情況，判斷與參考值差值在預(yù)設(shè)值范圍外的為清晰度不足，需要校正。

54、在上述的方法，所述步驟六中，對散斑圖像進(jìn)行校正的方法為：

55、對于亮度指標(biāo)需要校正的圖像，比對待校正圖像與參考圖像整體圖像灰度均值指標(biāo)，判斷此時(shí)圖像處于過暗或過亮的狀態(tài)，并由整體圖像灰度均值指標(biāo)計(jì)算整體亮度修正值；進(jìn)一步的，計(jì)算參考圖像中各個(gè)網(wǎng)格區(qū)域與圖像整體灰度比例系數(shù)，按照此比例系數(shù)對需要校正圖像進(jìn)行亮度校正：

56、

57、

58、式中，為參考圖全圖灰度均值；

59、為需要校正圖全圖灰度均值；

60、為求解的校正圖各個(gè)區(qū)域的校正偏差值；

61、與為修正前后的圖像像素值；

62、對于抖動指標(biāo)需要校正的圖像，計(jì)算當(dāng)前組中所有圖像與參考圖像之間的位移場數(shù)據(jù)矩陣，并按照所分網(wǎng)格區(qū)域統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)所有被檢測到的散斑點(diǎn)位移狀態(tài)，剔除變化趨勢與變化值與區(qū)域位移均值較大的奇異點(diǎn)；對剔除后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各特征點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，以成像時(shí)間序列排列位移數(shù)據(jù)，并由后一張位移減去前一張位移實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)單組波動數(shù)據(jù)；對于出現(xiàn)位移反復(fù)波動的數(shù)據(jù)求解均值，以此均值作為抖動引起的偏差修正值，記錄此值作為后續(xù)基于散斑的變形位移檢測的修正值；

63、針對清晰度指標(biāo)需要校正的圖像進(jìn)行銳化增強(qiáng)處理：

64、

65、式中，表示銳化后的圖像數(shù)據(jù)；

66、表示銳化前數(shù)據(jù)。

67、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

68、（1）本發(fā)明提供了一種以試驗(yàn)件本身表面特征為基礎(chǔ)，經(jīng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與自動化散斑場噴涂方式，較之于目前主流的人工手動噴涂方式可以更可靠的實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量散斑場制備，為后續(xù)基于散斑場的數(shù)字圖像相關(guān)計(jì)算變形提供有效支持；

69、（2）本發(fā)明提供了一種高低溫下散斑場圖像質(zhì)量評價(jià)與校正方法，提高了試驗(yàn)過程中散斑圖的可檢測性，有效抑制了外界環(huán)境對散斑圖成像的噪聲干擾；

70、（3）本發(fā)明設(shè)計(jì)了自動化散斑場噴涂模塊，能夠在高穩(wěn)定、多自由度調(diào)節(jié)散斑噴涂裝置位置，可結(jié)合傳送組件設(shè)計(jì)，能夠滿足不同尺寸試驗(yàn)件進(jìn)行組批流水線式檢測的需求。