6字图像相关系统及其动载三维变形测量

第32卷第4期2012年4月

北京理工大学学报

T r a n s a c t i o n s o fB e i i n n s t i t u t e o fT e c h n o l o j g I g y

V o l . 32 No . 4A r . 2012p

高速三维数字图像相关系统及其

动载三维变形测量

曾祥福, 刘程林, 马少鹏

() 北京理工大学宇航学院, 北京 100081

摘要:基于双目立体视觉㊁高速摄影和数字图像相关方法, 用两台高速相机搭建了可用于观测结构动态三维变形的高速三维数字图像相关测量系统. 介绍了测量系统的原理及实验过程中需要注意的细节, 用该测量系统进行了两个动载下三维变形观测的实验:摆锤冲击铝板实验和霍普金森杆冲击石墨圆柱实验, 得到了受冲击铝板的动态离面位移场演化和石墨圆柱试件横向变形的三维位移场. 关键词:动载荷; 高速变形测量; 三维数字图像相关

() 中图分类号:O348. 12 文献标志码:A 文章编号:1001-0645201204-0364-06

M e a s u r e m e n t o fD n a m i cT h r e e -D i m e n s i o n a lD e f o r m a t i o no f y

S t r u c t u r e sU s i n i h -S e e d 3-DD i i t a l I m a eC o r r e l a t i o nS s t e m g H g p g g y

(, , ) S c h o o l o fA e r o s a c eE n i n e e r i n B e i i n n s t i t u t e o fT e c h n o l o B e i i n 00081, C h i n a p g g j g I g y j g 1

, , Z E N G X i a n f u LI U C h e n l i n MASh a o e n g g p g ---

:, A b s t r a c t B a s e do n t h e p r i n c i l e so fb i n o c u l a r s t e r e ov i s i o n h i h s e e d p h o t o r a h n dd i i t a l p g p g p y a g -, i m a e c o r r e l a t i o n (D I C ) ah i h s e e dt h r e e d i m e n s i o n a ld e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n t s s t e m w a s g g p y --c o n s t r u c t e d t om e a s u r e t h ed n a m i c 3Dd e f o r m a t i o no f s t r u c t u r e s . T h ee x e r i m e n t a l s e t u n d y p p a -, i t s d e t a i l so f t h e m e a s u r e m e n ts s t e m w e r e i n t r o d u c e d .T w oe x e r i m e n t s a na l u m i n u m p l a t e y p , w i m a c t e db e n d u l u m a n da g r a h i t ec l i n d e rl o a d e db o k i n s o nb a r e r e p e r f o r m e d p y a p p y y a H p u s i n h e c o n s t r u c t e ds s t e m. T h ed n a m i c3Do u t o f l a n ed e f o r m a t i o nf i e l d so f t h e p l a t ea n d g t y y p --i m a e c o r r e l a t i o n g

t h e l a t e r a l 3Dd e f o r m a t i o no f t h e g r a h i t e c l i n d r i c a lw e r e o b t a i n e d . p y

:d ; h ; t K e o r d s n a m i c l o a d i h s e e d d e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n t h r e e d i m e n s i o n a l d i i t a l y g p g y w --侵彻等问研究结构在冲击载荷作用下的毁伤㊁

题时, 需要测量结构表面的动态变形. V I S A R 或普通的高速激光位移计(速度计) 等只能获得单点的变形信息, 难以分析复杂的非均匀破坏过程. 高速摄影技术虽然可以拍摄试件表面的动态破坏图像, 但不能进行定量分析. 基于高速图像采集和定量分析, 方法可以定量地获得试件表面动c o r r e l a t i o n D I C )

13]

(的高速三维数字图像相关[d i i t a li m a e g g

态的三维变形场, 是一种先进的动载实验测量方法. 目前, 国外的一些研究者和公司已经开发了高速

[][]

如V 3D -D I C 的产品, I C -3D 4和D a n t e c 5等. 但是,

这些商业测量系统普遍价格昂贵, 一般实验室难以

承受. 更为重要的是, 商业测量系统的软硬件封装层次较高, 一般不给用户留过多的接口, 其提供的接口也不一定能符合具体的实验要求, 这就给实验带来了很大不便. 事实上, 高速3D -D I C 与普通的3D -

收稿日期:20110902

) ; ) 基金项目:国家自然科学基金资助项目(国家部委预研项目([1**********]0A 05040610B Q 0116

, :作者简介:曾祥福(男, 硕士生, 1985 ) E -m a i l z e n x i a n f u @139. c o m. g g ) , , , :通信作者:马少鹏(男副教授1974E -m a i l m a s @b i t . e d u . c n . p

4365

仅有的差别在于图像采集系统, 高速3D I C 相比, D -而普通的3D I C 用两台高速摄像机采集图像, D -D I C 可以用同样的数据处理3D -D I C 在算法上完全一样,

软件进行数据分析. 目前, 国内许多实验室都配备了性能优良的高速摄像机, 基于3用实D -D I C 原理, D I C 系统. 这样的系统不但节约实验室建设经费, 也可能更符合实验要求, 取得更好的实验效果.

]6并开发了相应软件[. 基于该系统的数据处理部

用两台普通摄像机采集图像. 高速3D -D I C 与普通

1. 1 数字图像相关

数字图像相关(方法是一种光测力学测量D I C )

, 方法[D I C 通过拍摄和分析试件表面的散斑图像

像机进行的D I C 测量.

得到试件加载过程中表面的变形场. D I C 方法通过匹配两幅散斑图像(变形前图像和变形后图像) 中的, 不同子区来计算位移场(见图1) 然后再通过数值3点弯试件表面变形场的实验和所得x 方向的位移

场和应变场

微分获得应变场[. 图2所示为用D I C 观测一个

验室自有的高速摄像机完全可以自行搭建高速3D -

作者的研究组曾搭建了普通的3D -D I C 系统,

进行了两D I C 测量系统. 为了验证系统的有效性,

个实验, 用高速3D -D I C 观测了受摆锤冲击铝板的离面变形场, 以及受霍普金森杆冲击的石墨圆柱的三维变形场, 并对实验结果进行了简单分析.

分, 用两台不同型号的高速摄像机搭建了高速3D -

1 高速3D -D I C 原理

测量, 而3用两台摄D -D I C 是基于双目立体视觉的㊁

高速3D -D I C 是用高速摄像机进行的3D -D I C

图变形前后图像子区示意图

F i . 1 Sc h e m a t i c d i a r a mo fD I C i m a e p a r t i a l r e i o n s b e f o r e g g g g

a n da f t e r d e f o r m a t i o

图2 DI C 观测3点弯试件表面的变形场结果图

F i . 2 De f o r m a t i o n f i e l do f t h r e e o i n t b e n d i n e c i m e no b s e r v e db I C g p g s p y D -

其一个点的位移计算可表征为一个优化问题,

模型为

式中:C 为相关系数; f 为参考图像中匹配子区的灰度矩阵; g 为变形图像中匹配子区的灰度矩阵;

, ) m i n C (x , x , . f (y ) g (y )

(1)

췍u 췍v u 췍v ùé(êúu v 3) êúx 췍x ë췍y 췍y ûx 0, y 0

表示子区中心点的变形参数, 利用该变形参数, 子区内任意一点的位移可表示为

a =[a a a a a =0 1 2 3 4 5]

) 式(表示点(计算子区中发生任意变形前的2x , y ) 坐标, 而

{

, x =x +u (x , a ) y ;

x , a ) . y =y +v (y ;

(2)

由于用到点(的像素值进行相关运算, 而x , x , y ) y

{

, u (x , a ) x -x =a +a y ; y -y 0+a 2(0) 4(0)

v (x , a ) x -x . =a +a y ; y -y 1+a 3(0) 5(0)

(4)

366

32的值一般不是整数, 因此, 需要进行插值来获取亚像素的灰度值, 最常用的是三次样条插值算法, 一般可表示为

g (x ~

, y ~

) =ð 3i =0ð 3

j =0

i j x ~

i y ~

, (5)

式中βi j 是三次样条插值函数拟合参数一般由给定的3ˑ 3个网格点阵的整像素灰度值以及连续性要.

求确定1. 2 双目立体视觉原理

双目立体视觉测量利用两台摄像机来模拟实现人的双眼功能, 即用两个摄像机从不同方位分别记录空间同一场景的图像, 然后匹配这两幅二维图像中的对应点得到同一点在两台摄像机中的视差, 再由标定得到的两台摄像机的内外部参数计算得到该点在空间坐标系的三维坐标[9]

体视觉原理

. 图3所示为双目立

F i g . 3 Pr i n c 图i p 3l e d i 双目立体视觉原理图

a g

r a mo f b i n o c u l a r s t e r e ov i s i o n 图中P 为空间坐标系O y z w 下一点, 其坐标为(x ,

别为被测物体,

) . O 1, O 2分别为两台摄像机的光心, P 1上点光心组成的. P 在两台摄像机所成图像, P 2分上的坐标点如果光心和像点已知, 就可以确定像点和唯一射线, 并且物点一定通过此射线使用两台摄像机从不同方位对同一物点拍摄时, 两.

台摄像机光心和像点的射线相交于同一物点, 空间点的三维坐标可以表示为

. 根据双目立体视觉理论ìïïx =

z x l , ï

f l ïíy =ïy l l , ïz =ïïf îl f r (

r 7x l +r 8y l +f (l r r t x 9) --f x r r (t r z 1x )

l +r 2y l +f l r 3)

. 式中:(x 标; (x , y , 为点P 在空间坐标系O (6)

; f l , y l ) 和z ) (x 分r , y r 别是分由别左为右点P 在左右w 下三维坐图像上的坐标) l 和f r 摄像机内部参数决定

的等效焦距; r 1部参数决定的旋转矩阵和平移向量元素, r 2, , r 9和t x , t y ,

t z 为由摄像机外. 在已知图像坐标的情况下, 通过摄像机标定获取左右摄像机的内外部参数之后, 即可得到点P 的三维坐标. 由于摄像机镜头自身的制造误差, 存在着径向

和切向的畸变, 因此在测量前必须对方程(正, 此过程可以通过专门的标定方法[10]完成6) .

进行修1. 3 3D -D I C 实验的关键问题

①摄像机和图像的调整. 由于一般不容易找到同样型号的两台高速摄像机, 而摄像机型号的不同会导致镜头接口长度不同以及高帧率下分辨率不一致等问题, 因此实验前要对摄像机位置进行仔细调整使两幅图像每个像素代表的物理尺寸基本一致, 这样才能保证测量系统标定的顺利进行. 另外, 在进行双目散斑图像立体匹配时要先对图像进行预处理, 将图像分辨率调整为一致才可成功进行匹配②光源的选择. 由于动态过程一般在很短时.

间内完成, 而高速摄像机靶面需要在极短的曝光时间充分曝光, 对光源提出了很高的要求. 实验时可根据具体环境选择不同光源, 如金属镝灯光源或激光光源等. 在试件较小时, 也可用透镜对光源的出射光进行汇聚, 以增加亮度.

目立体视觉的立体匹配必须针对同一时刻的两幅图③最为关键的是同步和触发装置的设计. 双

像进行匹配, 因此实验中两台高速摄像机曝光时间和拍摄时刻必须对应, 这需要同时触发两台高速摄像机, 还要将两台摄像机的拍摄速度设为一致外, 动态冲击的作用过程很快, 要保证高速摄像机在

. 另有限的拍摄时间内能捕捉到冲击过程, 还需要精确的实验触发装置用电路发生. 设计并制作了并联式双摄像机同步触发装置, , 同T 步T 触L 信号, 同时送到两台摄像机的外触发接口发两台摄像机. 电路的触发可采用人工触发, 也可用普通的动态实验中的触发办法 .

高速3D -D I C 系统的应用

2. 1 摆锤冲击铝板实验

实验示意如图锤尖为底面直径4所示块400mmˑ 400mmˑ 40mm . 摆锤的锤头由不锈钢制成, 2mm , 高的铝板固支在与地面40mm 的锥形. 一固连的框架上, 摆锤下摆后锤头冲击铝板中心板受冲击的另一面贴有背胶纸, 其上印有散斑图案. 铝, 背胶纸和铝板的中心重合. 用一台P h o t r o n

4367

F A S T C AM A P X R S 高速摄像机和一台P h o t r o n

F A S T C AM S A 1. 1高速摄像机搭建高速3D -D I C 测量系统, 记录冲击时铝板表面的散斑图像

图4 摆锤冲击铝板实验系统

F i . 4 Ex e r i m e n t a l s s t e mo f a l u m i n u m p l a t e g p y

i m a c t e db e n d u l u m p yp

图5 铝板计算区域图

F i . 5 Ca l c u l a t e d r e i o no f a l u m i n u m p l a t e

g g

在实验开始前, 先对不同高度下摆锤的冲击速度进行标定. 利用一台高速摄像机记录摆锤在不同位置下落的序列图像, 然后通过图像处理的方法分析摆锤头部在图像中的坐标值来计算摆锤下落到底部(摆锤头部与铝板相接处的位置) 时的速度

实验时, 先对测量系统进行标定得到摄像机的

图6 铝板中心位移随时间的变化曲线

F i . 6 Cu r v e o f a l u m i n u m p l a t e c e n t e r d i s l a c e m e n tw i t h t h e g p

c h a n e o f t i m e g

内外部参数, 再将摆锤抬高到某个高度之后释放使锤头冲击铝板. 采用人工后触发的方式同步触发两台高速摄像机从两个角度记录冲击过程中铝板表面, 此时图像分辨率为(像素. 3000幅/s 1024ˑ 1024)

将所得图像用3D -D I C 软件处理后得到铝板表面各点在不同时刻的三维坐标, 可进一步得到铝板的离面位移场. 图图给出了一次实验的结果,

此次的散斑图像. 两台高速摄像机的拍摄速度均设为

/实验摆锤高度为1冲击速度为4. 02m , . 83m s . 左摄像机拍摄到的一幅散斑图像如图5所示, 图中黑也可分析和提取单个点的变形情况, 图6即为铝板中心点位移的变化情况, 图7为4个典型时刻(对应图6中标注的A ~D 4个点) 铝板表面的离面位移场. 从图中可以看出, 本文的高速I C 的结果基线框所示区域为D I C 分析区域. 从测量的位移场中

图7 铝板被冲击后离面位移场

F i . 7 Ou t o f l a n e d i s l a c e m e n t f i e l do f a l u m i n u m p l a t e a f t e r b e a r i n i m a c t g p p g p --

368

322. 2 霍普金森杆冲击石墨圆柱实验

实验系统如图8所示. 用霍普金森杆冲击一个直径为4高为2用高0mm , 0mm 的石墨圆柱试件, 速3D -D I C 系统测量试件圆柱面的三维变形场. 所采用霍普金森压杆的入射杆和透射杆的直径均为40mm. 测量系统由一台P h o t r o n F A S T C AM S A 5和一台P h o t r o nF A S T C AM S A 1. 1高速摄像, 此时其分辨率分别为(像素20000幅/s 740ˑ 520)

) 和(像素. 实验前在石墨试件表面用白色512ˑ 512

喷漆制作散斑

机搭建. 实验时, 两台摄像机的拍摄速度选为

本反映了受冲击后铝板的变形过程. 载后试件在轴向被压缩. 在垂直于圆柱轴线的截面上等间距取2取其平0个点计算圆柱面的截面半径, ) 均值得到截面平均半径r 给出了加载过1(b 0. 图1

程中平均半径的变化过程, 从图中看出圆柱在压缩过程中横向发生膨胀. 利用圆柱的平均半径和平均() 所示, 可以看出, 试件在冲击加载过程中体积11c

减小. 高速3D -D I C 系统有效地测量了受冲击圆柱试件的表面变形情况, 基于此可以分析试件在加载过程中的纵向㊁横向及体积变形, 进一步还可以进行横向膨胀的惯性效应的分析

高度计算圆柱得到的圆柱等效体积的变化曲线如图

图8 圆柱型石墨试件冲击实验系统

F i . 8 I m a c t i n x e r i m e n t a l s s t e mo f c l i n d r i c a l g p g e p y y

r a h i t e s e c i m e n g p p

时冲击实验的结果. 图9为高速摄像机1拍摄的一幅散斑图像及D I C 的分析区域. 图10为分析得到的加载前试件表面的形貌. 共分析处理了试件破坏前的7幅图像(其中加载前3幅, 加载后4幅, 加载后第5幅时试件已发生破坏) .

从试件表面的三维坐标可以定量分析冲击载荷

/图9~图11给出了一次子弹速度为11. 42m s

图9 三维变形场计算区域

F i . 9 Ca l c u l a t e d r e i o no f t h r e e d i m e n s i o n a l d e f o r m a t i o n f i e l

d g g -

作用下试件轴向高度和半径的变化规律:在圆柱横截面与轮廓面交线上等间距取25个点计算圆柱轴() 给出了圆柱轴向高度的变化过程, 可以看出加11a 向长度, 取其平均值得到圆柱的平均高度h 0. 图

图10 计算区域重建的三维形貌结果

F i . 10 Re c o n s t r u c t e d t h r e e d i m e n s i o n a l s h a e i n t h e g p -c a l c u l a t e d r e i o

n g

图11 冲击过程试件变化

F i . 11 St r u c t u r e c h a n e s o f t h e s e c i m e nd u r i n i m a c t i n g g p g p g

3 结论

的高速摄像机搭建了高速3D -D I C 测量系统. 利用该系统进行了受摆锤冲击的铝板的离面变形场, 以及受霍普金森杆冲击的石墨圆柱的三维变形场的测

基于普通3用两台不同型号D -D I C 系统原理,

4369

量工作. 在铝板的冲击实验中, 测到了铝板的离面变形场及铝板中心离面位移随时间的变化情况石墨试件的冲击实验中, 得到了试件的纵向㊁横向及. 在体积变形情况致谢俊达高工和哈尔滨工业大学张伟教授对实验提供设感谢总装备部工程兵试验装备研究所陈

备支持, 感谢北京理工大学陈鹏万教授对实验的指导.

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