基于雙目視覺測量技術(shù)的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

何嘉琦

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西西安 710065）

以雙目視覺測量技術(shù)為基礎(chǔ)的三維數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)較之傳統(tǒng)意義上的數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)而言，不僅具備傳統(tǒng)技術(shù)所具有的各項(xiàng)優(yōu)勢，還進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)視覺理論相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體三維形貌信息以及全場形變情況等的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)測量，研究意義更加突出。對(duì)此，本文針對(duì)以雙目視覺測量技術(shù)為基礎(chǔ)的三維數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)與系統(tǒng)展開相應(yīng)的研究。

1 雙目視覺技術(shù)測量原理

對(duì)雙目視覺測量技術(shù)的基本原理進(jìn)行分析，主要可概括如下：借助于兩臺(tái)攝像機(jī)從不同方位對(duì)空間內(nèi)相同場景的圖像進(jìn)行記錄，之后，在攝像機(jī)拍攝到的兩幅圖像中尋找相關(guān)點(diǎn)，按順序標(biāo)定出來，以此獲取兩臺(tái)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，在此工作的完成基礎(chǔ)之上將兩幅圖像中相關(guān)點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)求解出來。

圖1 所示為雙目視覺測量技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像中相關(guān)點(diǎn)三維坐標(biāo)的確定原理。用C 表示兩臺(tái)攝像機(jī)的光心，在左側(cè)攝像機(jī)的像平面上，空間中P 點(diǎn)的成像點(diǎn)表示為P1，對(duì)應(yīng)的，在右側(cè)攝像機(jī)的像平面上，P 點(diǎn)的成像點(diǎn)表示為P2，通過對(duì)P1與P2兩個(gè)點(diǎn)的確定，可以將空間中P 點(diǎn)的三維坐標(biāo)求解出來。具體地，將變形之前被測物體表面圖像上的任意一個(gè)測量點(diǎn)P1的灰度特征值作為基準(zhǔn)，以最大的相關(guān)系數(shù)C 為參考依據(jù)，對(duì)與P1點(diǎn)之間存在相互匹配關(guān)系的P2點(diǎn)進(jìn)行尋找，找到之后，在三角測量原理的指導(dǎo)之下將變形之前被測物體表面圖像上P 點(diǎn)的空間坐標(biāo)（x，y，z）計(jì)算出來，同理，變形之后被測物體表面圖像上P'點(diǎn)的空間坐標(biāo)（x'，y'，z'）亦能借助于該方法求解出來，對(duì)P 點(diǎn)與P'點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行求差處理，差值即為所要求得的三維變形量。

圖1 雙目立體測量技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像中相關(guān)點(diǎn)三維坐標(biāo)的確定原理

2 基于雙目視覺測量的三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)

2.1 數(shù)字圖像相關(guān)

數(shù)字圖像相關(guān)通過對(duì)試件表面的散斑圖像進(jìn)行拍攝及分析，獲取試件加載環(huán)節(jié)表面的變形場，然后借助于對(duì)兩幅散斑圖像（亦即變形之前的圖像以及變形之后的圖像）的匹配處理，明確它們的不同子區(qū)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)圖2 所示位移場的計(jì)算，最后再通過對(duì)數(shù)值微分的利用將應(yīng)變場確定下來。

圖2 數(shù)字圖像相關(guān)在變形之前與變形之后圖像子區(qū)示意圖

對(duì)于被測物體上的具體某一點(diǎn)而言，其位移計(jì)算可以視作一個(gè)優(yōu)化問題，模型表示如下：

式中各字母表示含義分別為：

C-相關(guān)系數(shù)；f-變形之前圖像中相互匹配的子區(qū)的灰度矩陣；g-變形之后圖像中相互匹配的子區(qū)的灰度矩陣；（x～，y～）-點(diǎn)（x，y）計(jì)算子區(qū)中出現(xiàn)任何變形情況之前的坐標(biāo)；a-子區(qū)中心點(diǎn)的變形參數(shù)。

考慮到計(jì)算過程中需要對(duì)點(diǎn)（x～，y～）的像素值加以運(yùn)用，但是x～和y～都并非整數(shù)，故而需要對(duì)插值法加以采用，將亞像素的灰度值求解出來，其中，應(yīng)用率最高的插值法為三次樣條插值算法，通?？蓪⑵溆霉剑?）加以表示：

在公式（4）中，βij所表示的是三次樣條插值函數(shù)的擬合參數(shù)，通常，其確定以既有的3×3 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)陣的整像素灰度值和連續(xù)性要求為依據(jù)。

2.2 基于雙目視覺測量技術(shù)的三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)關(guān)鍵問題

2.2.1 對(duì)攝像機(jī)以及圖像進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通常情況下，要是想找到相同型號(hào)的兩臺(tái)高速攝像機(jī)存在一定的難度，而如果型號(hào)不同，攝像機(jī)的鏡頭接口長度會(huì)存在相應(yīng)的差異，高頻率下的分辨率亦會(huì)有不一致的情況發(fā)生。對(duì)此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需要認(rèn)真、細(xì)致地調(diào)整攝像機(jī)的位置，讓兩幅圖像各個(gè)像素所代表的物理尺寸都能夠大體一致，以此為測量系統(tǒng)標(biāo)定任務(wù)的順利與高效完成提供保證。不僅如此，在執(zhí)行對(duì)雙目散斑圖像的立體化匹配任務(wù)之時(shí)，還要先做好對(duì)圖像的預(yù)處理工作，通過相應(yīng)的調(diào)整使圖像分辨率達(dá)到相互一致的水平，以此為前提確保匹配的成功性。

2.2.2 做好光源的選擇工作?？紤]到動(dòng)態(tài)化的環(huán)節(jié)通常會(huì)在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)完成，但是攝像機(jī)的靶面如果要在一個(gè)很短的曝光時(shí)間內(nèi)達(dá)到充分曝光目的的話，對(duì)于光源的要求會(huì)非常嚴(yán)格。對(duì)此，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)以具體的環(huán)境為依據(jù)進(jìn)行差異化光源的選擇，如選擇金屬鏑光源或是激光光源等。如果試件比較小，也可以對(duì)透鏡加以利用，執(zhí)行對(duì)出射光的匯聚任務(wù)，以此達(dá)到將亮度增加的目的。

2.2.3 對(duì)同步以及觸發(fā)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙目視覺立體化匹配任務(wù)的完成必須做好同一時(shí)刻兩幅圖像的匹配任務(wù)，在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，兩臺(tái)攝像機(jī)的曝光時(shí)間以及拍攝時(shí)刻必須做到相互之間的有效對(duì)應(yīng)，這又對(duì)兩臺(tái)攝像機(jī)的同時(shí)觸發(fā)提出較為嚴(yán)格的要求，此外，還要對(duì)它們的拍攝速度進(jìn)行相同的設(shè)置。由于動(dòng)態(tài)沖擊的作用過程非?？?，要想確保攝像機(jī)在有限的時(shí)間內(nèi)可以將沖擊過程清晰地捕捉下來，必須有精確的實(shí)驗(yàn)觸發(fā)設(shè)備為其提供支持。對(duì)此，可進(jìn)行并聯(lián)式雙攝像機(jī)同步觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)，經(jīng)由電路發(fā)生TTL 信號(hào)，并向攝像機(jī)外觸發(fā)接口傳遞，對(duì)兩臺(tái)攝像機(jī)執(zhí)行同步觸發(fā)的任務(wù)。電路的觸發(fā)可以對(duì)人工觸發(fā)方式加以采用，此外，亦可采用一般的動(dòng)態(tài)化實(shí)驗(yàn)觸發(fā)辦法。

3 基于雙目視覺的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用

在上述分析的基礎(chǔ)之上，借助于Visual Studio 平臺(tái)和C++語言實(shí)現(xiàn)具體的軟件算法，并進(jìn)行硬件平臺(tái)的搭建，得到基于雙目視覺的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)。系統(tǒng)所用攝像機(jī)為兩個(gè)有著相同參數(shù)的Basler acA2440-20gm 工業(yè)攝像機(jī)，分辨率都是2462×2056pixels，能夠進(jìn)行外部觸發(fā)，幀率為23FPS，同時(shí)，進(jìn)行了Computar25mm 定焦鏡頭的配置。在交換機(jī)的支持下，攝像機(jī)執(zhí)行對(duì)圖像數(shù)據(jù)的交換任務(wù)，且能夠?qū)σ桓庥|發(fā)線加以采用實(shí)現(xiàn)對(duì)同步采集的控制。主機(jī)所用CPU 的主頻為3.4GHz，內(nèi)存為8GB，此外，圖形處理器的CUDA 核心數(shù)為384。

系統(tǒng)檢測對(duì)象為10Cr7 鐵素體不銹鋼，厚度與寬度分別為6mm 與20mm。從拉伸開始到材料斷裂結(jié)束，基于雙目視覺的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)共采集變形狀態(tài)數(shù)量大于300 個(gè)。

在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)的過程中，系統(tǒng)將整個(gè)拉伸過程被測對(duì)象的表面變形信息及時(shí)與準(zhǔn)確地記錄了下來，并將大小以及位置都適宜的感興趣區(qū)域確定下來，執(zhí)行對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的解算任務(wù)。具體的拉伸實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，利用本文系統(tǒng)功能以及引伸計(jì)對(duì)相同區(qū)域的平均應(yīng)變進(jìn)行測量，得到如圖3 所示測量結(jié)果比較示意圖。

圖3 本文系統(tǒng)與引伸計(jì)的測量結(jié)果比較示意圖

根據(jù)圖3 所示結(jié)果可知，本文系統(tǒng)與引伸計(jì)測得的應(yīng)變-時(shí)間曲線差不多是重合的，它們的測量絕對(duì)誤差不會(huì)超過167個(gè)微應(yīng)變，且與時(shí)間的不斷推移相伴隨，兩種測試技術(shù)下的應(yīng)變變化趨勢也是相同的，這將測量結(jié)果的準(zhǔn)確性很好地體現(xiàn)了出來。另一方面，如果將引伸計(jì)所測結(jié)果作為x 坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的本文所用測試技術(shù)所得測量結(jié)果作為y 坐標(biāo)，執(zhí)行線性回歸計(jì)算任務(wù)，能夠?qū)⑦@樣一條直線擬合出來：y=1.005x+0.000。根據(jù)這一方程式可以知道，本文測試技術(shù)以及引伸計(jì)測量兩種方法之間的相對(duì)測量誤差比引伸計(jì)的標(biāo)稱誤差0.5%還要小，以概率統(tǒng)計(jì)原理為指導(dǎo)可以知道，本文系統(tǒng)所用測量技術(shù)所得測量結(jié)果處于引伸計(jì)測量結(jié)果允許的誤差范圍之內(nèi)，亦即可以達(dá)到一致于引伸計(jì)的測量水平。而之所以會(huì)有誤差出現(xiàn)，原因不外乎有以下幾點(diǎn)：其一，引伸計(jì)的夾持位置可能在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了相對(duì)滑動(dòng)，使得位移變化量的測量上出現(xiàn)一定的誤差；其二，三維數(shù)字圖像相關(guān)選取的測量區(qū)域并不是絕對(duì)一致于引伸計(jì)所選區(qū)域，且兩者的測量表面存在差異，致使從真實(shí)應(yīng)變自身層面來看，同樣有細(xì)微的不同存在。

圖4 所示為一條沿著試件軸的ROI 窄帶從最初的拉伸一直到最終馬上斷裂的形狀改變和變形分布。該圖與雙相機(jī)數(shù)據(jù)和標(biāo)定參數(shù)相結(jié)合，在雙目視覺原理及其技術(shù)的支持下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)事件具體三維形貌的很好還原，云圖中顏色的變化所體現(xiàn)的是點(diǎn)沿試件軸向上發(fā)生的變形情況。

圖4 被測試件表面的形狀改變和變形分布示意圖

根據(jù)圖4 可知，在馬上就要斷裂之時(shí)，與初始的拉伸狀態(tài)相比，ROI 窄帶的伸長以及變形情況都很明顯：沿y 軸方向的位移絕對(duì)值最大值已經(jīng)超過了10mm，在這種情況下，為了避免材料在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生塑性變形甚至是斷裂的情況，導(dǎo)致?lián)p傷引伸計(jì)問題的發(fā)生，需要將引伸計(jì)卸下來，以此執(zhí)行進(jìn)一步的拉伸操作，這時(shí)，基于雙目視覺的數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)依舊可以對(duì)試件的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)而又詳細(xì)的記錄。根據(jù)圖4（b），到了拉伸的末期，ROI 窄帶的末端位置出現(xiàn)了面內(nèi)橫向變形情況，甚至在一定程度上還有離面方向變形現(xiàn)象的發(fā)生，這些都是引伸計(jì)無法測量得到的。

4 結(jié)論

最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文基于雙目視覺的三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)及其測量技術(shù)在對(duì)應(yīng)變的測量精度上大體一致于引伸計(jì)測量精度，既能夠較為準(zhǔn)確地執(zhí)行對(duì)材料平均變形以及應(yīng)變情況的測量任務(wù)，又可以直觀地將試件在整個(gè)拉伸環(huán)節(jié)的三維形貌等數(shù)據(jù)信息測量并顯示出來，對(duì)于傳統(tǒng)引伸計(jì)測量數(shù)據(jù)不多這一問題的解決有著明顯的積極意義。