一种基于数字散斑的阵列式高速摄像系统的像差修正方法

摘要

一种基于数字散斑的阵列式高速摄像系统的像差修正方法，属于实验固体力学动态测试技术和数字图像技术领域。本发明采用的数字式阵列高速摄像系统包括阵列光源系统、阵列CCD相机系统、时序同步延迟控制单元、光学成像单元及低速落锤冲击加载单元等。本发明针对数字阵列式高速摄像系统固有的像差问题，基于数字图像相关处理的基本方法，对多种误差因素耦合下的数字图像像差进行了分析，提出并实现了一种对不同位置CCD相机采集的图像像差的迭代修正，解决了由各个相机对焦、位置差异等因素引起的像差，从而使实验结果更为精确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列式高速摄像系统的像差修正方法，属于实验固体力学动态测试技术和数字图像技术领域。

背景技术

高速摄像技术与光测力学相结合在实验动态断裂力学、材料的动态力学性能测量等方面已经起到了重要的应用。尽管对阵列式高速摄像系统的设计及应用等方面进行了大量的研究，但是缺乏对多因素耦合造成的像差问题的影响研究，这些缺点很大程度上阻碍了该项技术在力学动态测试方面的发展及其在工程应用的拓展。亟待针对数字式阵列高速摄像系统固有的像差问题提出一种简单有效地像差修正的方法，使动态力学实验测试结果更为精确。

阵列式高速摄像系统的像差来源很多，首先很难保证每个CCD的对焦完全一致，所以即使是定焦镜头，其对焦的细微差别也会带来类似于应变的放缩误差；其次，视场也不能保证完全一致，这会引入类似于刚体位移的误差；再者，是由每个CCD的光轴不完全平行所带来的类似于畸变的误差。由于高速摄像系统的精度要求较高，所以上面的提到的误差都不可能通过手工调节消除，只能通过数学方法将该误差修正。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字散斑的阵列式高速摄像系统的像差修正方法，对不同位置CCD相机采集的图像进行像差的修正，使其能对材料动态力学行为和性能进行精确测量。

本发明的技术方案如下：

一种基于数字散斑相关技术的阵列式高速摄像系统的像差修正方法，一种基于数字散斑相关技术的阵列式高速摄像系统的像差修正方法，该方法采用的数字式阵列高速摄像系统，该所述系统主要包括：m×n阵列光源系统1、第一成像透镜2、第二成像透镜3、时序同步延迟控制系统4、m×n阵列CCD相机系统5、交换机6和计算机7，其中m≥2,n≥2；由m×n阵列光源系统1发出的光经第一成像透镜2折射变为平行光，穿过试件10后再经过第二成像透镜3汇聚，最终由m×n阵列CCD相机系统)接收成像，通过交换机6将采集的图像传输至计算机7；本系统的时序控制由时序同步延迟控制系统4完成；其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)对m×n阵列CCD相机系统不同位置CCD相机进行编号，第1行，第1列的CCD相机编号为0，0号相机未加载状态下采集的图像是基准图像；之后按照逐行顺序编号将所有相机编为1-j，其中j＝m×n-1；

2)未加载时利用m×n阵列CCD相机系统拍摄一组初始散斑图像，以尾号1编号，，即0-1，1-1，2-1，……，j-1，共计m×n幅初始图像，加载时保持光学系统不变，利用每个CCD相机再拍摄一组不同时刻散斑图像，以尾号2编号，即0-2，1-2，2-2，……，j-2，共计m×n幅实验图像，尾号前边数字代表相机编号；

3)通过二维数字相关运算计算0-1与1-1号图像初始散斑图像的相关位移场U₀；

4)运用傅里叶变换的相移方法，对1号相机的实验前后的图像1-1及1-2进行逐点的亚像素平移，得到1次修正后的图像1-1-1及1-2-1，通过多次的相移算法，即通过调整图像的频域特征实现亚像素平移，实现整个区域的亚像素平移，f,f′表示修正前后的图像矩阵，则：

f′＝F^-1[F(f)·e^{2πi(v′+u′)}·e^-2i］

其中F,F^-1表示傅里叶变换与逆变换，v′,u′则表示U₁中的竖直及水平两个方向的位移场的对称变换，i为复数符号；

5)通过二维数字相关运算计算修正后的1-1-1号图像与0-1号图像的相关位移场U1，如果位移场U₁中的最大位移值U₁(max)与最小位移值U₁(min)的差值远小于实验的理论位移场U，即：

U₁(max)-U₁(min)<<U

则1号相机与0号相机的像差基本已消除，如果不满足U₁(max)-U₁(min)<<U，则以U₁代替U₀重复3)、4)、5)步骤进行迭代修正，如此重复直到满足U_k(max)-U_k(min)<<U，k代表迭代修正次数，取值为k＝0,1,2,…，则1号相机采集的实验前后的散斑图像经过修正最终变为散斑图1-1-k及1-2-k；

6)对2-j号相机实验前后的图像重复3)、4)、5)步骤进行迭代修正，从而消除1-j号相机采集的图像与0号相机采集的图像的像差；

优选地，m×n阵列光源系统采用3×3的LED光源系统。

本发明具有以下优点及突出性的而技术效果：本发明针对数字阵列式高速摄像系统固有的像差问题，基于数字图像相关处理的基本方法，对多种误差因素耦合下的数字图像像差进行了分析，提出并实现了一种对不同位置CCD相机采集的图像像差的迭代修正，解决了由各个相机对焦、位置差异等因素引起的像差，从而使实验结果更为精确。本发明具有更好的普适性与精确度。

附图说明

图1是本发明所采用的数字式阵列高速摄像系统结构原理示意图。

图2是本发明阵列CCD相机位置及对应的相机编号。

图3是本发明中单个CCD相机的像差修正方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明所采用的数字式阵列高速摄像系统结构原理示意图，该系统主要包括：m×n阵列光源系统1、第一成像透镜2、第二成像透镜3、时序同步延迟控制系统4、m×n阵列CCD相机系统5、交换机6和计算机7，其中m≥2,n≥2；由m×n阵列光源系统1发出的光经第一成像透镜2折射变为平行光，穿过试件10后再经过第二成像透镜3汇聚，最终由m×n阵列CCD相机系统)接收成像，通过交换机6将采集的图像传输至计算机7。本系统的时序控制由时序同步延迟控制系统4完成，落锤8通过冲击头9对试件10施加冲击载荷，冲击头9的冲击端部布置一信号线，落锤8自身连接一信号线，落锤8与冲击头9接触时产生回路，诱发一个脉冲信号触发时序同步延迟控制系统4工作，随后时序同步延迟控制系统4产生从9个通道输出的、各通道独立可变时序脉冲信号触发3*3阵列CCD相机系统5工作，完成图像的采集。

图2是本发明阵列CCD相机位置及对应的相机编号。第1行，第1列的CCD相机编号为0，0号相机未加载状态下采集的图像是基准图像；之后按照逐行顺序编号将所有相机编为1-j，其中j＝m×n-1。

本发明提供的方法包括如下步骤：

1)对m×n阵列CCD相机系统不同位置CCD相机进行编号，第1行，第1列的CCD相机编号为0，0号相机未加载状态下采集的图像是基准图像；之后按照逐行顺序编号将所有相机编为1-j，其中j＝m×n-1；

2)未加载时利用m×n阵列CCD相机系统拍摄一组初始散斑图像，以尾号1编号，，即0-1，1-1，2-1，……，j-1，共计m×n幅初始图像，加载时保持光学系统不变，利用每个CCD相机再拍摄一组不同时刻散斑图像，以尾号2编号，即0-2，1-2，2-2，……，j-2，共计m×n幅实验图像，尾号前边数字代表相机编号；

3)通过二维数字相关运算计算0-1与1-1号图像初始散斑图像的相关位移场U₀；

4)运用傅里叶变换的相移方法，对1号相机的加载前后的图像1-1及1-2进行逐点的亚像素平移，得到1次修正后的图像1-1-1及1-2-1。通过多次的相移算法，即通过调整图像的频域特征实现亚像素平移，实现整个区域的亚像素平移，f,f′表示修正前后的图像矩阵，则：

f′＝F^-1[F(f)·e^{2πi(v′+u′)}·e^-2i](I)

其中F,F^-1表示傅里叶变换与逆变换，v′,u′则表示U₁中的竖直及水平两个方向的位移场的对称变换。

相移过程由三个步骤实现：首先将原图像进行傅里叶变换转换到频域，如方程(II)；之后按方程(III)在频域进行图像的移动，移动的幅度由所需要的亚像素平移距离决定；最后按照方程(IV)进行傅里叶逆变换，将频域图像还原，从而实现亚像素平移。

F₁(f)＝F(f)·e^-2i(II)

F₂(f)＝F₁(f)·e^{2πi(v′+u′)}(III)

F₃＝F^-1[F₂(f)](IV)

在此基础上逐点的亚像素平移方法可以概括为以下几个步骤：首先，选择某个像素点，并从相关结果中找到该像素点该移动的位移场；然后利用亚像素平移方法，将整个修正区域按照该点位移的相反数进行平移；得到该像素点新的灰度并填入修正区域；对修正区域所有像素点重复此过程，从而完成整个区域的修正。

对于1号相机的实验图像1-2应用步骤4)所述方法，同样以U1为修正位移场进行逐点亚像素平移，得到修正后的图像1-2-1.

5)通过二维数字相关运算计算修正后的1-1-1号图像与0-1号图像的相关位移场U1，如果位移场U₁中的最大位移值U₁(max)与最小位移值U₁(min)的差值远小于实验的理论位移场U，即：

U₁(max)-U₁(min)<<U

则1号相机与0号相机的像差基本已消除，如果不满足U₁(max)-U₁(min)<<U，则以U₁代替U₀重复3)、4)、5)步骤进行迭代修正，如此重复直到满足U_k(max)-U_k(min)<<U，k代表迭代修正次数，则1号相机采集的实验前后的散斑图像经过修正最终变为散斑图1-1-k及1-2-k，如图3所示。

6)对2-j号相机实验前后的图像重复3)、4)、5)步骤进行迭代修正，从而消除1-j号相机采集的图像与0号相机采集的图像的像差。