1、姓名： 专业： 学号： 导师：,二维数字图像相关法测量精度研究,研究背景及意义研究思路及方法主要研究内容结论,目 录,一、研究背景及意义,电测法测量结果稳定、灵敏度高，但是该方法操作复杂、测量结果受环境影响大，只能测量沿栅线方向的平均应变光学测量方法具有高精度、非接触、全场测量的特点基于激光光源的散斑干涉法、云纹法、全息干涉法以及以平面平面偏振光或圆偏振光为光源的光弹法，均需要良好的隔振环境，光路布置比较复杂数字图像相关法只需白光或自然光做光源、抗干扰能力强、光路简单,工程测量：面内测量、离面测量、曲面测量、大 变形测量、高温测量 高速动态测量:振动测量、冲击测量 显微测量：SEM面内变形测量
2、 医学应用：面部形貌测量、皮肤及肌肉变形测量、脉搏测量、手术导航,数字图像相关法的应用范围,二维数字图像相关法的局限性,1.被测物体表面必须是或近似是一个平面,2.被测物体表面的运动主要发生在面内， 离面运动分量很小或没有,3.相机光轴必须垂直或近似垂直于被测物表面,4.相机镜头的畸变可忽略不计,三维数字图像相关法的不足,1.装置复杂,2.操作技术要求高,3.算法复杂,二维数字图像相关补偿法,实现简单装置下的高精度测量,二、研究思路及方法,证明二维数字图像相关法局限性的存在，测量精度低提出二维数字图像相关补偿法，提高二维数字图像相关法的测量精度 指出二维数字图像相关补偿法的局限性研究二维数字图
3、像相关补偿法斜射时的补偿误差提出改进算法提高二维数字图像相关补偿法的测量精度及稳定性,理论推导：实验验证：,二维数字图像相关法局限性带来的测量误差 二维数字图像相关补偿法适用范围 二维数字图像相关补偿法斜射带来的补偿误差 改进补偿算法的原理,平移、旋转实验 拉伸实验 斜射误差实验,从理论和实验两方面证明：二维数字图像相关法的测量精度低、二维数字图像相关补偿法的有效性、斜射误差的存在、改进算法的有效性和准确性,实验方案,平移、旋转实验： 面内平移：离面运动：绕y轴旋转：,每次向x轴正方向平移0.5mm，共平移10mm,每次向z轴正方向平移0.5mm,共平移10mm,每次逆时针（x轴负方向）旋转0
4、.5，共旋转10,使用双相机进行图像采集（三维），左相机刚开始正对被测物体（二维），右相机和被测物体有夹角,拉伸实验：,使用双相机进行三维测量，左相机与试件正对，方便进行二维分析，右相机的轴线与试件的法线有一定的夹角对铝合金材料弹性阶段的变形进行测量 拉伸机夹头速率为3mm/min 载荷采样频率为12.5Hz 同步触发器图像和信号采样频率均为5 Hz 图像分辨率为20482048像素补偿框材料为钢，粘贴在试件表面的上部，补偿框可以跟随试件做离面、旋转运动且自身不发生变形。,斜射误差实验： 离面:旋转：,每次向z轴正方向平移0.5mm，共平移10mm，依次改变斜射角度为0、3、6、9、20、30
5、,每次逆时针旋转1，共旋转20，依次改变斜射角度为0、1、2、3、5、10、15、20,使用单相机进行图像采集 相机始终在xoz平面内,三、主要研究内容,数字图像相关法,二维数字图像相关补偿法,二维数字图像相关补偿法的缺陷,1、推导二维数字图像相关法局限性带来的测量误差 2、实验验证二维数字图像相关法测量误差的存在,1、研究二维数字图像相关补偿法的补偿范围 2、实验验证二维数字图像相关补偿法的有效性,1、推导相机斜射带来的补偿误差 2、实验验证斜射角度对补偿效果的影响 3、提出改进算法提高二维数字图像相关补偿法的测量精度及稳定性 4、实验验证改进算法的有效性及准确性,数字图像相关法,A）离面位
6、移,B）单轴旋转（绕x轴旋转）,理论推导二维数字图像相关法局限性带来的测量误差,数字图像相关法,实验验证二维数字图像相关法测量误差的存在,二维数字图像相关补偿法,离面、旋转、相机镜头畸变所带来的测量误差：,原理,二维数字图像相关补偿法,原理,离面位移：,二维数字图像相关补偿法,补偿范围公式推导,省略了二阶小量,推导得到的误差公式为：,绕x轴旋转：,二维数字图像相关补偿法,适用范围公式推导,省略了二阶小量,推导得到的误差公式为：,绕y轴旋转：,二维数字图像相关补偿法,适用范围公式推导,省略了二阶小量,推导得到的误差公式为：,二维数字图像相关补偿法,适用范围公式推导,平移、旋转实验：,二维数字图像
7、相关补偿法,实验验证二维数字图像相关补偿法的有效性,以三维数字图像相法测量结果作为参考标准，比较二维数字图像相关法、三维数字图像相关法、二维数字图像相关补偿法三种方法测量得到的结果图,图中是面内平移、绕y轴旋转、离面运动的数据处理结果。 从图中数据可以看出，2DC和3D算法测量精度相当，远高于二维数字图像相关法，说明2DC可以消除掉相机镜头畸变、旋转、离面运动对测量结果的影响，在一定程度上突破了二维数字图像相关法的局限性，提高二维数字图像相关法的测量精度,拉伸实验：,二维数字图像相关补偿法,实验验证二维数字图像相关补偿法的有效性,从拉伸时间的第20s开始处理数据，图（b）是三种算法处理的数据结
8、果；图（c）是2D和2DC两种算法处理结果与3D处理结果的差值比较。二维数字图像相关补偿法的测量结果和三维数字图像相关法相近，远高于二维数字图像相关法，提高了二维数字图像相关法的测量精度，在一定程度上突破了二维数字图像相关法的限制条件。,二维数字图像相关补偿法的缺陷,相机斜射带来的测量误差,离面运动：,绕x轴旋转：,二维数字图像相关补偿法的缺陷,相机斜射带来的测量误差,简化后：,简化后：,绕y轴旋转：,简化后：,简化后：,二维数字图像相关补偿法的缺陷,相机斜射带来的测量误差,三幅图是三种运动形式下u误差，具有相同的规律：随着斜射角度的增大，测量误差在逐渐增大。 （相机在xoz平面内）在测x方向
9、的u误差时，离面位移和绕x轴旋转运动受斜射的影响较小，绕y轴旋转运动受斜射的影响较大。在发生较小的离面位移量和较小的绕x轴旋转角度时，斜射夹角在5以内的测量结果都是可靠的。相机在xoz平面内时，绕x轴旋转的测量精度高于绕y轴旋转，可以根据物体的运动选择相机的位置。,二维数字图像相关补偿法的缺陷,相机斜射带来的测量误差,三幅图是三种运动形式下v误差，具有相同的规律：随着斜射角度的增大，测量误差在逐渐增大。 （相机在xoz平面内）在测y方向的位移误差时，离面位移和单轴旋转运动受斜射的影响都较小，在发生较小的离面位移量和较小的绕单轴旋转角度时，斜射夹角在5以内的测量结果都是可靠的。 以上所有的数据说
10、明在发生较小的离面、旋转量时，斜射夹角较小，测量结果可靠，发生较大的离面、旋转量时，补偿法不再适用。补偿法存在局限性。,二维数字图像相关补偿法的缺陷,实验验证斜射角度对补偿效果的影响,图中显示的是相机从不同的角度照射物面时，物体发生离面运动和绕y轴旋转运动所产生的应变。（用二维数字图像相关补偿法处理得到的结果）随着斜射角度的增加，应变在不断增加，测量误差在逐渐增大，说明了照射角度对二维数字图像相关补偿法的补偿效果有影响。相机斜射对离面运动的补偿效果影响较小，对旋转运动的影响较大。由于相机噪声、照明光源的不稳定、引伸计计算模板及位置的选择、实验每次初始位置不能保证相同、不能做到相机刚开始正对，导
11、致测量误差,二维数字图像相关补偿法的缺陷,改进算法原理,现有补偿算法系数矩阵：,前10列可由补偿点在参考图像中的位置确定 最后一列与补偿点在变形图像中的位置有关 在求解补偿点在变形图像中的位置时，不可避免的会引入相机采集图像的噪声和相关算法带来的误差,改进后算法：,二维数字图像相关补偿法的缺陷,改进算法原理,图中所示的是现有算法通过8个补偿点计算得到的畸变参数k1和改进算法通过单相机标定得到的畸变参数k1的比较。,从图中数据可以看出改进算法标定得到的畸变参数为固定值，原算法计算得到的畸变参数随时间变化震荡剧烈，且远大于改进后算法得到的畸变参数值。可以得出改进算法的测量结果更稳定，测量精度更高的
12、结论,现有算法如果想获得稳定的测量结果，需要增加补偿点的个数，计算效率降低。,二维数字图像相关补偿法的缺陷,实验验证改进算法的有效性及准确性,离面运动实验：,面内平移实验：,二维数字图像相关补偿法的缺陷,实验验证改进算法的有效性及准确性,绕y轴旋转实验：,以上三种运动中的图（a）都是2D、3D、补偿法中现有算法和改进算法四种算法处理得到的实验结果，图（b）是3D、补偿法中现有算法和改进算法三种算法处理得到的实验结果。 六幅图有相同的规律：二维数字图像相关法的测量精度很低，其他三种算法测量精度较高，改进算法的测量精度比现有算法高，并且结果更稳定。可以得出改进算法仍然能够提高二维数字图像相关法测量
13、精度，并且测量精度较现有算法更高、结果更稳定的结论。,拉伸实验：,二维数字图像相关补偿法的缺陷,实验验证改进算法的有效性及准确性,从第20s开始处理数据，图（b）中显示的是2D、3D、补偿法中的现有算法和改进算法四种算法的数据处理结果；另一图是3D与补偿法中的现有算法和改进算法的差值的比较。 以三维数字图像相关法的测量结果作为参考标准，图（b）表明二维数字图像相关法的测量精度低，两幅图中的数据都反映改进算法的测量结果和三维数字图像相关法的测量结果更相近，数据更稳定，表明改进算法可以提高二维数字图像相关法的测量精度，同时测量精度较现有算法更高、结果更稳定。,四、结论,结论：,1、二维数字图像相关法对离面、旋转运动敏感，测量精度低2、二维数字图像相关补偿法能够消除点离面位移、旋转、相机镜头畸变产生的测量误差，提高二维数字图像相关法的测量精度3、二维数字图像相关补偿法存在不足，补偿效果受相机照射角度的影响，在斜射角度过大时，测量结果是不可靠的4、改进后的补偿算法仍能够提高二维数字图像相关法的测量精度，并且测量结果较现有算法精度更高、更稳定,谢 谢 ！,
