張 煜，姜清輝

(1.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010; 2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

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基于成像的表面位移分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

張 煜1，姜清輝2

(1.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010; 2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

非接觸式表面位移測量是一種無損測量技術(shù)，在諸多工程領(lǐng)域有著廣泛的用途。針對混凝土應(yīng)力應(yīng)變測試和河道瞬時全流場測量的應(yīng)用，詳細地描述了數(shù)字散斑測量和粒子成像測速這2個典型的基于成像的表面位移分析系統(tǒng)的研發(fā)，指出了具有共性的一些關(guān)鍵技術(shù)和難點，并提供了對應(yīng)的解決方法。試驗結(jié)果證明了本方法的有效性。然而，該方法仍存在較多技術(shù)缺失，包括多視角CCD相機的三維測速、多目標全軌跡追蹤、不同場景測量數(shù)據(jù)高精度融合等，需要進行進一步研究。

粒子成像測速；數(shù)字散斑測量；表面位移；松弛匹配；光流計算

1 研究背景

非接觸式表面位移測量是一種無損測量技術(shù)，在水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、土木工程、機械制造等領(lǐng)域有著諸多應(yīng)用?；趫D像的方法進行測量，屬于視覺測量的研究領(lǐng)域[1]，有著廣泛的用途。

粒子成像測速(Particle Image Velocimetry，PIV)系統(tǒng)是一種典型的基于成像的、非接觸式的表面位移測量系統(tǒng)，其基本原理為：利用CCD成像獲取被測物表面連續(xù)多幀影像，通過圖像分析技術(shù)，解析出被測物表面各點的移動量，形成瞬時移動場。標準情況下，PIV系統(tǒng)各部分包含如圖1[2]所示的計算機、CCD相機、同步控制器、激光照明系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。

圖1 非接觸式表面位移測量系統(tǒng)示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of non-contact surface displacement measuring system[2]

根據(jù)實際被測量目標和應(yīng)用目的的不同，CCD相機可以為傳統(tǒng)數(shù)碼相機、高速工業(yè)相機、攝像機等，若要進行三維PIV，則需要多個相機形成不同角度的測量。在很多情況下，同步控制器和激光照明系統(tǒng)可以省略，以自然光和固定照明燈代替。被測目標必須具備可被檢測出來的特征，位移場是通過識別出不同幀的同名特征點的距離獲得。若沒有明顯特征點，則需要增加示蹤粒子，如流體流場檢測，需要均勻散布反光強的漂浮粒子。對于固體被測表面缺少特征，則需要人為制造特征，如使用激光照射形成散斑，或在被測表面噴灑油漆制造散斑等，這類基于布設(shè)散斑的方式又被稱為數(shù)字散斑測量(Digital Speckle Correlation Method，DSCM[2])。

盡管不同的非接觸式表面位移測量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有很大差別，但其數(shù)字化后的測量與分析核心原理一樣，都是基于同名點的檢測方法，即數(shù)字相關(guān)法。針對2種典型的應(yīng)用,即巖石面內(nèi)位移測量和瞬時全流場測量分別開發(fā)了2種不同的數(shù)字表面位移分析系統(tǒng)，考慮到實際需求，都是基于二維的位移測量?；炷廖灰茰y量采用的是DSCM方式，瞬時全流場測量采用的是PIV方式。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 基于DSCM的混凝土面內(nèi)位移分析系統(tǒng)

混凝土是由砂、石、水和水泥基于一定比例混合攪拌而成，是一種工程建設(shè)中常用的材料，具有脆性，易發(fā)生斷裂。不同質(zhì)量、配比和工藝過程對混凝土的結(jié)構(gòu)品質(zhì)有很大影響。因此，研究混凝土在整個受力過程中的損傷變形過程有著重要的實際工程價值。采用DSCM技術(shù)對混凝土進行應(yīng)力、應(yīng)變測試具有非接觸、無損傷、高精度等特性，其結(jié)果為應(yīng)力-應(yīng)變場，對混凝土結(jié)構(gòu)評價具有重要意義。

DSCM混凝土面內(nèi)位移測量具體工作原理為：將混凝土試件固定在實驗臺上，試件被測面通過噴漆等方式形成無規(guī)律的細微散斑，固定在腳架上的高速CCD相機正對被測面，相機光軸與被測面垂直。實驗臺在進行壓力應(yīng)變測試時，CCD相機開始記錄混凝土被測面的連續(xù)序列圖像。將序列圖像輸入計算機，相應(yīng)的分析系統(tǒng)功能和工作流程如圖2所示。

圖2 DSCM分析系統(tǒng)功能和工作流程Fig.2 Function and work flow of DSCM

分析系統(tǒng)的主要功能是通過序列圖像2幀之間試件被測面圖像的移位變形來計算相應(yīng)的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其核心是采用數(shù)字相關(guān)算法，找出被測面同名點在兩幀序列圖像上的位移。數(shù)字相關(guān)算法可以檢測出微小的變形，以1 000×1 000像素CCD對應(yīng)20 cm×20 cm矩形被測面計算，單像素分辨率達到0.2 mm，分析系統(tǒng)通過子像素精化，可以實現(xiàn)高于0.002 mm的位移分辨率。

基于DSCM的混凝土面內(nèi)位移分析系統(tǒng)如圖3所示。圖3(a)為系統(tǒng)主界面，包含了序列圖像輸入處理與顯示、圖像標定與矯正、表面位移計算等功能。圖3(b)為后處理模塊，用于顯示計算結(jié)果。系統(tǒng)在表面位移計算時，采用了2種同名點分布方式，一種基于散斑圖像特征點的檢測，如圖3(c)所示，實際檢測出的特征在分布上并無規(guī)律，只要其具備一定特征值就被確認為特征點，隨后的表面位移分析就基于檢測出的特征點位移。另一種為規(guī)則格網(wǎng)分布，如圖3(d)所示，即以一定的幾何形狀分布點，隨后的表面位移分析就基于這些點的相鄰幀的同名點分析位移量。規(guī)則分布可用于針對性地分析被測面特定位置的形變位移量。

圖3 DSCM分析系統(tǒng)工作界面

2.2 基于PIV瞬時全流場測量分析系統(tǒng)

大型物理模型實驗是當(dāng)前解決復(fù)雜流動問題的重要技術(shù)手段，然而在實驗過程中僅僅采用傳統(tǒng)的流速儀遠遠無法滿足測量精度和密度的需求。如前所述，基于示蹤粒子的PIV技術(shù)可以實現(xiàn)瞬時全流場測量，是近年發(fā)展起來的一種新的瞬態(tài)流速測量技術(shù)。在物理模型實驗的流體中均勻放置大量示蹤粒子，示蹤粒子隨流體一起流動，在正對被測流體上方放置CCD攝像機，示蹤粒子運動到不同位置并被攝像機的不同幀捕捉到?；诨ハ嚓P(guān)原理，通過相鄰兩幀的同名示蹤粒子的匹配，可以獲得瞬時的粒子位移量。瞬時流場測量范圍就是攝像機視場覆蓋范圍。

考慮到流場表面位移的光滑特性，基于PIV瞬時全流場測量分析系統(tǒng)通過計算光流的方法來測量流場表面流速。將CCD攝像機拍攝的視頻輸入計算機，利用系統(tǒng)的視頻分析功能實現(xiàn)被測流場表面流速的測量。相應(yīng)的分析系統(tǒng)功能見圖4(a)。系統(tǒng)提供了對視頻的顯示、基于不同幀采樣的瞬時流場測量、光流計算方法的選擇和參數(shù)設(shè)置、控制點輸入與幾何矯正、計算結(jié)果的后處理等功能。分析系統(tǒng)是一個離線系統(tǒng)，在視頻數(shù)據(jù)采集完后，再對視頻數(shù)據(jù)進行有選擇的計算與分析，系統(tǒng)工作流程見圖4(b)。系統(tǒng)運行界面如圖5所示。

圖4 PIV系統(tǒng)功能和工作流程Fig.4 Function and work flow of PIV

圖5 PIV分析系統(tǒng)工作界面Fig.5 Interfaces of PIV system

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 特征提取、多尺度匹配與子像素精化

基于散斑圖像特征點提取方法獲取表面位移的核心步驟是特征提取、多尺度匹配與子像素精化。特征提取采用Harris角點檢測提取特征點。Harris角點檢測是基于圖像灰度變化率，即通過計算與圖像自相關(guān)函數(shù)關(guān)聯(lián)的矩陣的特征值來確定角點。在對被測面進行噴漆處理后，可對混凝土表面圖像提取幾千個以上的角點，如圖6所示。

圖6 特征提取Fig.6 Feature extraction

圖6(b)中未噴漆的位置角點檢測數(shù)量相對較少，可見噴漆處理可模擬散斑，實現(xiàn)角點特征提取。多尺度匹配是建立在金字塔影像上的由粗到細的分層匹配方法，其作用主要體現(xiàn)在2個方面，即提高匹配相關(guān)計算效率和擴大匹配搜索范圍。相應(yīng)的匹配參數(shù)包括匹配窗口大小、搜索半徑、金字塔層數(shù)以及每層相對上一層的采樣間隔。相關(guān)計算采用的是NCC歸一化互相關(guān)，定義為

C=

(1)

子像素精化采用了拋物線擬合的方法。經(jīng)典的拋物線擬合方法能將匹配精度提高到0.1像素級別，本文采用了文獻[3]的改進拋物線擬合算法，以多方向拋物線(8方向，4個方向的二維拋物線)擬合出的4個極值點，由此4點形成的費馬點(距離各頂點距離和最小的點)即為擬合出的最佳匹配點，此時的理論精度可達到0.01像素。初始匹配獲取的是1像素精度的位置，實際精化計算時，在3×3的范圍內(nèi)進行擬合，獲取在x和y上的浮點改正數(shù)。

3.2 濾波與松弛匹配

由序列圖像基于特征的匹配獲取的表面位移矢量通常夾雜著一些錯誤的結(jié)果，反映為明顯的位移矢量錯誤。錯誤一般為2種：矢量大小和矢量方向的錯誤。一種常見的處理方式是采用近鄰相似的原則對所有位移點矢量進行過濾。通過在當(dāng)前矢量點所在的一個區(qū)域內(nèi)進行矢量大小L和方向D的均值進行統(tǒng)計，將L和D與當(dāng)前矢量點的強度L′和方向D′進行比較，依照設(shè)置的閾值進行過濾。以強度為例，當(dāng)閾值設(shè)置為0.3，即Min(L/L′,L′/L)<0.3時，當(dāng)前矢量點的矢量強度無效。而方向過濾，若方向閾值設(shè)置為40°，即Fabs(D-D′)>40時，當(dāng)前矢量點的方向無效。圖7所示為矢量強度和方向的過濾結(jié)果。

圖7 矢量過濾結(jié)果Fig.7 Vector filtering result

基于近鄰相似原則的過濾是一種事后處理的方法，只能過濾或者平滑錯誤的匹配結(jié)果，無法指導(dǎo)或者修正匹配的過程。松弛匹配算法在匹配過程中充分考慮了當(dāng)前匹配點與周圍匹配點的相互關(guān)系，基于如下原則[4]：

(1) 當(dāng)前點具有多個候選匹配點。

(2) 候選點相似值S不僅考慮候選點匹配值，還要與考慮周邊其它匹配點的相對距離，即空間結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

(3) 在候選點中選擇具有最佳相似值S的點作為松弛匹配的結(jié)果。

NCC匹配與松弛匹配結(jié)果如圖8所示。

圖8 NCC匹配與松弛匹配結(jié)果

3.3 計算光流

對于基于互相關(guān)的表面位移測量，由于其測量誤差的存在，往往引入一些錯誤匹配，采用過濾處理方法的一個基本假設(shè)就是表面位移的連續(xù)性，即位移場是一個相對較為平滑的場。另一種方式是采用光流進行表面位移分析。在PIV系統(tǒng)中，互相關(guān)匹配意味著同名點強度隨著時間不發(fā)生變化，而流體的表面位移一般而言是一個平滑值，即流場中同一點相鄰位置的速度基本不發(fā)生變化，由此形成了光流的2個基本約束方程，即

(2)

式中：I為當(dāng)前點影像強度；(u,v)為當(dāng)前點位移速度矢量；(uc,vc)為當(dāng)前點的鄰域內(nèi)(u,v)均值。

光流計算方法有多種，對于平滑性的約束條件也有多種變化。嚴格地說，計算光流還必須保持兩相鄰幀的位移為微小量，這個約束導(dǎo)致較大位移量無法檢測到。Lucas-Kanade方法是一種廣泛使用的光流估算差分方法，它是一種基于特征點的稀疏光流方法，由于結(jié)合了金字塔影像的多尺度方法，使計算位移的范圍大為增加。圖9(a)顯示出基于Lucas-Kanade光流算法計算的PIV位移矢量。另一種為稠密光流計算，要求計算每個像素的位移矢量，典型的算法參見文獻[5]，通過使用二次多項式近似影像的局部鄰域，得到影像的多項式表示，通過多項式系數(shù)的計算獲得相鄰幀之間的位移，圖9(b)顯示了該算法的結(jié)果，為了便于表達，圖中對稠密光流進行了規(guī)則抽稀采樣。

圖9 基于光流的矢量場計算Fig.9 Vector field calculation based on optical flow

光流計算本身具備一定的光滑性可適合于流場中流速的檢測，當(dāng)流場中遍布漂浮的微小污物時，基于稠密光流的計算可以獲得流場瞬時運動的細節(jié)，這使得該類算法具備直接測量自然河道、湖泊、洋流、浮冰等流場的能力。

3.4 矢量場表達

矢量場是用來表達序列影像同名點的位移量，考慮不同序列時間間隔，可以獲得位移和速度分布，在x，y方向上以U，V表示。矢量場用帶箭頭的直線表達，起點和終點分別為兩幀同名點的位置強度值Q用顏色表來渲染。此處的強度Q是一個標量，可以定義為多種形式，如矢量的模、x方向位移量、y方向位移量等。以強度進行顏色渲染的矢量場表達如圖10(a)所示。對所有的矢量數(shù)據(jù)用Delaunay三角網(wǎng)的方式內(nèi)插成面，對每個矢量點用顏色來表達其強度值，形成對整個位移場的面渲染。圖10(b)和10(c)分別為三角網(wǎng)剖分和面渲染效果。在三角網(wǎng)的支持下，通過計算可以形成等值線。垂直于河道深弘線的剖面流場矢量可以通過在剖面線上分布一定間隔的點，通過三角網(wǎng)內(nèi)插出點的U，V值而獲得，如圖10(d)所示。

圖10 矢量場表達Fig.10 Expression and description of vector field

4 試驗與討論

4.1 DSCM在巖石單軸壓縮試驗中的應(yīng)用

巖體中存在著大量的斷層、節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面，裂隙巖體的穩(wěn)定性不僅與完整巖石的強度有關(guān)，而且主要受到巖體內(nèi)發(fā)育的不連續(xù)面所控制。為了考察非貫通裂隙在巖體中的擴展特征，采用類巖石材料制作了幾組含內(nèi)置裂隙試樣來研究含裂隙試樣的破裂特征。不連續(xù)面的存在對巖體工程有2種作用：①降低了巖體的強度和剛度；②在外部荷載作用下，會產(chǎn)生新的不連續(xù)面，外力作用下最后會使這些不連續(xù)面互相搭接擴展、貫通，進而降低巖體的強度和剛度。對不同裂隙傾角下的人工預(yù)制裂隙試件進行單軸壓縮試驗，利用DSCM系統(tǒng)分析試樣表面位移方向和位移量，觀察試樣在加載過程中不同階段的破壞特征。成像系統(tǒng)采用Canon單反相機和50 mm鏡頭，光軸方向垂直于觀測面。

圖11(a)為試驗過程中的巖石試件受壓開裂圖像，由此產(chǎn)生不連續(xù)面，其位移方向和位移量都不相同，其2個典型位置的位移如圖11(b)和圖11(c)所示，根據(jù)表面位移不同方向進行渲染的結(jié)果如圖11(d)所示。

圖11 巖石試件受壓開裂分析

4.2 基于PIV的潰壩模擬試驗

將PIV系統(tǒng)用于某地潰壩物理模擬試驗研究，主要掌握其對沖溝上游的淹沒范圍和影響程度。物理試驗位于室內(nèi)，試驗過程中除了人工加入白色示蹤粒子，為了獲取足夠多的矢量，在不影響試驗結(jié)果的前提下，加入密度較高的黃色示蹤物。視頻采集攝像頭安置于試驗大廳頂端，物理模型材料為水泥，并在表面不同位置設(shè)置了控制點。

通過與現(xiàn)場流速儀的對比，一般情況下，PIV分析系統(tǒng)通過不同幀地分析準確地捕捉到了流速。然而，由文獻[6]可知，潰壩發(fā)生于大壩和提防突然潰決時，其流量和水位在極短的時間內(nèi)發(fā)生急劇變化，在潰壩物理模擬試驗中，潰壩模型瞬間局部的最高流速可達到1.5 m/s左右，而在下游大部分流場流態(tài)保持穩(wěn)定，相對流速較慢，只有每秒幾個厘米，要同時在高速和低速流場中捕捉到足夠精度的流速，采用統(tǒng)一的幀采樣容易導(dǎo)致分析錯誤，一種有效的方式是采用時間多分辨率方法。假設(shè)在較短時間內(nèi)，流場保持恒定流，則對視頻進行分析時，分別采用不同采樣間隔的視頻圖像，高頻率的視頻用于分析快速流場，低頻率的視頻用于分析低速流場，最后將獲得的結(jié)果有效地融合。圖12(a)顯示的是采用低頻率的某一幀視頻圖像分析結(jié)果，圖12(b)是高頻率的分析結(jié)果，最后的融合如圖12(c)所示。本次融合的基本條件是在1 s以內(nèi)假設(shè)為恒定流，分別采用了0.1 s和0.5 s 2種不同的視頻采樣頻率。通過在短時間內(nèi)的不同頻率多幀視頻影像分析結(jié)果進行疊加，實現(xiàn)了同場測速加密和大變化比流態(tài)表達。

圖12 矢量場疊加分析Fig.12 Analysisofvectorfieldoverlay

5 結(jié) 語

本文從不同應(yīng)用角度出發(fā)，給出了基于成像的表面位移分析系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵技術(shù)的解決方法，包括特征提取、多尺度匹配與子像素精化、濾波與松弛匹配、光流計算、透視矯正與鏡頭矯正、矢量場表達等，構(gòu)成了單相機非接觸式表面測速的核心技術(shù)，并基于這些核心技術(shù)構(gòu)建了相應(yīng)的表面測量分析系統(tǒng)。然而，從更寬泛的應(yīng)用角度而言，仍舊存在很多技術(shù)缺失，包括多視角CCD相機的三維測速、多目標全軌跡追蹤、高速并行計算、不同場景測量數(shù)據(jù)高精度融合等等，這也是筆者以后需進一步研究的方向。

[1] 張廣軍. 視覺測量[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2008.

[2] 王懷文，亢一瀾，謝和平. 數(shù)字散斑相關(guān)方法與應(yīng)用研究進展[J]. 力學(xué)進展, 2005,35(2)：195-203.

[3] 雷 鳴, 張廣軍. 基于互相關(guān)的圖像匹配亞像素定位[J]. 光電工程, 2008，35(5)：108-113.

[4] 潘鴻飛, 梁 棟, 王 年. 程志友點模式的概率松弛匹配法[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，30(9):1076-1078.

[5] FARNEBACK G. Two-frame Motion Estimation Based on Polynomial Expansion[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2003, 2749：363-370.

[6] 王立輝，胡四一. 潰壩問題研究綜述[J]. 水利水電科技進展, 2007,27(1):80-85.

(編輯：黃 玲)

Research and Application of Key Techniques of Surface DisplacementAnalysis System Based on Imaging

ZHANG Yu1，JIANG Qing-hui2

(1.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Non-contact surface displacement measurement, as a nondestructive measurement technology, has been widely used in many engineering fields. For concrete’s stress and strain testing and river channel’s instantaneous flow field measurement, we developed non-contact surface displacement measurement systems based on digital speckle correlation method and particle image velocimetry. Some key issues in the developed systems are discussed and the corresponding treatments are given. The experimental result proves the effectiveness of the proposed method. Nevertheless, there are still some technical defectives to be furthered researched, including 3-D velocimetry of multi-perspective CCD camera, multi-purpose line tracing, and highly-precise fusion of measurement data of different scenes.

particle image velocimetry; digital speckle correlation method; surface displacement; relaxation matching; optical flow computation

2016-08-10

云南省水利重大科技項目(CKSK2015852/KJ)

張 煜(1971-)，男，山東陽谷人，高級工程師，博士，研究方向為攝影測量與遙感，(電話)18986061273(電子信箱)zhangyu_1999@126.com。

10.11988/ckyyb.20160813

2016,33(11):83-88

TN911.73

A

1001-5485(2016)11-0083-06