一种基于图像相位信息的亚像素微位移测量算法.pdf

《一种基于图像相位信息的亚像素微位移测量算法.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第1期（总第125期）机械管理开发2012年2月No.1（SUMNo.125）MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTFeb.2012一种基于图像相位信息的亚像素微位移测量算法王庆，刘大亮，刘忠，樊莉，王雅君，杜鹃，刘延平(首都航天机械公司，北京100076)摘要：综合考虑了图像的振幅和相位信息，并按相位涡旋的物理和几何特征，研究了基于数字散斑图像相位奇点匹配的位移测量算法。该算法对图像的交流信号，经用希尔伯特变换方法，提取散斑图像的实部和虚部信息，并用曲面拟合方法确定相位奇点的坐标，从而

2、确定图像序列间的位移。试验结果表明，相位奇点匹配算法具有良好的精确度和稳定性。关键词：散斑图样；相位奇点匹配；亚像素测量中图分类号：TP317.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2012）01-0082-031概述图样。散斑图样经光学放大镜后，由CMOS摄像机采[1,2]基于数字图像分析的位移测量方法，已经成为集，并传输到计算机进行观察和记录。CMOS摄像机常用的有效的光学测量手段广泛用于实验力学以及其的图像大小1280×1024像素，像素间距5.2um。低碳它科研领域和工程实际。该方法建立在“灰度不变假

3、钢标准试件固定在水平精密位移平台上，测微丝杆的设”和光流方程理论的基础上，根据图像序列，估计图读数精度0.5um。像中物体的运动。其中，通过求解相关函数进行位移利用试验装置记录真实的散斑图样，配合位移模测量的方法，被称为数字散斑相关法[3]；基于光流方型产生精确位移的图像序列，就可用于本文算法的试程，通过求解图像信号梯度进行位移测量的方法，被称验验证。为此，记g(x-x0，y-y0)为参考图像沿空间坐标[4,5]为基于梯度的位移测量方法。x和y方向平移(x0,y0)后的图像光强信号。平移前后图数字散斑相关法和梯度法处

4、理的信号，均为数字像的傅里叶变换分别为F(u,v)和G(u,v)。根据刚体运图像信号的实振幅（光强）信息，而忽略了数字图像信动特征和“灰度不变假设”，位移模型可表示为：号的相位信息。实际上，散斑图样是一个相位和振幅g(x-x0,y-y0)=空间均随机分布的复杂光场，每个光强零点都存在着ìé①ux0vy0㈦ùü（1）一个相位奇点，每个相位奇点发散地向外延伸出若干籬籬籬籬IFTíF(u,v)expêj2π②+÷úⅣ.⑨⑥èMN㈨ⅡⅤ条等相位曲线；随着光场的传播，这些等相位曲线围绕式中：IFT表示傅里叶逆变换。对应奇点旋转

5、，从而在空间绘出一系列螺旋形图样，称[6]信息中的解析信号，其实部为原始信号的交流分为相位涡旋。宋洪胜指出，涡旋的相对位置以及涡量，其虚部为实部的希尔伯特变换。因此，通过建立数旋中心处的实部与虚部零值线的夹角几乎保持不变。字图像的解析信号方法可以提取图像信号的相位信因此，这些具有确定几何特征的相位奇点，可以作为理[7]息。若将散斑图样的解析信号I(x,y)表示为：想的标记参考点，可用于图像的精确定位，并可达到任I(x,)=Re[I(x,)]+i匭Im[I(x,)].（2）意高的精确度。yyy为了深入研究相位信息在微位

6、移测量领域的应实它的相位θ可表示为：用技术，本文研究相位奇点的获取和匹配技术，研究位ìIm[I(x,y)]üθ=tan-1⑩⑩íⅣ.（3）移计算方法，并经试验检验算法性能。⑩Re[I(x,y)]⑩⑨Ⅴ2相位奇点匹配的位移测量算法选择解析信号的实部和虚部的拟合窗口为3×3个像素，则其解析信号连续曲面可用二元二次函数表示，并用曲面拟合方法可得实部和虚部零值轮廓线方程为：ìx+ax2⑩Re[I(x,y)]=a0r+a1r2ry+a3r+⑩x2⑩⑩a4ry+a5ry=0í.（4）2图1位移测量试验装置平台⑩⑩Im[I(x,y

7、)]=a0i+a1ix+a2iy+a3ix+位移测量试验装置，见图1，其中半导体激光器发⑩⑩籬a2⑨4ix+a5i=0yy出的光束（650nm，5mW）经过滤波扩束装置和准直透若此方程有解，即实部零值线和虚部零值线存在镜后照射在试件表面，经反射后，在试件表面形成散斑交点，则该交点处的相位不存在，即为相位奇点。收稿日期：2011-12-12作者简介：王庆（1972-），男，吉林辽源人，高级工程师，硕士，研究方向：先进制造技术等。·82·第1期（总第125期）王机庆，械等：管一种理基于开图发像相位信息的亚像素微位移测量算

8、法2012年2月图2是相机捕获的散斑图像为原信号得到的一个络线非常相似。因此，均值误差可认为是算法的系统经插值处理后的相位涡旋结构图，它能够较好显示出误差。2）在位移0.0~0.4像素范围内，两种算法的均相位涡旋的结构特征。以相机捕获的散斑图像为原信值误差几乎相等。但在位移0.4~1.0像素，基于梯度算号，平移-1.5个像素后，两幅图像的奇点分