图像相关方法中采用多种子区进行位移测量

图像相关位移测量方法由于其测量的非接触性和光路简单以及对测量环境要求低的优点,近年来获得关注,有了较快的发展[1~4],应用也越来越广泛[5~7].它建立在变形前后的图像之间相关性的基础上,在变形前的图像中选定要计算位移的点,文中称为测量点,以测量点为中心确定一子区(或称窗口,一般为正方形),这一子区映射在变形后的图像中,在变形后的图像中选定一系列与变形前图像中的子区尺寸和形状相同的子区,通过相关运算搜索到与变形前的子区之间相关性最大的子区,其中心点与变形前子区的测量点(中心点)之间的距离即为对应的测量点的实际位移.相关搜索原理主要有两类:一类是以像素灰度相关为基础的数字散斑相关法[1, 2];另一类是以数字散斑图像的分形特征为基础的分形相关法[3, 8].实际应用中,将测量点作为子区的中心进行相关搜索计算有时也会遇到问题.当被测表面有缺陷或有裂纹出现时,局部区域变形前后的图像之间的相关性会受到影响.不仅如此,由于刚体位移的存在以及因子区有一定的尺寸致使图像的边缘区域不能进行搜索,相当于图像中的一部分位移信息不能被获取,在小视场下测量时这一问题相对变得突出.

　　文中证明了采用非中心型子区进行位移测量点的可行性,认为在相关搜索时测量点既可定在子区的中心位置,也可定在非中心位置.提出了将测量点放在子区角点的方法,阐明了此种做法的优点.通过实验证明了方法的有效性.

1　问题与方法

1.1　中心型子区的特点分析

　　将测量点确定在子区的中心(简称中心型子区)并非在任何情况下都是最好的选择,有时会遇到下列问题.

　　(1)如图1所示,若变形前的图像为ABCD,变形后移到了新的位置.通常,测量时图像采集装置(CCD、成像镜头等)或视场是固定不动的,由于刚体位移的存在,变形后一部分被测区域移出了视场,或者说变形后的图像只包含了变形前图像的一部分,如图1中有效的只是两图像重叠部分EFGD.这种情况在微区位移场测量时尤为明显,因为此时刚体位移相对比较大.若采用中心子区进行相关运算,当变形后的点落在白色虚线以外、EFGD以内的区域时(两区域边界之间的距离为图中子区边长的1/2),中心型子区将无法进行搜索,因为子区的一部分如图1所示的那样已移出图像之外.因此,用中心型子区能测量的实际有效区域是虚线框abcd之内的部分,之外部分的位移信息被浪费掉了.

　　(2)中心型子区可能遇到的另一个问题是当被测区域有缺陷或裂纹时,变形后缺陷或裂纹部位变形会很大(如裂纹张开).裂纹张开所形成的区域与变形前的图像不相关,因为变形前的图像中不存在与这一部分相对应的部分,自然不会有相关性,致使这种子区在裂纹或缺陷附近的区域不能进行有效的位移搜索.