专利名称：一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明属于工程结构变形测量技术领域，用于光测力学领域中工程结构与材料变形的测量，为一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法。
背景技术：
对结构或者材料表面在某种原因作用下产生的变形，很多工程领域都可能遇到。 近年来，基于数字图像分析的光学测试技术发展很快，如激光干涉技术、数字全息技术、散斑干涉技术、栅线投影技术等。一般都是通过CCD摄像机获取物件变形前后或不同变形时刻特征点的图像，摄取的视频信号传入控制计算机并形成数据文件。一般CCD虽然精度高， 但速度慢，无法用来拍摄移动的物件，也无法使用闪光灯。同时在测量现场需要有许多连接线，特别是在三维结构或大型构件变形测量时，现场布线更多。

发明内容
本发明要解决的问题是现有光测力学领域中工程结构与材料变形的测量，速度慢，无法拍摄移动的物件，也无法使用闪光灯，不能保证光测的有效性；同时在测量现场需要有许多连接线，特别是在三维结构或大型构件变形测量时，现场布线更多，测量装置复杂，容易受到场地限制。本发明的技术方案为一种工程结构三维变形无线光学测量系统，包括光源、三个无线图像发送端和无线图像接收端，光源照射工程结构待测变形位置，以工程结构待测变形位置为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端分别固定设置在三维坐标系的X、y、Z 轴上，无线图像发送端获取工程结构待测变形位置的图像，通过无线传输发送至无线图像接收端。无线图像发送端包括图像采集模块、图像处理模块、图像数据发射模块和发送端电源模块，图像采集模块为CMOS图像传感器，无线图像接收端包括图像数据接收模块、图像数据处理与变形计算模块和接收端电源模块，图像采集模块将获取的图像输入图像处理模块，图像处理模块的输出输入图像数据发射模块，图像数据发射模块与图像数据接收模块分别对应设有ZigBee发模块，进行无线连接，图像数据接收模块将接收的数据输入图像数据处理与变形计算模块，发送端电源模块和接收端电源模块分别向无线图像发送端和无线图像接收端提供电源。进一步的，无线图像发送端和无线图像接收端均设有USB接口，无线图像接收端还设有GPRS通信模块，所述GPRS通信模块作为输出端。上述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法为调整光源，使工程结构待测变形位置对应无线图像发送端的面暴露在光源中，无线图像发送端获取包含工程结构待测变形位置的图像信号，发送给无线图像接收端，无线图像接收端在图像信号中，对于变形测量前的图像，以工程结构待测变形位置为中心选定子区域，作为测量的参考子区域 f，在测量工程结构表面变形过程中，放置在X、y、Z三个方向的无线图像发送端固定不动，随着工程结构的变形，无线图像发送端实时记录不同变形时刻工程结构待测变形位置的表面图像，变形停止后，在由所述不同变形时刻的表面图像获得的变形工程结构的散斑场中寻找与参考子区域f相对应的子区域，记为变形子区域g，提取变形子区域g中工程结构待测变形位置相对参考子区域f的变形量，即得到工程结构待测变形位置变形前后位置之间的关系，实现变形测量。作为优选方式，无线图像发送端和无线图像接收端分别进行图像处理工作，无线图像发送端的图像处理工作为将获取的图像文件形成数据文件，得到数字图像进行发送; 无线图像接收端的图像处理工作为对于接收的数字图像，其记录的是离散的灰度信息，由离散的灰度信息对工程结构待测变形位置的变形量的计算。采用亚像素位移测量算法计算变形量，令f(x，y)、g(x' ,y')分别表示变形前、 变形后的子区图像，根据变形及数字图像的基本假设，当图像子区足够小且物体作微小位移时，则该子区可看成作近似刚体运动，此时有f(x, y) = g(x'，y' )(1)其中 χ' = x+u+Δχ, y' = y+v+ Δ y(2)式中，u、v分别为变形前图像中待测位移点(x，y)在变形后图像中的整像素位移； Δχ、Ay分别为X、y方向整像素位移对应的亚像素位移，将式(2)对Δ χ、Δ y进行一阶泰勒展开并舍去高阶小量，可得g (x+u+Ax, y+v+Ay)= g (x+u, y+v) + Δ xggx (χ+u, y+v) + Δ yggy (χ+u, y+v)(3)其中，gx、gy为灰度的一阶梯度，利用基于梯度的亚像素位移算法求解亚像素位移
的关键是灰度梯度gx、gy的计算，将灰度梯度算法取为
权利要求
1.一种工程结构三维变形无线光学测量系统，其特征是包括光源O)、三个无线图像发送端(3)和无线图像接收端，光源(2)照射工程结构待测变形位置(1)，以工程结构待测变形位置(1)为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端C3)分别固定设置在三维坐标系的x、y、z轴上，无线图像发送端(3)获取工程结构待测变形位置(1)的图像，通过无线传输发送至无线图像接收端G)。
2.根据权利要求1所述的一种工程结构三维变形无线光学测量系统，其特征是无线图像发送端C3)包括图像采集模块(5)、图像处理模块(6)、图像数据发射模块(7)和发送端电源模块(13)，图像采集模块( 为CMOS图像传感器，无线图像接收端(4)包括图像数据接收模块(14)、图像数据处理与变形计算模块(1 和接收端电源模块(13’)，图像采集模块(5)将获取的图像输入图像处理模块(6)，图像处理模块(6)的输出输入图像数据发射模块(7)，图像数据发射模块(7)与图像数据接收模块(14)分别对应设有ZigBee模块，进行无线连接，图像数据接收模块(14)将接收的数据输入图像数据处理与变形计算模块(15)， 发送端电源模块(13)和接收端电源模块(13’ )分别向无线图像发送端(3)和无线图像接收端⑷提供电源。
3.根据权利要求1或2所述的一种工程结构三维变形无线光学测量系统，其特征是无线图像发送端⑶和无线图像接收端⑷均设有USB接口(12)，无线图像接收端(4)还设有GPRS通信模块(17)，所述GPRS通信模块(17)作为输出端。
4.权利要求1-3任一项所述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法，其特征是调整光源O)，使工程结构待测变形位置(1)对应无线图像发送端(3)的面暴露在光源中，无线图像发送端(3)获取包含工程结构待测变形位置(1)的图像信号，发送给无线图像接收端G)，无线图像接收端(4)在图像信号中，对于变形测量前的图像，以工程结构待测变形位置(1)为中心选定子区域，作为测量的参考子区域f，在测量工程结构表面变形过程中，放置在x、y、z三个方向的无线图像发送端(3)固定不动，随着工程结构的变形，无线图像发送端(3)实时记录不同变形时刻工程结构待测变形位置(1)的表面图像，变形停止后，在由所述不同变形时刻的表面图像获得的变形工程结构的散斑场中寻找与参考子区域 f相对应的子区域，记为变形子区域g，提取变形子区域g中工程结构待测变形位置(1)相对参考子区域f的变形量，即得到工程结构待测变形位置(1)变形前后位置之间的关系，实现变形测量。
5.根据权利要求4所述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法，其特征是无线图像发送端(3)和无线图像接收端(4)分别进行图像处理工作，无线图像发送端(3) 的图像处理工作为将获取的图像文件形成数据文件，得到数字图像进行发送；无线图像接收端的图像处理工作为对于接收的数字图像，其记录的是离散的灰度信息，由离散的灰度信息对工程结构待测变形位置(1)的变形量的计算。
6.根据权利要求5所述的工程结构三维变形无线光学测量系统的测量方法，其特征是采用亚像素位移测量算法计算变形量，令f(x，y) >g(x' ,ι')分别表示变形前、变形后的子区图像，根据变形及数字图像的基本假设，当图像子区足够小且物体作微小位移时，则该子区可看成作近似刚体运动，此时有f(x,y) = g(x'，y' )(1)其中 χ' = x+u+Δχ,y' = y+v+ Δ y(2)式中，u、v分别为变形前图像中待测位移点(x，y)在变形后图像中的整像素位移；Δχ、 Ay分别为x、y方向整像素位移对应的亚像素位移，将式( 对Δχ、Ay进行一阶泰勒展开并舍去高阶小量，可得
全文摘要
一种工程结构三维变形无线光学测量系统及其测量方法，系统包括光源、三个无线图像发送端和无线图像接收端，光源照射工程结构待测变形位置，以工程结构待测变形位置为中心建立三维坐标系，三个无线图像发送端分别固定设置在三维坐标系的x、y、z轴上，无线图像发送端获取工程结构待测变形位置的图像，基于ZigBee协议通过无线传输发送至无线图像接收端。本发明在待测工程结构表面确定工程结构待测变形位置，由无线图像发送端获取待测变形位置变形前后以及不同时刻的图像并形成数据文件，由无线图像接收端采用亚像素位移测量算法计算变形量并将结果远程发送；系统结构简单，适应性好，精度高。
文档编号G01B11/16GK102175169SQ20111005346
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者吴明赞, 康新 申请人:南京理工大学