（通信与信息系统专业论文）干涉云纹数字图像处理技术的研究与实现.pdf

摘要 云纹干涉法是一种具有大量程、极好的条纹质量、非接触测量、实时全场观 测和分析的高灵敏度的光学测量方法，能够对物体表面的微小位移和变形场等物 理量进行精确有效的测量。 数字图像处理技术应用到云纹干涉法中是近年来云纹干涉法发展的最显著 的特点之一。本文研究了云纹干涉数字图像处理的整个过程，对现有的云纹干涉 图像处理各个步骤中的常用方法进行比较和分析，提出了自己的解决方法，并自 行编制了一套集图像采集与保存、条纹处理，位移和变形计算、结果显示功能为 一体的云纹干涉数字图像处理软件。通过最后的变形计算结果来确定产品试样是 否满足其生产的性能指标。 本文阐述了该系统的总体结构、硬件和软件实现以及工作流程。根据对云纹 图像的特征研究，对现有的图像滤波的各种方法进行仿真分析，从而选取了种 最好的滤波方式；针对现有图像分割技术的不足，对分割后的图像采用了一种改 进的区域填充方法；改进了传统的条纹细化方法，提高了细化条纹的质量；提出 了一种新的条纹分叉修剪算法，从而使条纹连续且无分叉；为使得计算结果准确， 本文把条纹端点连接到图像的边缘，并对各个条纹进行标记；为了得到更多的条 纹级数数据，本文针对条纹图特点应用了一种插值算法；为了使处理结果接近实 际，对位移场进行曲线拟合；通过计算得到的数据，本文编写了三维显示和二维 显示的软件，从而有利于使用者直观的观察到云纹图在三维或二维坐标系中像素 点与其位移或应变的对应关系。通过应变的最大值和最小值来确定试样是否满足 其性能指标。结果表明，用以上方法编制的一套云纹干涉图像处理系统，可快速 有效的判断出产品试样的变形度，从而指导生产，节约成本，提高产品质量。此 套系统操作简单、界面友好、维护方便，具有很好的实用价值。 关键词：云纹r 涉，数字图像处理，条纹细化 a b s t r a c t m o i r 6i n t e r f e r o m e t r yi sa no p t i c a lm e a s u r e m e n tw h i c hi sn o n c o n t a c ta n dh a sb i g m e a s u r i n gr a n g e ，w o n d e r f u lf r i n g eq u a l i t y ，r e a l t i m ew h o l ef i e l dm e a s u r e m e n ta n d h i g hs e n s i t i v i t y , s oi tc a nm e a s u r et h ep h y s i c a lq u a n t i t i e sa b o u tt h et i n yd i s g l a c e m e n t a n ds t r a i nf i e l do ft h es u r f a c eo fs p e c i m e na c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y i nr e c e n ty e a r s ，o n eo ft h em o s tr e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e v e l o p m e n ti n m o i r 6i n t e r f e r o m e t r yr e c e n t l yi st h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s t h i s t h e s i ss t u d i e dt h ew h o l ep r o c e s sa b o u ti ta n dp o s t so w ns o l u t i o n st h r o u g ht h e c o m p a r e m e n t sa n da n a l y s i so ft h ec o m m o nm e t h o d si ne a c hp r o c e s s ，t h e np r o g r a m e d as y s t e ms o f t w a r ew h i c hh a st h ef u n c t i o n so fi m a g eg r a b b i n ga n ds a v i n g ，f r i n g e p r o c e s s i n g ，d i s p l a c e m e n tf i e l da n ds t r a i nf i e l dc a l c u l a t i n g ，r e s u l t sd i s p l a y i n g ，a n ds o o n w h e t h e rt h es p e c i m e nm e e t st h ep e r f o r m a n c e so ft h ep r o d u c tc a nb ej u d g e db yt h e r e s u l to ft h es t r a i nf i e l d t h i st h e s i se x p o u n d e dt h es t m c t u r eo ft h es y s t e m ，t h ef l o wo fi t sh a r d w a r ea n d s o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o i r 6a n dt h ea n a l y s eo f e a c hm e t h o do fe x i s t i n gi m a g ef i l t e r s ，t h em o s tu s e f u lo n ei sc h o o s e d a st h ee x i s t i n g m e t h o di ni m a g es e g m e n ti sn o ts og o o di nm o i r 6p r o c e s s ，s oan e wa r e af i l l i n g m e t h o di s a d o p t e d i no r d e rt oi m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h et h i n n e df r i n g e ，t h e t r a d i t i o n a lm e t h o di nf r i n g et h i n n i n gi si m p r o v e d t h e nan e wa l g o r i t h mo fb r a n c h c u t t i n gi sp r o p o s e d ，t h e nt h ef r i n g ei sc o n t i n u o u sa n db r a n c h l e s s t om a k et h er e s u l t m o r ea c c u r a t e ，t h ee n d p o i n t ss h o u l db ec o n n e c t e dt ot h ee d g eo ft h ei m a g e ，a n de a c h f r i n g es h o u l db ed i f f e r e n t f o rt h ep u r p o s eo fh a v i n gm o r ed a t ao ft h ef r i n g eo r d e r s ，a n e wi n t e r p o l a t i o ni su s e d a n dt h ec u r v ef i t t i n gi sm e n t i o n e dt om a k et h er e s u l t sm o r e p r a c t i c a l t om a k et h er e s u l t sm o r ev i s u a l l y , t h e3 d ( t h r e ed i m e n s i o n s ) a n d2 d ( t w o d i m e n s i o n s ) a r em a d et os h o wt h ed a t ao ft h ed i s p l a c e m e n tf i e l da n dt h es t r a i nf i e l d ， s ot h a tt h ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i x e l sc o o r d i n a t e sa n di t sf r i n g e o r d e rc a nb eo b s e r v e dm o r ei n t u i t i v e l y t h e ni tc a nb ej u d g e dw h e t h e ri ts a t i s f i e st h e p e r f o r m a n c eo fi tt h r o u g ht h em a x i m u ma n dm i n i m u mo fi t ss t r a i nf i e l d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h es o f t w a r em a d eb yt h ea b o v em e t h o d sc a nc a l c u l a t ei t ss t r a i nf i e l d q u i c k l ya n de f f i c t i v e l y , s ot h a t i tc a ns u p e r v i s ei t sp r o d u c t i o n ，s a v ei t sc o s ta n d i m p r o v ei t sq u a l i t y t h i ss y s t e mh a ss i m p l eo p e r a t i o n ，n i c ei n t e r f a c e ，c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m o i r 6i n t e r f e r o m e t r y ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s ，f r i n g et h i n n i n g 河海大学顺t 学位论文干涉云纹数字图像处理技术的研究与实现 第一章绪论 在科研和工程应用中，经常要求对物体表面微小的位移和变形场等物理量进 行精确测量。常用的方法大体可以分为两类，一类是光学干涉方法，一类是基 于数字图像处理的工业视觉方法。光学干涉方法的基本原理足利用光学干涉将微 小变形转换为干涉条纹等光学图像特征量来进行测量。常用的光学干涉方法有： 云纹下涉法、激光全息干涉法、散斑干涉法、电子散斑图干涉法( e s p i ) 等。数字 图像处理方法一般是利用精密光测数字图像处理技术实现位移场测量，包括数字 相关测量j i 、摄影测量和云纹法等。当然还可以使用位移传感器实现位移测量， 不过它只能提供离散点的位移信息，使用起来也有许多限制。 1 1 云纹干涉法的研究进展 云纹干涉法属于光学干涉方法中的一种。光学干涉方法在实验力学、材料科 学等测量领域里起着非常重要的作用，各种光学干涉方法通常都是独立使用的， 偶尔也会联合在一起。光学干涉方法所依赖的是物体或试件表面在变形前后的光 学相位差，相位差的不同分布就体现为不同的条纹图，通常条纹图都表示了物体 或试件表面的位移的等值线。 1 1 1 云纹干涉法研究概况 云纹又名为莫尔条纹，来源于法文m o i r 6 一词，意即波纹状的。 云纹干涉法是八十年代初兴起的一种具有大量程、极好的条纹质量、非接触 测量、实时全场观测和分析的高灵敏度的光学测量方法，通常使用频率为6 0 0 2 4 0 0 线m m 的高密度光栅，其位移测量灵敏度比传统的云纹法高几十倍甚至上百 倍。因此被誉为是八十年代以来实验力学领域中的最重要的成果。云纹干涉法的 发展过程从八十年代初，d p o s t 将高密度衍射光栅技术引入光测力学，提出云纹 干涉法开始，此后便在国内外迅速地发展起来。之后，戴福隆教授利用波前干涉 理论，科学地解释了云纹干涉法的基本原理【4 】，为云纹干涉法发展奠定了理论基 础。迄今为止，云纹干涉法在基本原理、实验技术和测量精度方面都得到了很大 的发展和改善。云纹干涉法主要用于物体面内位移场( u ，v ) 的测量，具有灵敏度 高、条纹清晰、非接触和实时全场观测等优点。它在复合材料力学，断裂力学、 细观力学、微电予封装等诸多方面都获得成功的应用，解决了许多实际问题。 云纹干涉法是以试件表面的高灵敏度云纹光栅作为变形的传感载体的，因而 第。章绪论 高质量的高灵敏度云纹光栅的制作及其复制也成为该方法推广应用的关键技术。 d p o s t 教授和戴福隆教授合作采用可动光源和光刻技术制作全息位相型光栅，消 除了散斑引起的全息光栅的噪声，从而提高了全息光栅的衍射频率。伍小平教授 等人用离子束方法制备了高密度光栅。1 9 8 7 年，a s k o b a y a s h i 所采用的三步法复 制高频光栅技术和光刻胶快速复制光栅技术降低了刻栅的难度和成本( ”，为云纹 干涉法在普通光学实验室的应用提供了可能。d p o s t 和j d w o o d 于1 9 8 9 年采用了 高温复制光栅技术和变形光栅复制技术 5 】p i f j n 和d p o s t 在1 9 9 1 年采用等离子 蚀刻技术制出了零厚度高频光栅【6 j 使云纹干涉法可用于高温高压环境下的位移 测量。 云纹干涉法有很多优点，包括： ( 1 ) 可进行全场测量，可以得到全场位移数值； ( 2 ) 对面内位移场高度敏感，在显微云纹干涉里可以达到每根条纹1 7 n m ； ( 3 ) 对离面位移不敏感； ( 4 ) 很高的空间分辨率，这意味着它可以在很小的区域进行测量： ( 5 ) 高信噪比，保证其条纹具有高对比度和可视性； ( 6 ) 宽量程，对不通的位移，不同的应变和应变梯度，都可以测量； ( 7 ) 正应变和剪应变都可以测量； ( 8 ) 可以实时测量，加载的同时就可以看到位移场。 近年来，云纹干涉法的应用研究取得了进展，从宏观到细观，从常温到高低温 从静态到动态，都存在有云纹干涉法成功应用的例子无论是在固体力学的基本 规律研究中，还是在固体力学与材料科学、生物科学、微电子学等学科的交叉领 域中，云纹干涉法都在发挥着重要的作用9 0 年代以来，每年都有几十篇有关云纹 干涉法应用研究的文章发表在国内外学术期刊与会议文集上，下面就目前云纹干 涉法应用研究的一些热点作些介绍与讨论 ( 1 ) 高温高压等恶劣环境下物体变形的测量 随着耐高温抗腐蚀高频试件栅的制作成功，云纹干涉法在高温测量方面的应 用已取得了很大进展，并逐渐成为一种高温实验测量的主要手段c z a m e k 等于9 0 年代初就利用零厚度光栅技术于真空炉中测量石英试件在9 8 0 。c t 的热变性9 1 ， 最近又报道了用同样的技术测量材料在l 1 0 0 。c 的变形 1o ，王等利用零厚度光栅技 术测量了高温合金在7 5 0 。cf 的断裂韧性f 】j ，谢等提出了双镀层高温光栅的制作 工艺，并用此工艺制得的高温光栅研究了金属材料的高温蠕变变形i ”l ，邹等还应 用双镀层高温光栅技术研究了激光焊接试件的残余应力应变，全场揭示了激光焊 接试件焊缝附近区域的残余变形分布口3 1 此外，云纹干涉法也是测量高温合金在 给定温度下弹性常数的一种有效方法。 ( 2 ) 微电子封装组件的热变形研究 2 河海大学倾+ 学位论文干涉云纹数字图像处理技术的研究与实现 在二级电子封装中由f 热膨胀系数失配所引起的热变形是封装组件疲劳失 效的主要原因封装组件的热变形研究受到微电子行业和力学界的，。泛关注日 前云纹干涉法己成为微电子封装组件热变形研究的主要实验手段之一，云纹干涉 法测量封装组件的热变形主要有二种方法：一是室温转移光栅，实时观测【1 4 1 ：二是 高温转移光栅，室温观测根据云纹条纹图可以获得组件各部位的热变形分布 以及等效热膨胀系数的多方面的信息同样云纹干涉法也可应用于封装组件在机 械载荷下的变形研究 ( 3 ) 在新材料细观力学实验研究中的应用 由于云纹干涉法的高分辨率，高灵敏度，特别是将显微技术和相移技术引入 云纹t 涉法后，使得它在新材料的细观力学实验研究中有着很大的发展潜力在 复合材料的固化残余应力、层间剪切性能、纤维与基体材料的细规变形机制以及 复合材料的总体缺陷检测方面，云纹干涉法都已取得了成功的应用1 16 j 【2 此外， 云纹干涉法在结构陶瓷的增韧机理和形状记忆合金的相变塑性本构关系也取得 了非常成功的应用，云纹干涉法获得的条纹图既能间接地反映相变区的形状，又 能直接提供相变区内的相变塑性分布，是相变区测量的一种有效手段【2 1 】【2 2 l 。 ( 4 ) 在现场测试中的应用 现代光测力学的一个最大缺点就是难以走出实验室进行现场测试由于云纹 干涉法的实时性，当条纹的记录频率远大于试件与光路系统的振动频率时，云纹 干涉法对防震要求极低，甚至完全不需防隔震，因此云纹干涉法可以走出实验室， 应用于现场测试之中又加之光电技术与计算机图像处理技术在云纹干涉法中应 用，使得它可以在明室下操作，给实验人员带来了很大的方便，这是一个令人鼓舞 的研究方向，它将为云纹干涉法提供广阔的工程应用领域。此外，现场转移试件栅 技术也为云纹干涉法在现场测量中的应用提供了一条重要途径【2 ，云纹干涉法以 光栅作为基本的测量工具，变形的试件栅网格包含了试件变形的全部信息，因此， 在有些情况下，可以将现场结构+ k 的变形网格复制下来拿回实验室进行观测，提 取变形信息云纹干涉法在断裂测试方面可以用来研究硬金属、脆性材料裂纹尖 端的奇异场，塑性区以及测量有关断裂参量，也可以用来测量材料的某些力学性 能，如弹性常数、热膨胀系数等，云纹干涉法在界面应力、角点应力的研究中也取 得过成功的应用幽】它还是一种强有力的动态测试方法1 2 ”，它与数值计算方法相 结合的混合法也是一个很有发展前途的研究方向此外，云纹干涉法在其它的固 体力学测试中也有很广泛的应用，在这就不多列举了。 第一章绪论 1 1 2 云纹干涉法的基本原理 圈1 1 云纹干涉原理图 设云纹干涉所需要的互为参考光的两路对称入射准直平行光的正负一级平 面衍射波在相平面上的波前可以分别表不为： f a = a e x p 【f p 。1 i b = t e x p 【i p b 】 其中a 和b 分别表示两路光线的振幅，、分别表示两路光线衍射波的 位相，为常数。当被测物体变形后，则平面衍射波变成与表面位移有关的翘曲波 前，分别记做： j 川5 a e x p 舡纯+ 屯( z ，力 r 1 2 1 i f = 口e x p h + 纯( z ，_ y ) 两束翘曲波前在相平面上发生十涉，其光强为( 省略坐标) ： ，= ( 一”+ 口”) ( 爿斗b ”) 4 = 4 a 2c o s 2 去 口+ 占( x ， 】 ( 13 ) 口= 伊。妒6 ( 14 ) 8 ( x ，y ) = 丸( x ，y ) 一九( z ，y ) ( 1 5 ) 设“、v 分别表示试样表面沿x 、y 方向的位移，则两束翘曲波前的光程变 化分别为： 丸力= 2 _ 7 9 v ( x ，y ) ( 1 + c o s t g ) + “0 ，y ) s m 疗 丸力一季 v ( 圳1 + c o s 旷础枷n 目 o 6 两者的相位著5 ( x ，y ) 与何移“的关系为： 两者的相何差5 ( x ，y ) 与位移“的关系为： d ( x , y ) ：丸( x ，y ) 一九( x ，y ) ：挈“( x ，) s i n 目 ( 1 7 ) 4 河海人学碗上学位论文干涉云纹数字图像处理技术的研究与实现 根据光栅的入射条件s i n p = 2 p ，其中p 为光栅常数( 光栅频率的倒数) ， 可以得到x 方向位移村与条纹级数”，的关系： “2 务 f 1 8 ) 将两路对称入射准直平行光所在的平面转过9 0 。即可得到y 方向位移v 与 条纹级数b 的关系： v ( x ，y ) ：当 ( 1 9 ) z j 由于光栅灵敏度很高，对试件栅的复制工艺以及光路系统的要求都十分严 格，在实践中并不容易获得理想的平面衍射波，试件栅也未必总是处于理想的状 态，因此正负一级平面衍射波的初位相纯、妒。并不是常数，有时在试样加载前 就已经存在着初始条纹，从而形成对测试结果的干扰。为了消除初始条纹的影响， 还需要在图像或数据处理方面采取一些特殊的措施。 1 2 干涉云纹数字图像处理的发展状况 最早对干涉条纹的分析是由手工完成的，主要是根据灰度分布确定条纹中心 以及为条纹级次赋值，通过测量条纹间距来获得应变分布。这种处理方法繁琐费 时，而且人为造成的偶然误差也较大，尤其是在条纹稀疏和形状不规则时。近年 来，由于光电子技术和计算机的发展，数字图像处理技术在干涉条纹的分析中已 广泛被采用。由于云纹干涉法的实时性，在试件栅质量高的情况下几乎不存在散 斑效应的干扰，因而云纹条纹的处理要比散斑、全息干涉条纹的处理简单。 云纹干涉法作为一种高灵敏度、高分辨率的全场位移测试方法【2 6 j 1 2 ”，近三 十年来得到迅速发展。光电子和计算机技术的迅速发展推动了云纹干涉法的发 展。 在国外，1 9 8 7 年，s h e l e n 开始将摄像机和计算机引入云纹干涉法1 2 ，1 9 8 8 年，p t i n i n g 等人提出了用图像处理系统对云纹图进行全场分析的方法四j 。这种 方法主要有条纹图的采集、消除噪扰、细化条纹、确定条纹级数、计算力学量等 步骤。但这种方法采用的是通用的图像处理系统，因此对于云纹图来说，其图像 处理效果较差，计算精度较低。1 9 9 1 年，a a s u n d i 提出了用快速傅立叶变换对干 涉云纹图分析的方法p 。傅立叶变换能消除条纹的噪声。但是由于傅立叶变换具 有平滑效应，在对条纹进行窗口分析时，若窗口选择不当，易丢失条纹信息( 特 别是对条纹变化较复杂的位移图) ，从而使计算误差较大。1 9 9 1 年， j o h n b b r o w n e l l 等人提出了一种用相移技术对云纹干涉条纹进行处理的方法1 3 ”。 1 9 9 3 年，c y , p o o n 等人也提出了用相移技术对云纹干涉图进行自动处理的方法 第一章绪论 【3 2 】。采用光学相移技术对图像进行处理。光学相移技术通过在光路中设置相移器 而实现，通过改变位相，得到多幅相移图像( 至少三幅) ，进行位相计算，从而 得到位移、应变、应力等力学量，这种方法具有自动化程度高、计算精度高、处 理速度快等特点，特别适合丁云纹图像的处理。 在国内，数字图像处理在光测力学领域的应用也受到了重视，而且，其发展 十分迅速。1 9 8 9 年，季南、于起峰提出了利用全场灰度处理云纹数字图像的方 法p 列。这种方法利用条纹中较多的信息，而且自动化程度较高。但这种方法，较 适用于条纹较疏，而且图像质量较高的条纹图。对较密的条纹或图像质量较差的 云纹图将变得很困难。1 9 8 9 年，周东业等人提出了引导跟踪法p 。1 9 9 0 年，何 玉明等人提出了对全息干涉条纹图进行跟踪算法获得条纹中心的方法口”。1 9 9 2 年，张恩东等人提出了“探索数”算法1 3 6 j ，解决了如何提取条纹中心的问题； 1 9 9 3 年，张海波等人发展了a a s u n d i 的相移逻辑云纹法p ”，提出了一种条纹图 全自动处理的新方法二维相移逻辑云纹法。该方法运用了经典云纹的概念，用 计算机产生参考栅，把输入的云纹图看成是变形栅，将它们叠加产生逻辑云纹， 通过计算机移动参考栅从而实现相移，经去包裹处理，得到位相值，然后由位相 得到条纹级次，从而进行力学量的分析。 根据光测力学图像处理近几年的发展可以看出，光测力学图像处理正朝着自 动化程度高、处理速度快、处理精度高的方向发展。早期采用通用的处理系统， 经过滤波提取条纹中心线等步骤获得力学量。这种系统的处理速度慢、自动化 程度不高，应用范围受到很大限制。为提高处理的速度和自动化程度，针对光弹 性条纹图发展了全场灰度法。这种方法利用了条纹中较多的灰度信息，根据光强 公式得到位移、应变、应力等力学量，这种方法不需要进行多种预处理提高了处 理速度，并利用条纹以外的灰度信息，能提取更丰富的信息，但这种方法对于处 理像光弹性条纹这样的图像质量特别高的且条纹简单的情况较好，否则容易出现 误判，难以在工程中推广应用。随着相移技术和计算机技术的发展，开始出现数 字相移技术和光学相移技术。数字相移技术的精度、速度和自动化程度都比较高。 但这种方法要求条纹图中条纹的走向不能变化太大，条纹级数必须是单调变化 的，且连续无阶跃。这就限制了该方法的应用范围。光学相移方法是基于条纹图 的光强分布，其光强分布表达式为 i ( x ，y ) = a ( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s f s ( x ，y ) + 6 】 ( 1 1o ) 式中a ( x ，y ) 为背景光强，b ( x ，y ) 为光强变化幅度，j ( x ，y ) 是相位差，占为相 移。因而，直接用相移图进行位相计算，当图像质量噪扰较大时，会影响到计算 精度。因此，将云纹图做过处理后再进行计算，将大大提高其精度。另外，由于 计算位相需采集多幅图像，如何只用一幅图像就可实现位相计算，尚待做进一步 河海人学硕：l 学位论叟十涉五纹数亨幽像处理技术的研究与实现 研究。总之，光学相移技术具有计算精度高、自动化程度高、处理速度快、适用 范围广等特点，是种很有发展前途的方法。 天津大学力学系智能光测组在云纹干涉法及光电子一计算机采集和处理方面 率先在国内，r 展研究，其成果受到国际和国内同行的关注，特别是近f 。年来，结 合当前计算机冈像处理技术的发展，在这方面作了较为系统的探讨与研究，研制 开发了智能干涉云纹仪及其图像处理系统 3 8 , 3 9 。智能干涉云纹仪图像处理系统的 发展经历了两个阶段。最初图像处理系统采用天津大学电子系研制的高速图像处 理机，并配以微机、监视器、摄像机构成的图像处理系统的硬件系统。采集速度 为1 5 0 秒，其图像为2 5 6 2 5 6 4 b i t ，图像处理软件n j 对图像进行冻结、滤波二 值化、细化等处理。随着图像多功能图像卡的出现，使图像处理硬件系统更趋于 完善。目前的智能干涉云纹仪的图像处理硬件系统由伪彩色图像采集卡、微机、 摄像机组成，采集的图像为7 6 8 5 7 8 8 b i t 。本文编制了一套新的集图像采集及 预处理系统、条纹细化、级数统计、显示系统于一体的云纹图像处理系统。该系 统采用v c + + 语言编制而成，具有良好的用户界面，操作简单，处理快捷。本文 工作是在上海迈恩特光电科技有限公司云纹干涉图处理软件系统基础上完成的， 针对在实际中还存在的一些问题提出了自己的一些解决方案，使整个图像处理系 统更加趋于完善，成为一套实用的图像处理系统。 1 3 课题的目的和意义 数字图像处理( d i p ) 是利用计算机或数字硬件设备，对由图像信息转换的电 信号进行数字运算以期提高图像的实用性，从而达到预期结果。它综合了计算机 技术、信息论和信息处理等实用技术，其理论基础多从其他学科借用而来。 随着计算机技术的发展及其理论基础的完善，数字图像处理技术在光测力学 领域的应用愈来愈广泛1 5 铝j 。传统输入的云纹图像为三幅及三幅以上，本文则只 需要二幅，大大提高了计算机的处理速度。将数字图像处理技术应用于微型硅片 试件在三点弯曲载荷下云纹干涉图像的处理，在云纹图像的条纹级数统计中对常 用的方法做了改善，克服了传统方法所带来的大量的烦冗的工作，使图像的处理 变得方便快捷，可以对所得图像进行精确的计算，并可以在监视器上观测云纹图 像的处理结果，因而具有极大的实用价值。 1 4 本人的主要工作 ( 1 ) 把图像采集 自带软件嵌入到本人开发的一套云纹干涉数字图像处理 软件系统中，对放在云纹干涉仪试样台上的试样进行实时采样，把采集得到的图 像保存到计算机e ； 第一章绪论 ( 2 ) 通过比较多种滤波方法，选取出最适合干涉云纹图的滤波方法 ( 3 ) 改进了传统的区域填充方法，为条纹细化作准备； ( 4 ) 改进了的条纹细化算法，为条纹级数的正确统计创造条件； ( 5 ) 提出了一种新的分又修剪算法，从而使条纹连续且无任何分叉 ( 6 ) 计算位移场和应变场，并且对计算结果进行三维和二维显示。 1 5 本文结构 本文第二章介绍了课题总体的设计方案；第三章介绍了图像预处理，包括图 像旋转、区域裁剪、图像增强、图像分割和区域填充；第四章介绍了图像细化、 分叉修剪、级数统计、位移场与应变场计算及其三维和二维显示；第五章介绍了 云纹干涉图像处理软件系统的实现；最后一章进行了总结。 河海人学硕士学位论文干涉云纹数字图像处理技术的研究与实规 第二章干涉云纹图像处理系统设计方案 通常，计算机所处理的图像是数字图像，而大自然提供的图像是其他形式的， 所以数字图像处理要做的第件事就是把图像转换为数字形式。模拟图像经过模 数转换器转换为数字图像，把图像划分为若干像素并给出相应的地址，能够独立 每一个像素的灰度。这就涉及到数字图像的表示方法。 2 1 数字图像的表示方法 所谓数字图像就是通过将连续变化的图像均匀分成n m 的网格，每个网孔 定义为一个像素，每个像素的值f ( i j ) 为该网孔( 巧) 面积上中光强颜色的平均值 ( f ( i , j ) n 光强没有负值而非负) 。这样，连续图像就被转变为n m 矩阵的离散形 式： f ( x ，y ) f ( o ，0 ) f ( o ，1 ) ： f ( 1 ，0 ) f ( 1 ，1 ) f ( m 一1 , 0 ) f ( m 一1 , 1 ) ，( 0 ，一1 ) f ( 1 ，n - 1 ) 一f ( m l ，n 一1 ) ( 2 1 ) 数字图像的精度包括分辨率和颜色深度两部分，其中，分辨率又分为图像分 辨率和显示分辨率。所谓图像分辨率指从连续图像转变为数据图像时的像素密 度，即单位氏度内的像素数；所谓显示分辨率就是指数据在传输设备上能过显示 的像素数目与所显示像素的点距，即输出设备上每像素的边长。 数字图像的颜色深度是指每一像素的二进制位数。颜色深度与颜色类型既有 不同又有联系。所谓颜色类型，是指数字图像存储和识别所使用的颜色种类和个 数。例如：颜色类型为2 色，图像只用两种颜色一一黑和白来显示，像素值函数 f ( i ，) 非0 即1 ，则颜色深度为l b i t ，于是颜色类型与颜色深度的关系为2 k 2 ； 若颜色类型为1 6 色，图像使用1 6 种颜色，该1 6 种颜色为最基本和常用的颜色， 则颜色深度为4 b i t s ，2 4 = 1 6 ；2 5 6 色同理，图像使用2 5 6 种颜色显示，颜色深度 为8 b i t s ，2 8 = 2 5 6 等。 更为高级的颜色类型是用不同的图像颜色分量或参量来表示像素的颜色。所 用来表示数字图像的颜色分量或参量的组成方法叫颜色表示法。如r g b 表示法、 c m y k 表示法、h s l 表示法及y u v 表示法等。其中，计算机操作系统常用的颜色表 示法为r g b 表示法。r g b 表示法就是用红r 、绿g 、蓝b 三色来表示数字图像像 素的颜色值。r 、g 、b 各分量的位数( 颜色深度) 为8 b i t s ，则总共采用2 4 位来 9 第一章干涉石纹图像处理系统设汁方案 表示一个像素颜色，即2 ( ”) - 2 ”- 1 6 ，7 7 7 ，2 1 6 。用2 4 位的r g b 表示法的图像被 称为2 4 位真彩色，其颜色真实度已经相当高，远超过人眼所能辨别的程度。 仅以图像光强为参量的颜色表示法叫灰度表示法，每个像素的光强用灰度 ( g r a yl e v e l s ) 值来表示，其颜色类型属于2 5 6 色，颜色深度为8 位，但2 5 6 色 并非2 5 6 种彩色，而是光强由黑到白，灰度随之南0 到2 5 5 离散、均匀变化的 2 5 6 个值。2 4 位的灰度图像实际上是用r g b 颜色表示法，其中颜色值厶= 厶= 厶， 即颜色为( 0 ，0 ，0 ) ，( i ，l ，1 ) ，( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) 但是这样，图像文件将扩大近 三倍，例如幅6 0 0 4 8 0 的位图图像将达到近9 0 0 r b 。所以，为了即顾及文件 规模、又考虑兼容性和可扩展性，通常在位图颜色表中定义灰度图像颜色值特征 和代码，而在像素数据部分只使用8 位，即l 字节( b y t e ) 的空间表示一个像素 颜色值。这就是r g b 表示法的8 位灰度位图。 把像素按照不同的方式进行组织和存储，就得到了不同的图像格式，将图像 数据存成文件就得到图像文件。图像文件按数据图像格式得到不同一般具有不同 的扩展名，常用的图像文件格式有：位图文件( 半b m p ) ，t g a 文件( t g a ) ，p c x 文件( 十p c x ) ，g i f 文件( $ g i f ) ，t i f f 文件( 丰t i f ) 等。其中，最为常用的图像格 式为位图格式( b m p ) ，其中，最为常用的图像格式为位图格式( 术b m p ) ，其特点 是线性存储，无信息压缩。 由于”一般用c c d 采集的实验图像都是r g b 表示法的8 位灰度图像，因此本文 以下都是以r g b 表示法的8 位灰度b m p 作为讨论对象。接下来本节将对b m p 位图 的结构进行介绍。 位图文件从头到尾依次包括位图文件头结构b i t m a p f i l e h e a d e r 、位图信息 头结构b i t m a p i n f o h e a d e r 、位图颜色表r g b q u a d 和位图像素数据四部分，数据 顺序存储。8 位灰度图文件的位图像素数据格式为每字节( b y t e ) 数据存储一个像 素的颜色值，像素取点是从实际像素的左下角的像素点开始，由左向右，再由下 到上，以右上角像素点为终止。文件头、信息头、颜色表部分具体结构如表2 1 所示。 2 2 设计方案 本文是利用数字图像处理技术对采集的云纹图进行处理，得到其位移场和应 变场，从而用来检测试件的变形度。首先把试样放在试样台上，通过云纹干涉仪 产生试样的云纹图，然后通过c c d 图像采集卡对其产生的云纹图进行采集，采 集到的云纹图像以b m p 位图的格式保存在计算机上，然后通过条纹图像处理， 把处理后的结果显示出来并保存。所以整个云纹图像处理系统包括了硬件系统和 软件系统。硬件系统由云纹干涉仪和c c d 图像采集卡两部分组成，软件系统由 1 0 河海大学硕十学位论文 干涉云纹数字图像处理技术的研究与实现 图像采集、条纹处理和结果显示与保存三部分组成。这样，整个云纹图像处理系 统的系统框图如图2 1 。 表2 1b m p 位图图像结构 本文作者主要从事的是软件部分的设计和开发。在程序设计方面，基于v i s u a l c + + 集成开发环境，采用了类的思想，面向对象，利用了对象的封装性，使系统 的设计易于修改，易于扩充。 设计方案的确定对整个软件处理系统有着很好的指导作用。是软件研发工作 中必不可少的一个环节。 第二章干涉云纹图像处理系统设计方案 2 2 1 系统处理流程 图2 1 系统框图 图2 2 一个完整的数字图像处理系统 在图2 - 2 中对输入的图像，通过指令对图像中的像素进行处理，从而得到期 望的结果。同样，对云纹图像处理的设计也是如此，要对数字化处理后的云纹图 中的像素进行处理，得到云纹图像的各种信息( 即像素集合) ，然后对该像素集合 中的信息( 特征值) 进行分析处理，从而进行识别。 本文的系统设计的主要内容是： 1 把图像采集卡自带的图像采集软件包嵌入到自编云纹图像处理系统软件 中，实现实时采集、保存和处理。 2 计算机调用图像处理程序库，对同一试样连续采集到的两幅云纹图像进 行数字化处理，并输出结果，保存数据。 3 对其他试样的云纹图像处理重复l 一2 过程。 通过上述过程，试样图像相关信息就有了很好的描述，从而就能判断试样的 变形度，依据其变形度的大小是否满足材料的参数标准来决定试样的质量优劣。 河海= = 学硕士学位论文干涉五纹数，图像处理技术的研究与实现 这样的检测过程可以提高产品的生产质量，从而提高其在市场上的竞争力。 2 2 2 图像采集 本系统要对图像进行处理，首要的工作就是要进行云纹图像采集，并保存到 计算机上。 本系统所采用的图像聚集卡的型号为n t s c r s 1 7 0 ，p a l c c i r 兼容，工作频 率为5 0 h z ，图像传输速率为5 0 幅秒，采样得到的图像为8 b i t 的数字。 2 3 系统实现的功能 本系统主要实现通过c c d 图像采集卡对产品试样进行图像采样，对图像进行 处理从而得到试样的位移场和变形场的相关数据，根据相关数据的大小来确定试 样的变形度，从而更好的指导生产，提高产品的质量。本文着重研究了数字图像 处理技术在云纹条纹识别中的应用，基于图像工程的思想，综合利用图像处理、 图像分析和图像理解技术，提出并实现了一些改进算法：利用图像旋转来使倾斜 图像水平，利用图像区域选取，利用中值滤波、直方图增强等技术实现了图像的 部分复原和增强，利用迭代阈值分割算法和手动分割算法实现了图像的二值化， 利用区域填充来对二值化的条纹图像上的白色小区域进行填充，利用条纹细化、 去分叉来对条纹进行细化处理，以人机交互的方式确定条纹的零级点从而用插值 算法计算出图像上定义网格上所有点的级数，通过计算得到相应的位移场和应变 场，通过三维和二维显示来更加形象的表示变形的位置和级数的对应关系，从而 实现了云纹条纹级数的自动识别。 2 4 本章小结 本章首先对图像的结构特别是b m p 图像的格式进行了详细的介绍，然后提 出了本文所采用的设计方案，对图像采集卡进行了一定的介绍，最后提出系统所 应具有的功能。 第三章云纹图像的顶处理 第三章云纹图像的预处理 对数字图像进行预处理，就是对给定的图像进行某些变换，从而得到清晰的 保留所要提取的图像的过程。当图像输入到计算机的时候，由于试件，l 作条件， 光栅复制质量，光学系统质量及周围环境的影响等，使图像上含有各种各样的噪 声和污染。为了稳定、准确地进行特征抽出等处理，必须消除噪声，校j e 失真， 把图像变换成机器识别的图像。在对图像进行预处理以后，我们就可以从中提取 所需的各种物理、力学性能指标了。 3 1 图像截取 本系统从云纹干涉仪系统采集到的试件云纹图像的分辨率为7 6 8 5 7 6 ，像素 约为4 4 万，即以像素为单位，拍摄的图像每行有7 6 8 个像素，一共有5 7 6 行。在计 算机里，要处理这样一幅图像，是比较费时的，而且，由于拍摄环境的影响，图 像的左右两边或上下两边有黑色无用区域，如图3 1 为利用公司的m i s 一3 d 系统对 一个微型硅片进行三点弯曲试验而得到的u 场云纹条纹图，图中的上下黑区域， 这些区域是本文软件处理所不感兴趣的，它们的存在必然影响处理分析的结果。 图3 1 原始云纹图 因此，本文只取了整幅图像的一部分来进行处理。实验中，本文用一个矩形 区域来选取我们所感兴趣的区域，这样既节省了处理时问，提高了处理速度，又 保证了处理结果的准确性。但是如果c c d 图像采集卡或试样位置放置不当，采集 1 4 ，海大学硕士学位论文 干涉云纹数7 图像处理技术的研究与实现 得到的图像会有一定的倾斜，这就要利用图像旋转来使我们感兴趣的区域能被矩 形框最大程度的选耿，这样在后续处理中就能得到更多的数据，更形象直观地表 示出试件的位移场和应变场。 3 1 1 图像旋转 有时候囚c c d 图像采集卡的摆放位置出现偏差或试样摆放位置出现偏差， 使得采样出来的云纹图像即我们感兴趣的图像不能被矩形框很好的选取，这时我 们就要用到图像旋转的功能。 在w i n d o w s 系统中，系统自带了，画图工具，虽然罩面有旋转的功能，但是只 能进行9 0 度、1 8 0 度和2 7 0 度等特殊角度的旋转，而现在本文处理的图像只有 少度的倾斜，所以用画图工具进行旋转不能达到预期的目的，而p h o t o s h o p 这一 图像处理软件可以使图像任意角度旋转，通过多次旋转后可以用矩形框最大限度 的选取我们所感兴趣的区域，但是，这样一来要先调用p h o t o s h o p 软件进行处理， 然后再用本人开发的软件来处理图像，处理过程比较麻烦，所以本文把图像旋转 功能集成到本人开发的软件中，得到了很好的处理效果。 基本思想是：顺时针旋转角度( 0 卢 1 5 ) ，设原图像宽和高分别为w 和h ， 先计算出旋转后图像的宽和高，矿和h ，w 和h 的计算方法如下： ( a ) 图像旋转前图图像旋转后图 图3 2 图像旋转前后图 令原图中的中心坐标为： d = ( w 一1 ) 2 ； b = ( h 一1 ) 2 ； 半个对角线长度：，：t 丽 令口= a t a n ( b a ) ； ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 令x ，2 r * c o s ( f l + o ) i ；i = s i