[发明专利]基于核函数的数字图像相关方法的位移场自适应平滑方法

说明书

本发明公开了一种基于核函数的数字图像相关方法的位移场自适应平滑方法，采用基于核函数的相关函数ρ^*，并利用自适应平滑方法对基于核函数的数字图像相关方法得到的位移场进行处理。本发明的基于核函数的数字图像相关方法的位移场自适应平滑方法可以有效改进位移场的测量精度，定义了一种新的基于核函数的相关函数ρ^*，考虑图像噪声的影响，使得本发明较传统方法而言，具有更好的测量精度。适应平滑方法基于惩罚最小二乘回归技术，对噪声位移场表面的粗糙性进行惩罚，实现有效地消除位移场中的噪声的目的。

技术领域

本发明属于数字图像处理领域，具体涉及一种基于核函数的数字图像相关方法的位移场自适应平滑方法。

背景技术

数字图像相关，最早由Sutton et al.提出，是一种将物体表面随机分布的自然纹理或人工散斑场作为变形信息的载体，通过机器视觉技术获得结构表面在外载荷作用下的全场位移和应变信息的光学测量方法。由于DIC具有诸多优点，例如测量过程简单、测量结果准确性高、非接触、可获得全场数据等，近年来在实验力学领域获得了广泛应用。

作为一种有效的光学测量方法，DIC技术在近二十年中获得了迅速的发展，并在试验力学，材料及其相关领域获得了大量成功应用。这些都归因于DIC方法本身的种种优势，例如非接触式、试验系统搭建便利、可获得全场数据、以及相对较高的测量准确性，等。为此，大量方法被提出用于改进DIC的测量精度和处理速度，推动该方法在更在更大范围内获得成功应用。不幸的是，尽管基于DIC的测量理论近年来获得了充分的研究，传统方法仍然存在众多问题，在面对实际应用时。散斑模式、图像子区尺寸、相关函数、迭代条件等诸多因素会对测量结果噪声影响。对于此类问题，已有一些学者对DIC性能进行过较为细致的分析，并提出了一些指导实际应用的总体性原则。

必须指出，现实应用中图像噪声是不可避免的。而传统DIC方法的测量过程又严重依赖于图像的亮度信息。当噪声存在时，变形前后用于匹配的图像子区中的亮度分布也会随着噪声的分布而发生改变，从而严重影响着测量结果的准确性。为降低图像噪声对测量结果的影响，一些基于前处理或后处理技术来消除测量偏差的方法被提出。尽管获得了一定的效果，但当用于实际测量时，这些方法仍面临缺少平滑参数如何选取的问题。

DIC的基本原理非常简单，记录结构变形的序列图像，并在变形前后的图像子区中搜索最大化某种相关性准则，例如：零均值归一化交叉相关准则，来获取测量点的位移数据。为了提高位移场的计算精度，研究主要关注于通过改善DIC算法来输出高精度的亚像素位移。Lu et al.将高阶梯度引入形函数以实现对复杂变形的描述，从而改善DIC对复杂变形场的测量效果。Cofaru et al.提出用非规则散斑模式来修正DIC，并结合正则化方法来增加位移场的输出精度。Pan的研究表明：采用大小为5*5像素的高斯低通滤波器对散斑图像进行预处理，可有效地降低DIC输出的位移场误差。

在实验力学领域，相比单纯的位移场数据而言，应变场分布信息显得更有价值。尽管DIC技术经历了多年的发展，由于现实条件限制，DIC输出的位移场仍会存在各种偏差，有关DIC系统偏差的分析详见文献。由于计算应变场的所有信息都包含在位移数据当中，若直接利用这些包含噪声的位移数据来计算应变，误差将会被放大，以至于有效的应变场分布规律难以获取。正因如此，基于数据平滑或曲面拟合的后处理技术被用于消除位移场的噪声。然而，这些方法的缺陷是需要人工调整算法的参数。在实际测量过程中，由于没有足够的先验知识来指导参数调整，因而阻碍了其实际应用。

因此，需要一种新的适用于数字图像相关的位移场迭代平滑方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的数字图像相关方法及其位移场平滑方法的不足，提供一种基于核函数的数字图像相关方法的位移场自适应平滑方法。

为实现上述发明目的，本发明基于核函数的数字图像相关方法的位移场自适应平滑方法可采用如下技术方案：