一种数字图像相关测量的自适应曝光控制方法及系统

本发明涉及光学测量与图像处理，特别是指一种数字图像相关测量的自适应曝光控制方法及系统。

背景技术：

1、数字图像相关（digital image correlation，dic）方法是一种基于图像特征匹配的非接触式全场变形测量技术，通过追踪试件表面散斑图案的位移获得全场位移场和应变场，具有非接触、全场、高分辨率等突出优势，已被广泛应用于材料力学性能表征、结构损伤检测及高温变形测量等领域。

2、在高温力学测试中，已有研究将激光散斑dic用于高温应变测量。该类技术利用固态单纵模激光器照射试件表面形成相干散斑图案，并在相机镜头前端配合窄带滤波镜、线偏振片和中性密度衰减片以抑制试件自发热辐射对成像的干扰。然而在高温工况下，试件热辐射强度随温度升高显著增强，即使经过滤波和衰减，进入相机靶面的热辐射仍可能导致固定曝光条件下图像整体过曝、散斑图案被淹没、dic互相关计算失败。

3、目前，现有散斑图像质量评价指标主要包括全局平均灰度、图像熵、平均强度梯度mig以及散斑图像均值-方差分析法等。其中，平均强度梯度mig同时计算图像在x方向和y方向的强度梯度，是常用的dic图像质量指标；图像熵计算量较大；均值-方差分析法复杂度较高；全局平均灰度仅反映亮度而不能直接反映散斑质量。

4、现有自动曝光控制方案通常以全帧或roi平均灰度、亮度直方图或图像熵为反馈调节曝光时间；另有高动态范围多帧融合方法通过融合不同曝光图像扩展成像动态范围。这些方法可以改善普通场景曝光或扩展成像动态范围，但没有针对激光散斑图像的统计特性进行优化，也难以区分图像平均亮度与dic所需散斑纹理质量之间的差异。在高温dic中，两幅平均灰度接近的图像仍可能具有不同的散斑可辨识度，因此仅依靠平均灰度控制曝光不足以保证dic计算稳定。

5、综上可知，现有技术主要存在以下不足：一是现有散斑质量评价指标未针对激光散斑的统计各向同性特性进行优化，存在计算冗余；二是现有自动曝光控制方案多采用单一亮度指标，难以兼顾响应速度与散斑质量；三是缺少适用于高温激光散斑dic连续升温实验的轻量化闭环曝光控制方案。

技术实现思路

1、本发明提供了一种数字图像相关测量的自适应曝光控制方法及系统，以解决高温环境下热辐射增强导致固定曝光图像过曝、散斑图案被淹没以及dic测量失败的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种数字图像相关测量的自适应曝光控制方法，包括：

4、s1，以当前曝光时间控制工业相机采集高温试件表面的激光散斑图像；

5、s2，计算激光散斑图像中感兴趣区域的平均灰度；

6、s3，若当前计算出的感兴趣区域的平均灰度与预设目标平均灰度值之间的偏差不超过预设灰度偏差阈值，则执行s4；否则，调整曝光时间，并返回s1，直至以当前曝光时间采集的激光散斑图像中感兴趣区域的平均灰度与预设目标平均灰度值之间的偏差不超过预设灰度偏差阈值时，执行s4；

7、s4，在预设曝光时间允许范围内，按照预设曝光递增步长逐步增加曝光时间，直至满足预设的停止条件，并以满足停止条件时的曝光时间作为最终曝光时间。

8、进一步地，在采集激光散斑图像时，工业相机的成像镜头光圈固定，且工业相机的镜头前端安装有中心波长与激光器波长匹配的窄带滤波镜。

9、进一步地，所述感兴趣区域对应试件散斑区域，并排除试件区域外的背景热辐射区域。

10、进一步地，所述感兴趣区域的平均灰度与预设目标平均灰度值之间的偏差以感兴趣区域的平均灰度与预设目标平均灰度值之间的差值的绝对值表示。

11、进一步地，在预设曝光时间允许范围内，按照预设曝光递增步长逐步增加曝光时间，直至满足预设的停止条件，并以满足停止条件时的曝光时间作为最终曝光时间，包括：

12、在预设曝光时间允许范围内，按照预设曝光递增步长逐步增加曝光时间，并在每次增加曝光时间后，以调整后的曝光时间控制工业相机采集高温试件表面的激光散斑图像，并计算所采集的激光散斑图像的单边平均强度梯度；

13、当相邻两次采集的激光散斑图像的单边平均强度梯度之间的差值小于预设散斑质量差阈值，或者曝光实际递增次数达到预设最大曝光递增次数时，完成自适应曝光调节，并以此时所得的曝光时间作为最终曝光时间。

14、进一步地，所述单边平均强度梯度的计算方式为：仅对激光散斑图像中感兴趣区域在一个空间方向上的图像强度梯度绝对值进行平均，以获得图像的单边平均强度梯度。

15、进一步地，在得到最终曝光时间之后，所述方法还包括：

16、以当前所得的最终曝光时间控制工业相机采集高温试件表面的激光散斑图像，以当前所得的激光散斑图像与基准参考图像进行数字图像相关互相关计算，输出全场位移场和应变场。

17、另一方面，本发明还提供了一种数字图像相关测量的自适应曝光控制系统，所述数字图像相关测量的自适应曝光控制系统包括：

18、图像获取模块，用于以当前曝光时间控制工业相机采集高温试件表面的激光散斑图像，并将当前采集的激光散斑图像传输给曝光时间粗调模块；

19、曝光时间粗调模块，用于：

20、在接收到激光散斑图像后，计算激光散斑图像中感兴趣区域的平均灰度；

21、若当前计算出的感兴趣区域的平均灰度与预设目标平均灰度值之间的偏差不超过预设灰度偏差阈值，则启动曝光时间精调模块；否则，调整曝光时间，并启动图像获取模块，直至以当前曝光时间采集的激光散斑图像中感兴趣区域的平均灰度与预设目标平均灰度值之间的偏差不超过预设灰度偏差阈值时，启动曝光时间精调模块；

22、曝光时间精调模块，用于：

23、在预设曝光时间允许范围内，按照预设曝光递增步长逐步增加曝光时间，直至满足预设的停止条件，并以满足停止条件时的曝光时间作为最终曝光时间。

24、再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

25、又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。

26、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

27、1、本发明提出的umig指标针对激光散斑的统计各向同性特性设计，仅计算一个空间方向上的图像强度梯度，利用激光散斑的统计各向同性特性减少冗余梯度计算，相比传统mig，本发明的umig指标可降低计算量，而评价准确性相当，能直接反映dic计算所需的散斑图像质量。

28、2、本发明采用roi平均灰度粗调与umig质量差递增细调相结合的两步控制策略，通过粗调快速将图像亮度带入可用范围，通过细调进一步基于散斑质量变化确定曝光时间，兼顾了响应速度与dic散斑质量。

29、3、本发明的实时闭环控制使得采集到的散斑图像可直接用于dic计算，适用于连续升温过程中的高温激光散斑dic测量。

30、4、实验验证表明，在c/c编织复合材料1100℃至1600℃升温实验条件下，采用本方法时1600℃时umig仍为3.42，dic仍可获得有效应变结果；固定曝光条件下1500℃时umig降为0，1400℃后无法继续获得有效dic结果，本方法在该实验条件下将有效测量温度上限至少提高200℃。

31、综上，本发明通过建立以umig为散斑质量评价指标、以roi平均灰度粗调与umig递增细调为核心的实时闭环自适应曝光控制方法及系统，解决了高温环境下激光散斑dic图像过曝与dic测量中断的问题。