数字散斑-实验指导书
数字散斑相关方法研究与应用的开题报告
数字散斑相关方法研究与应用的开题报告一、选题背景数字散斑相关方法是利用数学和光学原理，将数字信息和光学信息相结合，将数字图像转化为散斑图像进行处理的一种方法。
它广泛应用于物体三维形貌测量、物体表面形态变形的研究、无损检测、高精度位移测量等领域，进而推动了这些领域的发展。
随着数字散斑相关方法应用的扩大和深入，越来越多的新技术和新应用被发掘出来，因此本文选择数字散斑相关方法作为研究课题。
二、研究目的本研究旨在探索数字散斑相关方法的原理、算法与应用，分析其在物体三维形貌、位移测量、形态变形测量等方面的作用和优势，研究数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题和解决方法，为数字散斑相关方法在相关领域的应用提供参考。
三、研究内容1.数字散斑相关方法的原理与算法分析；2.数字散斑相关方法在物体三维形貌测量应用中的研究；3.数字散斑相关方法在物体位移测量应用中的研究；4.数字散斑相关方法在物体形态变形测量应用中的研究；5.数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题及解决方法的研究。
四、研究方法1.文献调研法：对数字散斑相关方法相关的经典文献、技术应用论文和专利文献进行调研，了解其发展历程和现状；2.实验研究法：结合数字散斑相关方法的实际应用情况开展实验，评估其效果，发现解决实际问题的方法；3.数学模型法：依据数字散斑相关方法的原理，建立数学模型，进行数值计算和仿真分析。
五、预期结果1.深入了解数字散斑相关方法的原理、算法、特点及其在相关领域的应用情况；2.总结数字散斑相关方法的优缺点，为进一步研究提供基础；3.探索数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题，并提出解决方法；4.为数字散斑相关方法的研究和应用提供参考。
六、研究意义1.能够进一步深入了解数字散斑相关方法的原理和算法，为相关研究提供基础和指导；2.能够总结数字散斑相关方法在物体三维形貌、位移测量、形态变形测量等方面的应用情况和优势，为相关领域的实际应用提供参考；3.能够发现数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题并提出解决方法，为相关科研人员提供参考。
散斑图像相关数字技术原理及应用_单宝华
第18卷 第3期2003年9月实 验 力 学JO U RN A L O F EX P ERIM EN T AL M ECHAN ICSV o l.18 No.3Sep.2003文章编号:1001-4888(2003)03-0409-10散斑图像相关数字技术原理及应用单宝华,欧进萍,赵仁孝,马世英(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090)摘要:研究图像处理技术在散斑测量中的应用,提出了一种散斑图像相关数字技术.该方法引进了亚像素技术,采用重心算法计算特征斑的重心,避免了数字散斑相关法计算相关系数的繁复过程;应用位移和应变的有关公式,可以获得物体变形实验曲线.实验结果表明,该方法在工程实际现场、振动过程以及变形测量的自动化等方面有着广泛的应用潜力,从而为光测力学拓展应用领域、实现自动化测量展现了新的前景.关键词:图像相关;特征斑;图像处理;重心算法;电荷耦合器件中图分类号:TU317+.4 文献标识码:A1 引言 数字散斑相关方法是在80年代初由山口一郎[1]和Peters与Ranson[2]等人同时独立提出的.对于相关系数的计算,Peters、Ra nso n最初提出相关迭代法,在此基础上,高建新提出相关搜索法[3],而后芮嘉白、金观昌等人又提出一种改进的数字散斑相关方法十字搜索法[4],以后又有许多人做了一系列的研究和改进工作.但由于理论分析的困难,对于相关法中的精度、空间分辨率、测量可靠性、运算量等指标与抽样间距、灰度量级、窗口大小和噪声等有关分析尚显不足,以致对数字散斑相关法参数选取缺乏可靠理论依据,现在只能靠经验与摸索,所以该方法在实际工程中并没有得到广泛的应用,在土建结构工程中也很少使用.但由于这种方法对力学测试具有极简单的参数要求,并且测量是非接触、全场性的,因此仍有较大的应用前景.本文针对结构工程包括在役结构实时监测的需要,在数字散斑相关方法的基础上将提出一种散斑图像相关数字技术.这种技术主要研究数字图像处理技术在散斑测量技术方面的研究与开发,并把研究结果应用于土建结构工程试验、损伤检验等实际工程问题.这种技术适用于小变位梯度下物表面为人工散斑场的情况,而且在试件变位过程中建筑构件表面白光散斑场的荷载变位特点需满足白光散斑场的变化具有可识别性.这种技术采用数字散斑相关测量收稿日期:2002-10-17;第二次修订日期:2003-08-24基金项目:国家863计划项目(2001AA602023)作者简介:单宝华(1975-),女,黑龙江人,哈尔滨工业大学博士生,从事结构监测与无损检测方法的研究.方法的图像系统构成模式以及相关识别原理,但在图像处理方面不同于数字散斑相关测量方法,它引进亚像素技术,采用重心算法计算特征斑的重心,并应用位移和应变的有关公式来获得物体变形实验曲线,避免了计算相关系数的繁复过程,从而可以满足工程应用的需要.2 方法原理 散斑图像相关数字技术,是根据试件表面散斑图像在变形前后的相关性来确定试件位移和变形的非接触全场测量技术.如图1所示,将测量用的照明光束投射到试件表面,试件变形前后所形成的散斑图由CCD 摄像机采集并通过A /D 转换器离散成数字图像存入计算机.在图像采集中,对于物体运动变化剧烈的时候,可逐幅连续地对图像进行采集;当物体变形过程较慢时,可间隔一段时间采集.由于试件发生位移时人工散斑灰度基本不变,所以本文采用人工散斑.试验时在试件表面喷白漆制黑斑,形成对比度很强的图像,以增强系统抗噪声干扰能力.斑点的选择要满足以下条件[4]:1)颗粒反光性较好,肉眼观察明显.2)颗粒牢固地定位于物体表面,物体变形时,它仅随基点平动或转动,以保证反射光强基本不变.3)照射光为均匀白光.满足这些条件的颗粒所产生的斑点称为“硬斑点”,它是保证散斑相关的一个必要条件.确保散斑相关(或相关散斑)在于为散斑位移计算提供物理依据.只要测量过程中该斑粒不剥落、不变形,即可以以其形状和位置可以被识别出来.这是因为实用中为便于分析,测量表面经常被网格化.表面斑化的目的在于使散斑斑粒在研究区域内均匀分布,从而使散斑位移能充分描述表面位移.鉴于在网格区域内任意样本斑粒一经斑化即可识别,从而确保与其目标斑粒的相关性.这样样本散斑与目标散斑间的相关性在确保散斑图像相关的基础上是完全可以确定的.图1 散斑图像相关数字技术测量装置图2 斑点大小引起的误差散斑图像相关分析是在变形前的数字散斑图像中选定一个特征斑作为样本散斑,在变形后的数字散斑图像中,寻找与此斑点相对应的特征斑作为目标散斑,可认为样本散斑因试件变形而运动到目标散斑的位置时,二者重心的坐标差就是试件表面的位移.这样,试件的变形测量就可以通过散斑图上特征斑点的移动来完成.特征斑的选取要求斑点越大越好,这样采用重心算法计算的误差就会越小.图2表示特征410 实 验 力 学 (2003年)第18卷 斑大小与误差的关系.采用本文系统进行测量,特征斑点大小引起的误差在1%以内,斑点水平直径为11像素时误差为0.8%.所以要求选取的特征斑的水平直径至少大于10个像素.对于变形区域的测量,特征斑选取数目针对具体情况而定,但是每个特征斑只代表变形区域该位置的形变,不能反映变形区域的平均位移.虽然同一变形区域的不同位置的特征斑反映出不同位置的形变,但各变形曲线确有其共性,都能够反映出检测区域的整体变形趋势.一般情况下测量某一区域变形时需选取三到四个特征斑即可,如需提取较多点变形信息,可适当增加特征斑的选取数目.图3为同一坐标系下试件变形前后的两幅散斑图像.试件表面的某一特征斑在变形前位于P点,变形后移动到P1点,(x,y)为试件变形前特征斑的重心,(x1,y1)为试件变形后特征斑的重心,该特征斑沿轴e x,e y方向上的位移分量分别为u,v,则变形前后特征斑的位移为u=x1-xv=y1-y(1)此即为试件受力变形的位移.为了获取试件表面的应变信息,任一点的应变情况可由图4表示.试件受力变形前,表面上的任意二点的特征斑为A,B,这两个特征斑的重心坐标分别为(x A,y A),(x B,y B),变形后在目标图像上相对应的特征斑为A1,B1,其重心坐标为(x A1,y A1),(x B1,y B1).式中,Δx,Δy,l为试件变形前特征斑A,B在x,y方向上的距离及两者间的距离,Δx1,Δy1,l1为试件变形后目标图像中相关的特征斑A1,B1在x,y方向上的距离及两者间的距离,即Δx=x A-x BΔy=y A-y Bl=Δx2+Δy2 Δx1=x A1-x B1Δy1=y A1-y B1l1=Δx12+Δy12则试件受力变形后A点和B点之间的应变可表示为X=l1-ll(2)图3 变形前后特征斑的位移示意图图4 变形前后特征斑的应变示意图 显然确定样本图像和目标图像中特征斑的重心坐标是获得应变测量的核心内容.重心估计是现代图像处理技术用于位置检测的主要算法之一,目前的水平已经达到将重心算法的精度和灵敏度提高到比一个像素更小的尺度,即所谓亚像素精度.关于亚像素精度的411第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 分析,众多学者提出了许多方法.本文在完备重心算法傅里叶分析的基础上[5],由重心定理,试件表面散斑斑点的二维重心位置可由下列公式计算:x c =∑y c y =y b ∑x c x =x b x g (x ,y )∑yc y =y b ∑x c x =x b g (x ,y ) y c =∑y c y =y b ∑x cx =x b y g (x ,y )∑y c y =y b ∑x c x =x b g (x ,y )(3)其中g (x ,y )=1, (x ,y )∈目标0, (x ,y )∈背景是二值图像,(x ,y )是图像中像素坐标[6].将式(3)代入式(1)、(2),即可获得试件的变位信息.3 散斑图像数据处理 由散斑图像相关数字技术的基本原理,采用Ma tlab 语言中的图像处理工具箱对CCD 摄像机拍摄的散斑图进行图像处理、特征斑识别、二维定位、动画显示、曲线显示、数据存储一系列操作,最终得到物体变形实验曲线.图像处理过程主要包括以下四步:(1)滤波 散斑图像在采集、量化、传送过程中产生的噪音会污损散斑图像信息,影响数据处理的精度,为了有效地抑制噪声,需要应用图像平滑技术进行处理,采用中值滤波非常有效.散斑图像经中值滤波后,滤去散斑图像在采集过程中所形成的噪音,提高了散斑图像的质量,突出了散斑图像的特征.(2)二值化 本文测量系统CCD 拍摄的散斑图是具有多个灰度级的单色图像.在实用的图像处理系统中,处理速度高、成本低、信息量大的灰度图像花销太大,不是上策.而且灰度图像二值化后,能够突出图像特征,有利于提取特征斑;从测量要求而言,要求散斑图像灰度反差越大越好,所以散斑图像的二值化是非常必要的.散斑图像二值化的目标是要在尽可能多的保留原图像特征的前提下舍弃冗余信息.要实现这一目标关键在于正确地选择阈值t .由于本文采用人工散斑,试验时在试件表面喷白漆制黑斑,所以能够形成具有二值倾向的多灰度值散斑图像.这种散斑图像的灰度直方图上能够呈现出两峰一谷的特征,取谷底处的灰度值作为阈值t 可以得到较好的结果,阈值t 的选取可以由Matlab 程序自动完成.(3)特征提取 由于试验时在试件表面作白底黑斑,为便于数据处理,将二值化后的散斑图转化为黑底白斑的图像,此图像上的白斑属于单连接成分.为了得到试件表面感兴趣区域的变位情况,对此区域上的单连接成分进行标记和轮廓跟踪,即可实现特征斑提取.(4)重心算法 二值图像上特征斑的重心位置可用公式(3)计算.对CCD 拍摄的散斑图像进行图像处理,其基本过程如图5所示,图像处理模块程序流程图如图6所示.特征斑识别采用人机交互式模式提取特征斑,自动生成各序列图像的特征斑数据文件.二维定位是将计算所得到的各序列图像的特征斑像素坐标转化成实际坐标,并自动生成特征斑的实际坐标文件.动画显示用于在计算机屏幕上显示各个序列图像的运动变化情况.曲线显示用于显示序列图像中某个特征斑的运动参数,如位移、应变等.数据存储是对经过上述处理而得到的物体的变形试验数据存储,以便数据分析.特征斑识别、二维定位、动画显示、412 实 验 力 学 (2003年)第18卷 曲线显示、数据存储这些操作构成了计算模块,如图7所示.由图像处理模块和计算模块这两种模块生成十几种程序,计算程序流程图如图8所示.这些计算程序可分别计算出应力—位移曲线、应力—应变曲线、位移—时间曲线等多种实验曲线,每个程序的图像处理模块完全相同,但计算模块根据实际情况各不相同,图9、图10分别为应力-位移曲线和应力-应变曲线流程图,可充分说明此问题.图5 散斑图像处理过程图6 图像处理模块图7 计算模块图8 计算程序流程图 采用这种方法只需在Matlab 窗口下调出程序,输入系统放大率以及采集散斑图像数,系统会自动调出散斑图,由操作者选取特征斑,即可自动生成实验曲线.操作者可以提取散斑图像上任意点的变位信息,而不受限制.该方法迅捷简便,极易实现,没有人为误差,在土建结构413第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 图9 应力-位移曲线程序流程图图10 应力-应变曲线程序流程图工程中具有很好的应用前景.4 工程应用4.1 钢管砼结构轴心受压过程的监测将散斑图像相关数字技术用于钢管砼结构轴心受压破坏过程的监测,试验采用的圆钢管混凝土试件参数如表1所示,试验装置如图11所示.试验中采用分级加载,弹性范围内每级荷载为预计极限荷载的1/10,当钢管屈服后每级荷载约为预计极限荷载的1/15,每加载一次,414 实 验 力 学 (2003年)第18卷 CCD 摄像机记录一幅散斑图像.当钢管接近破坏时慢速连续加载,此过程CCD 摄像机只记录了试件即将破坏时的几幅散斑图像.表1 圆钢管混凝土试件参数试件号外径均值D j (mm)试件长度L (mm )壁厚均值t j (mm)套箍系数a 砼抗压强度标准值f ck (M Pa)钢材屈服强度f y (M Pa )1133.313976.075 1.68697653.884424.52133.143976.155 1.65925153.884424.53160.154765.0050.91109853.884356.3图11 试验设置示意图图12 三个试件的轴向荷载—竖向位移曲线 采用本文开发的散斑图像数据处理程序fdp 对CCD 拍摄的散斑图像进行处理,计算得到试件的轴力—位移曲线如图12所示.试验全过程监测表明,这三个钢管混凝土试件都有较好的延性和后期承载能力.4.2 在役钢结构动力特性脉动监测监测对象为在役的新加坡大酒店近万平方米的戏水大厅空间网架屋面结构,结构平面图如图13所示.测点位于图13所示网架挠度最大处17轴第16节点的下弦球上.将事先斑化的边长约为24cm 的方板(化为方形斑粒)标记固定于“节点球”.相机位置如图14所示,位于主体结构的第三层平台上,平台通过墙体与地基础相连.CCD 相机仰视观测标记(散斑图像板),物距约为30m.由于脉动幅度较小,测点距离较远,为满足试验需要,实测中选用78～200mm 415第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 的变焦镜头进行测量,分别以焦距f=150m m,f=180mm,f=85m m三种焦距观测被测节点.CCD摄像机以每秒25桢的速度连续采集图像,三种焦距分别录制了 4.52s,10.32s, 5.00s的时程段的图像.图15为CCD摄像机在试验过程中所拍摄的一幅散斑图像.图13 新加坡大酒店戏水大厅结构平面图图14 试验装置图15 散斑图图16 时程曲线416 实 验 力 学 (2003年)第18卷 图17 频谱图 对CCD 摄像机拍摄到的序列散斑图像采用程序dy t 进行计算,获得结构相应测点的位移脉动时程曲线如图16所示.对使用焦距为150mm 的镜头所得的时程脉动曲线截取一段长2s 的时程(采样间隔为0.04s)进行快速离散傅里叶变换得到其相应的频谱分布如图17所示.由图17可知,被检测出来的前六阶频率值分别为 1.5Hz ,2.5Hz ,3.5Hz ,9Hz ,10.5Hz ,11.5Hz ,其中f = 2.5Hz 的模态频率与早期用加速度传感器测量所得模态频率2.7Hz 相接近.图16给出脉动位移的峰值达到 1.5mm ,这比一般混凝土结构的脉动位移大得多.5 结论 根据本文研究,可以得出以下结论:1)本文方法的硬斑点条件是满足散斑相关的必要条件,试件表面斑点只要满足硬斑点条件,由散斑相关性就可测出位移场.2)本文对散斑图像采用M atlab 程序来完成滤波和二值化过程,试验结果表明,对具有良好二值化倾向的散斑图像,采用M atlab 中值滤波窗口默认值和二值化默认阈值即可以获得良好的二值散斑图像,不会影响散斑重心坐标的提取.3)本文提出的测量方法适合于现场非接触测量,而且易于实现测量自动化.影响该测量误差的因素包括摄像机系统的像差和色差,CCD 数字化系统的光电噪声等.如能采用精度、分辨率和采样频率更高的数字摄像系统,则可进一步提高该方法的测量精度.4)本文采用散斑图像相关数字技术测量轴心受压的圆形钢管混凝土试件的位移全过程为探索采用非接触的方式测量构件变形提供了一种新的测试手段.试验表明它是一种有效的力学测量方法,适用于面内的变形测量.5)本文采用散斑图像相关数字技术以远距离、非接触的方式监测在役的新加坡大酒店戏水大厅的空间网架屋面结构,脉动位移的结果表明,散斑图像相关数字技术作为一种无损检测方法用于检测结构的脉动反应是可行的,为结构的动力特性测试和结构的安全监测与评价等提供了一种新的测量手段.本试验为散斑图像相关数字技术走出实验室应用于具体工程结构监测提供了一个有利的例证,充分说明了它的工程实用性.417第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 参考文献:[1] Yamag uchi I.Speckle Displacement a nd Defo rmation in the Diff ractio n a nd Imag e Fields fo r Small Ob-jec t Defo rmation [J ].O pt .Ac ta ,1981,28(10):1359-1376.[2] Pe ters W H,Ra nso n W H .Digital Imaging T ech nique in Ex perimental M echanics [J].Opt.Eng.,1982,21(3):427-431.[3] 高建新,周辛庚.变形测量中的数字散斑相关搜索方法[J].实验力学,1991,6(4):333-339.[4] 芮嘉白,金观昌,徐秉业.一种新的数字散斑相关方法及其应用[J ].力学学报,1994,26(5):599-607.[5] 束永生,伍小平.CCD 高精度位置检测重心算法的傅里叶分析[J].实验力学,1995,10(1):31-37.[6] 何小元,衡伟,高卫.远距离、高精度二维动态位移测量[J].实验力学,1996,11(4):468-472.[7] 张东升,于起峰等.高速摄影胶片的数据自动分析研究[J ].实验力学,1997,12(3):389-393.Principles and Applications of SpeckleImage Correlation Digital TechniqueSHAN Bao -hua,OU J in-ping ,ZHAO Ren-xiao,M A Shi-ying(Harbin Institute of T echnolog y ,Scho ol o f Civ il Enginee ring ,Har bin 150090)Abstract:The applica tion of imag e processing technique in speckle interferometry is studied and a speckle image co rrela tion digital technique is presented in the paper.This m ethod in-troduces a sub-pix el technique and adopts the barycenter alg orithm to co mpute the ba rycen-ter o f characteristic speckle ,w hich can av oid the co mplex process of com puting the co rrela-tion coefficient in digital speckle m ethod;ex perim ental disto rtio n curv e fo r the m easured ob-ject ca n be o btained through the related fo rmulas o f displacem ent and strain.The ex perim ent results indica te that the method has g ood perspectiv e for applicatio n in engineering environ-m ent ,vibration process a nd disto rtio n measurement automation .Key words :image correlatio n;characteristic speckle;imag e pro cessing;barycenter algo-rithm;CCD 418 实 验 力 学 (2003年)第18卷 。
散斑计量5╱实验力学课件
O2 0a2
O02b2
O0a2O0b2
exp(ia2
ib2 ) exp(ib2
ia2 )
1. 在考察点处变形前后子散斑场是相关的 2. 散斑位移远小于散斑大小
O0a1 O0a2 O0a , O0b1 O0b2 O0b
I1 I2 2O0aO0b cos(a1 b1) cos(a2 b2 )
散斑照相的记录过程中，散斑仅仅起物点位置标志的 作用。 因此可以用人工方法在试件表面制作散斑（表面斑 化）。 用双曝光常规照相记录散斑在试件变形前后的位置变 化，得到双曝光散斑图。 上述双曝光散斑图可以用前述激光散斑的逐点或全场 分析方法得到试件表面的表观位移分布。
散斑计量术
人工（白光或非相干光）散斑照相:
散斑计量术
人工（白光或非相干光）散斑照相:
Ka sin 0 cos Kb sin 0 cos
相关条纹方程：
u m 2sin
相关条纹为面内位移沿照明平面分量的等值线，
其灵敏度为
(2sin )
散斑计量术
剪切散斑光路：
ua u , ub u u
Ka Kb K
条纹方程:
u
K
m
条纹为位移增量在灵敏度矢量方向分量的等值线，反映了沿剪切 方向位移导数的分布信息。
(K u) Ka ub Kb ub m
散斑计量术
双光束散斑干涉:
典型光路：
麦克尔逊光路：
此时，Ka Kb 0 0 2
ua
ua
va
wa ,
ub
ub
vb
wb
相关条纹方程为：
W m 2
相关条纹为试件表面离面位移等值线， 其灵敏度为半波长。
散斑计量术
激光散斑数字相关法测量微小位移
两种方法的比较ຫໍສະໝຸດ 通过对测量数据分析,发现这两种方法均可以实现对面 内微位移进行测量,但是这两种方法各有特点。干涉法中散 斑图的质量是决定测量结果的重要因素。在实验中发现物 体表面粗糙度对条纹间距会产生直接影响。在实验中也发 现,位移量大小对实验结果有很大的影响,位移太小和太大都 直接降低了条纹质量。相关法根据物体发生位移前后的相 关性进行测量的。实验条件容易实现,而且实验精度也较高。 但是在相关法测量中发现散射基元大小会对测量结果产生 一定的影响,位移量较大时,散斑会产生一定的变形,这对测量 是有很大影响的。
激光散斑数字相关法测量微小 位移
指导教师——张毅 答辩人——刘桐
选题背景
散斑现象普遍存在于光学成像的过程中，很早以前牛 顿就解释过恒星闪烁而行星不闪烁的现象。由于激光的高 度相干性，激光散斑的现象就更加明显。最初人们主要研 究如何减弱散斑的影响。在研究的过程中发现散斑携带了 光束和光束所通过的物体的许多信息，于是产生了许多的 应用。例如用散斑的对比度测量反射表面的粗糙度，利用 散斑的动态情况测量物体运动的速度，利用散斑进行光学 信息处理、甚至利用散斑验光等等。激光散斑可以用曝光 的办法进行测量，但最新的测量方法是利用CCD和计算机技 术，因为用此技术避免了显影和定影的过程，可以实现实 时测量的目的，在科研和生产过程中得到日益广泛的应用。
实验原理
实物光路图
实验仪器
实验图样
Matalab编程
程序源代码
相关度运算
定标结果
毛玻璃每移动0.05mm对应散斑位移30个像素点
实验中遇到的问题及解决办法
问题：测量中发现散射基元大小会对测量结果产生一 定的影响,位移量较大时,散斑会产生一定的变形,这对 测量是有很大影响的。 解决办法：在定标时分别测定几个不同位移，当出现 相关位移为0时，将该数据除去，反复测量，求平均值。
激光散斑测量(中国科大实验讲义)
高斯光束的传播公式
高斯光束过程中光束轮廓为绕Z轴旋转的双曲面
( z ) z (1
z w
0
z0 ) 2 z
2
w
2
2 0
(z) w
2 0
(1
z 2 ) 2 z0
高斯光束特性图解
R(z)z处波面曲率半径
W0=0.2244mm
z
准直距离 Z0=2W02 / =499.99mm
高斯光束经透镜后的变换
2W01
2W02
d1
d2
w d a ( ) ( f f f d d f CD是Charge-coupled devices的缩写
CCD的空间分辨率与每个 象元的尺寸和间距以及传输 mA/W 过程有关，本实验中大约为 14微米。 暗电流（主要由热产生） 很高的光电灵敏度， （CCD器件必须避免强光照 射。同学们在每次采样完毕 后应及时合上光窗或挡住 光）。 光谱响应 度
400
1050 波长/nm
实验中的光路参数
2w
2w01
He-Ne
2w02 CCD
d1
d2
p1
p2
实验目的
1)测量散斑的统计半径(通过计算散斑场各点光强 的自相关函数并拟合求出)
P S W
2)测量散斑的位移(通过计算两个散斑场各点光强 的互相关函数并寻峰求出)
P x dx( ) (P )
He-Ne Laser
透镜
客 观 散 斑 场 毛玻璃
CCD
PC
激光的产生
激光工作物质被激活(光、电能等)后产生粒子数反转， 发生受激辐射，能使光得到放大。光在由两片高反射 率的镜片和激活物质组成的谐振腔之间多次的反射形 成激光输出。
激光散斑实验报告
一、实验目的1. 了解激光散斑成像原理和实验方法；2. 掌握激光散斑成像系统操作和数据处理；3. 分析实验结果，验证激光散斑成像技术在图像处理中的应用。
二、实验原理激光散斑成像技术是一种非接触、非侵入性的成像技术，通过分析激光照射在散射介质上产生的散斑图案，可以得到散射介质的二维速度分布图。
实验中，利用激光照射被测物体，被测物体表面反射的光线经过散斑形成，通过图像采集系统获取散斑图像，进而进行图像处理和分析。
三、实验仪器与材料1. 激光散斑成像系统：包括激光器、分光器、透镜、光电倍增管等；2. 被测物体：具有一定速度分布的物体；3. 图像采集卡、计算机、图像处理软件等。
四、实验步骤1. 连接激光散斑成像系统，调试激光器；2. 将被测物体放置在实验平台上，调整物体位置和角度；3. 开启激光器，调整激光束的入射角度和功率；4. 启动图像采集卡，记录散斑图像；5. 利用图像处理软件对散斑图像进行预处理、滤波、边缘检测等操作；6. 对预处理后的图像进行散斑分析，得到二维速度分布图；7. 分析实验结果，验证激光散斑成像技术在图像处理中的应用。
五、实验结果与分析1. 实验过程中，激光散斑成像系统能够稳定地获取散斑图像；2. 通过图像处理软件对散斑图像进行预处理，去除噪声和干扰；3. 对预处理后的图像进行散斑分析，得到二维速度分布图；4. 实验结果表明，激光散斑成像技术在图像处理中具有较高的准确性和可靠性；5. 激光散斑成像技术可以应用于生物医学、材料科学、工业检测等领域。
六、实验结论1. 激光散斑成像技术具有非接触、非侵入性、快速成像等优点，适用于多种场景下的图像处理；2. 通过实验验证，激光散斑成像技术在图像处理中具有较高的准确性和可靠性；3. 本实验为激光散斑成像技术在图像处理中的应用提供了实验依据。
七、实验注意事项1. 实验过程中，注意调整激光器功率和入射角度，确保散斑图像质量；2. 对散斑图像进行预处理时，合理选择滤波方法和参数，以去除噪声和干扰；3. 在散斑分析过程中，注意选择合适的分析方法和参数，以提高二维速度分布图的准确性。
三级大物实验报告-激光散斑的测量
实验题目：激光散斑测量实验目的：通过对激光散斑大小的测量，了解激光散斑的统计特性，学习有关散斑光强分布重要的数据处理方法。
实验器材：氦氖激光器，双偏振片，全反射镜，透镜 ，毛玻璃，CCD ，计算机。
实验原理：激光散斑是由无规散射体（实验中为毛玻璃）被相干光照射产生的。
散斑场按光路分为两种，一种是在自由空间中传播而形成的客观散斑（本实验研究的情况），另一种是由透镜成象形成的主观散斑。
散斑的大小、位移及运动变化可以反映光路中物体及传播介质的变化。
试验中用的是激光高斯光束，其传播时光场的等振幅线在沿光路方向为双曲线。
光斑最细的位置为束腰。
激光经过凸透镜时其偏角会变化，会产生新的束腰。
毛玻璃离透镜的距离改变时，照在其上的光斑半径也随之改变。
实验是通过用计算机测量散斑的变化来算出光路中毛玻璃的移动情况。
激光散斑光强分布的规律由相关函数来描述。
自相关函数为：G （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ(x 2,y 2) 〉归一化后为： 其中： 互相关函数为：G C （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ’(x 2,y 2) 〉归一化后为： )](ex p[1),(222Sy x y x g ∆+∆-+=∆∆})](/1[ex p{})](/1[(ex p{1),(212212S P P d y S P P d x y x g y x C ρρ++∆-++∆-+=∆∆WP S πλ/2=其中实验数据（原始数据纸质提交）： N s x /像素 s y /像素 1 8.54 7.94 2 7.62 7.95 3 7.59 7.51 4 8.46 8.28 5 7.77 8.35 6 7.70 7.91 77.747.87))(/1(12P P d x x ρ+-=∆实验装置图 1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 D 7.计算机123 4 5 6735cm30cm15cm55cm数据处理：（1）理论值计算：由公式：2101)(πλd w =得激光管口处腰束半径为：mm E w 2244.01415926.398.632*25.001==-=由2'2012'11''2)()1(d fW f dd f f λπ+---=得mm E 55.53)4328.6*502244.0*()506501(6505050d 2222=-+---=π 由公式：2'2012'120102)()1(fW f d W W λπ+-=得：mm E W 01726.0)50*4328.62244.0*()506501(2244.0222202=-+-=πP1=150-53.55mm=96.45mm)(479.110328.6/01726.0/42202mm W a =⨯⨯==-πλπ)(126.1)479.1/45.961(01726.0)/11()1(2/1222/12202mm a p W p W =+⨯=+=)(47.96)45.96/479.11(45.96)1/1(1)1(2222mm p a p p =+⨯=+=ρ)(0984.0)126.1/(55010328.6/42mm W P S =⨯⨯⨯==-ππλ ∆x 和∆y 计算:(这里d ξ=0.06mm)∆x = d ξ (1 + p2 / ρ(P1))＝0.06×(1 + 550/ 96.47)mm ＝0.4021（mm ） ∆y= d η (1 + p2 / ρ(P1))＝0mm （2）实验值计算：S1＝(Sx ＋Sy)/2=(8.55+7.95)/2=8.25 (像素) S2=(Sx ＋Sy)/2= (7.62+7.95)/2=7.78 (像素) S3=(Sx ＋Sy)/2= (7.59+7.51)/2=7.55 (像素) S4=(Sx ＋Sy)/2= (8.46+8.28)/2=8.37 (像素) S5=(Sx ＋Sy)/2= (7.77+8.35)/2=8.06 (像素) S6=(Sx ＋Sy)/2= (7.70+7.91)/2=7.80 (像素) S7=(Sx ＋Sy)/2= (7.74+7.87)/2=7.80 (像素) S8=(Sx ＋Sy)/2= (7.78+7.69)/2=7.74 (像素) 则S ＝0.014*(S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8)/8=0.014*(8.25+7.78+7.55+8.37+8.06+7.80+7.80+7.74)/8=0.1109mm则照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为：mm E S P w 9990.01109.0*4328.6*5502=-==ππλ ∆x =0.014*(36+36+37+37+37+35)/6=0.5087mm 毛玻璃的平均实际位移量mm P P x d 076.047.96/55015087.0)(112=+=+∆=ρξ误差分析：1）试验中求得毛玻璃的平均实际位移量为0.076mm ，照在毛玻璃上的光斑半径理论值为0.0984mm ，而实际测得为0.1109mm 。
实验报告 激光散斑
实验报告勾天杭 PB05210273题目：激光散斑测量目的：了解单光束散斑技术的基本概念，并应用此技术测量激光散斑的大小和毛玻璃的面内位移。
原理：激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（laser Speckles）或斑纹。
氦氖激光器(本实验中用长250毫米的内腔式氦氖激光器， =632.8nm)的光束穿过各个元件的通光口径的中心。
光学元件有：双偏振器（用来调节光强），透镜（用来改变激光束的发散角），毛玻璃（用来产生散斑）。
接收器件采用CCD器件，由CCD器件采集的光强信息经过采集卡（插在计算机的插槽内）进行AD变换，由模拟信号变成数字信号，再显示在计算机屏幕上，此数字信号同时存入计算机软盘或硬盘上便于数据处理。
由于激光器的结构决定了激光输出为高斯光束，本实验所用的氦氖激光器输出为束腰在激光器出射孔处的高斯光束。
其束腰大小为：πλdW 01= （1） 它经过透镜后其高斯光束会发生变换，在透镜后方形成新的高斯光束。
2'2012'11''2)()1(d f W f d d f f λπ+---= 2'2012'120102)()1(f W f d W W λπ+-=(2)由（2）可以计算高斯光束经过透镜后的束腰位置d 2和大小w 02经过透镜后的高斯光束射到毛玻璃上的光斑大小W 可以由计算氦氖激光器的高斯光束的传播特性得到：2/1220)/1()(a Z W Z W += （3）)/1()(22Z a Z Z +=ρ （4）其中λπ/20W a =这里Z=P 1，而P 1=透镜到毛玻璃的距离-d 2，W 0=W 02。
再由W P S πλ/2= (5)可以求得散斑的统计半径S 。
由 ∆x = d ξ (1 + p2 / ρ(P 1)) ∆y= d η (1 + p2 / ρ(P 1)) 可求出∆x 和∆y 1像素=14μm数据及处理：光路参数：P 1+d 2=15cm P 2=55cm d 1=70cm f ’=5cm d=250mm λ=632.8nm2'2012'11''2)()1(d fW f dd f f λπ+---=；πλd W 01=201W d πλ=''121221''12222010222222101120221d 15(1)()5701559.6159527339.61670 2.5155111f d f cm P d d f fcm cmP cm cm cm cm cm cm cm cm d W W d d W d f f f f W da d d f f λππλπλ-=-=--+-=-+=≈⎛⎫⎛⎫-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭==⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫-+-+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭==⎛⎫⎛⎫-+ ⎪ ⎝⎭⎝22222221121 2.50.01447770 2.51550.014477()19.61619.6169.616cmcmcm cm cm cm a cm P P cm cm cm P ρ==⎛⎫⎛⎫-+ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎭⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+=⨯+≈ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭619.747746ii SS ===∑像素=136.46838μm照在毛玻璃上激光光斑的平均半径2=632.8nm 55cm 3.14134.46838824.29P w m m Sλμμπ=⨯÷÷= m d d i iμξξ422.3167.30661===∑=像素毛玻璃的平均实际位移量 m cmcm mP P d x μμρξ85.62616.9/5513.422)(112=+=+=∆本实验中，调整光路是最关键的一步。
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数字散斑相关法（DSCM）测量物体面内位移
一． 实验目的
1． 了解和掌握DSCM测量物体面内位移的方法和技术；
2． 学会用DSCM方法测试试件的面内位移。
二． 实验器材和装置
实验试件为方形橡皮。试验器材有：光源、CCD、图象卡、监视器、计算机及软件。光
源为白光，由光纤灯产生。计算机及软件主要由图象采集、相关运算、数据处理等软件模块
组成。实验装置和光路如图1所示。
图1 数字散斑相关方法测量示意图
三． DSCM的基本原理
如图1所示，当白光照射到橡皮粗糙表面时，形成随机分布的散斑，用CCD记录散斑
图。物体表面的散斑随着物体的变形而运动，分析变形前后的散斑图，得到散斑沿U和V方
向的相对位移，既物体沿横向和纵向的相对变形。变形前后的两幅散斑图存在相关性。在变
形不大的情况下，物体表面的散斑场的灰度变化可以忽略不计。设（x，y）是变形前的一点，
（x*，y*）是变形后的相应点，两者的关系为：yvyxvxvyyyuyxuxuxx**
用函数F（xi，yi）表示变形前某一点（xi，yi）处的灰度值，G（x*I，y*i）表示变形后
对应点（x*I，y*i）处的灰度值，由概率与数理统计理论可知，两者的相关系数为：
2
ssssssmimjjimimjjimimjjijigyxgfyxfgyxgfyxfC11211
2
11
,,
,,
其中0≤C≤1；C=1时两者完全相关；C=0时两者完全不相关。分母分别为两者的均方
根，分子为两者的相关矩，f和g分别为iiyxf,和iiyxg,的平均值。只要两者相关，则以
位移为变量的相关函数C(u, v)曲面为一单峰曲面。当位移U, V分别固定时，C则为一正态分
布曲线。
四． 实验内容
1． 光路A。调整光路，将试件中间两倍高度以上的区域放入CCD视场中，在三点
弯曲试验过程中采集散斑图，分析三点弯曲过程的材料的变形规律。
2． 光路B。调整光路，放大视场，仅取试件中部下方的微小区域（宏观上为可也认
为是一点）。采集三点弯曲过程中的散斑图，计算V场，此时V场的平均值近似
等于试件的弯曲挠度f，则试件的弯曲弹性模量Ef为：
fhbLPEf334
式中： ΔP——载荷与挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N；
Δf——对应于ΔP的试件跨度中点处的挠度增量，mm；本实验用V值代替。
L——跨度，mm；
b——试件宽度，mm；
h——试件厚度，mm。
五． 实验步骤
1． 把试件在加载装置上固定好。
2． 按图1摆好光路。调试光路要求成像清楚，可用带字的纸张成像来判断。
3． 用图象采集卡采集并存储不同载荷级次下的散斑图（*.bmp）。
4． 把刻度尺贴近试件表面，刻度图片（scale.bmp）。得到象素和毫米间的换算关系。
5． 打开DSCM分析软件。
6． 打开需要计算的两幅散斑图，一幅为变形前的散斑图；另一幅为变形后的散斑图。
7． 用鼠标在变形后的散斑图上选定一个矩形计算区域，或者通过输入左上角和右下
角两点的坐标（象素）来选定计算区域。选择X、Y方向的步距，一般为40，
20，10等几种。
8． 点击计算。程序将对计算区域内以步距为大小的微小子集自动进行相关计算，计
3
算完成以后，在下面的状态栏可以看到计算的点数和计算的时间。保持数据*.txt
文件，其中五列数据（以象素表示），依次为坐标X、坐标Y、U值、V值、C
值。
六． 实DSCM实验报告要求
1． 采用数字散斑相关软件计算光路A的散斑图，得到U、V位移变形场。画出U
场、V场，说明三点弯曲过程的变形规律。
2． 采用光路A得到的U、V位移变形场，分析、计算试件的三点弯曲应变场：εx、
εy。
3． 采用数字散斑相关软件计算光路B的散斑图，得到V位移变形场。计算V场的
平均值，作为试件三点弯曲变形的挠度f值，求试件的弯曲弹性模量Ef ，并从
材料手册上查找该材料的弯曲弹性模量，给出相对误差，分析误差来源。