iCorrVision-3D：基于Python的开源数字图像相关软件（第2部分）

软件X 19（2022）101132原始软件出版物iCorrVision-3D：用于面内和面外测量的集成式基于Python的开源数字图像相关软件（第2部分）João Filhoa，Luiz Nunesa，José Xavierba巴西里约热内卢Rua Passo da Pátria，156，Bloco E，Sala 210，24210-240 Niterói，bNOVA大学NOVA科学技术学院机械和工业工程系UNIDEMI天气-里斯本，葡萄牙ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年3月29日收到收到修订版，2022年5月24日接受，2022年保留字：三维DIC基于子集开源软件Pythona b st ra ct这项工作提出了一个开箱即用的基于Python的开源3D数字图像相关（3D-DIC）软件，用于面内和面外全场测量，由iCorrVision-3D表示。该软件包括一个集成的立体图像采集卡，立体校准，数字立体相关和后处理模块。主要目标是为用户提供一个完整的集成3D-DIC系统用户可以通过直观的图形界面轻松控制所有重要的DIC设置参数例如，通常不对用户开放的插值策略和相关技术可在iCorrVision-3D中进行修改。该软件可广泛应用于工程中。结果表明，iCorrVision- 3D软件在重建物体的3D形状和评估被测试样的离面全场位移版权所有©2022作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本V1.04.22用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00076代码海洋计算胶囊法律代码许可证GNU GPL v3.0使用GIT的代码版本控制系统使用Python 3.8的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性提供了requirements.txt文件如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/jcadf/iCorrVision_3D/tree/main/UserGuide问题支持电子邮件joaocadf@id.uff.br，luizcsn@id.uff.br，jmc. fct.unl.pt1. 动机和意义数字图像相关（DIC）是一种非接触式光学方法，目前已在实验固体力学中建立[1]。虽然二维DIC（2D-DIC）可用于提取给定机械或热载荷下的平面试样的面内全场测量值，但三维DIC（3D-DIC）可用于评估规则和不规则表面的面内和面外全场测量值自20世纪80年代初提出*通讯作者。电子邮件地址：joaocadf@id.uff.br（João Filho）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101132在过去的几十年里，它一直在不断改进[2]。在光学系统的硬件方面实现了几项技术进步，并提高了基于图像的算法性能。此外，最近开发了非常规的基于单相机的光学布置以降低3D-DIC相关成本[3这种非接触方法可以在几个工程应用中实施，例如材料表征[7]、样品变形均匀性评估[8-考虑到3D-DIC，开发了大量的科学工作来提取经受拉伸[16]、剪切[17]、压缩[18 ]、断裂[19]和断裂[19]的样品的平面外全场图。2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxJoão Filho、Luiz Nunes和José Xavier软件X 19（2022）1011322Fig. 1. iCorrVision-3D软件的工作流程。和疲劳试验[19]，并进行样本的3D重建[20]。在过去的十年中，已经开发和改进了几种专有的闭源软件，以处理二维和三维DIC测量。例如，可以突出显示相关解[21]、GOM[22]、MatchID[23]、LaVision[24]、Dantec Dynamics[25]和Eikosim[26]。此外，在科学界有大量的开源2D-DIC解决方案用于面 内 全 场测 量 。 例 如 ， 数 字 图 像相 关 引 擎 （ DICE ） [27] 、NCorr[28] 、 py2DIC[29] 、 µDIC[30] 、 RealPi2dDIC[31] 、ADIC2D[32]、[33][34][35][36][ 37][38][39][39]][39][最近开发的。考虑到面外测量，可以突出DICE[27]、ADIC3D[37]和MultiDIC[38]开源项目然而，到目前为止，构建完全可定制的开源3D-DIC系统的努力很少此外，一些可用的3D-DIC开源软件通常是在许可平台上编写的（例如，Matlab[37，38]），限制了无法负担如此昂贵许可证的开源用户的使用近年来提出了低成本的3D-DIC系统[3-此外，如本工作的第一部分（iCorrVision-2D，SoftwareX，2022）中所述，用户通常无法通过图形界面修改主要DIC例如，内插策略和相关算法在开源和闭源DIC软件中都不可用。用户必须有很高的编程技能，开发和修改源代码，在开放源代码软件上实现插值和相关算法。为了解决这些问题，iCorrVision-3D已经开发出了作为一个新的开箱即用的开源3D-DIC软件。这是一个易于使用的软件，被认为是直观的新用户。集成的模块可以保持整个立体DIC项目（抓取器，校准，相关性和后处理）从立体图像采集到结果可视化此外，所有主要DIC设置都可以修改，包括插值算法、相关函数和标准、位移平滑以及并行运行相关所需的线程数量。事实上，该软件是第1部分工作的延续，其中介绍、测试和验证 了 开 源 iCorrVision-2D 软 件 （ iCorrVision-2D ， SoftwareX ，2022）。通过iCorrVision- 3D软件，用户可以执行几个基于DIC的测试，以重建3D形状并评估平面和非平面样本的平面内和平面外全场测量。2. 软件描述iCorrVision-3D开源软件采用Python计算语言开发，包括前端和后端结构。该软件是围绕Python中可用的知名开源和免费库构建的比如说，OpenCV[39]和Matplotlib [40]分别用于图像处理和可视化。采用Tkinter[41]构建直观的用户友好图形界面。创建了四个内置模块（立体抓取器、立体相机校准器、立体相关和后处理），所有主要设置均可进行修改。每个模块都压缩在可执行文件中，以克服安装问题。但是，对于习惯于虚拟环境开发的Python用户，可以使用需求文本文件。2.1. 软件构架构建iCorrVision-3D软件以覆盖3D-DIC测量的整个工作流程，即：，从图像采集到结果可视化，如图所示。1.一、为此，本文开发了四个集成模块：（1）立体图像采集模块，在该模块中采集一系列图像对（2）立体标定模块，用于提取获取的图像集的内外参数，对获取的图像集进行三维重建和镜头畸变校正;（3）立体数字图像相关模块，进行立体相关和时间相关;（4）后处理模块，负责对应变图进行评估。后者首先出现在iCorrVision-2D中，用于执行平面内数据的后处理。根据这项工作，该模块进行了更新，以符合面外测量。2.2. 软件功能在接下来的章节中，iCorrVision-3D软件的每个模块的功能将通过所有必要的理论背景得到适当的解决。2.2.1. 捕捉器模块图图2展示了开源立体图像采集模块，即所谓的iCorrVision-3DGrabber。用户可以修改不同的采集参数来定义视场（FOV）、曝光时间和频率（FPS）。立体声对的获取可以被配置为捕获具有不同时间步长的初始状态，以在实验测试开始时获得更多信息。主网格线和次网格线可以被激活，以帮助正确的相机镜头位置-安装和校准，以避免装配错误。此外，翻转检查可用于在主摄像机（左）和从摄像机（右）之间切换。该模块使用pypylon库[42]构建，Basler相机用户可使用该库在硬件（相机）和软件（iCorrVision-3D Grabber）之间进行通信。但是，对于其他相机制造商，该项目可以逐步扩展。João Filho、Luiz Nunes和José Xavier软件X 19（2022）10113232[客户端]2[][]XXS1M12CC12121DC21231C211 221221 2c=相关后的5× 5像素2的单元大小双三次样条是[客户端]⎡2.2.2. 立体校准模块图二. iCorrVision-3D抓取模块。（十c）2. 由于失真系数完全取决于摄像机镜头光学系统的标定是体视相关分析的第一步。iCorrVision-3D软件包括一个集成校准模块（iCorrVision- 3D校准），该模块是根据Zhang [43]提出的校准方法使用OpenCV图像处理库[39]使用iCorrVision- 3D校准模块可以估计进行镜头畸变校正和重建3D形状所需的内在和外在相机参数。使用给定校准图案的捕获的立体对来的优点这里是提供一个集成的开源校准，在照相机透镜组中，这些系数也属于照相机的固有参数。可以看出，应该为立体装备中的每个摄影机执行此过程。使用全局Levenberg-Marquardt优化算法来估计相机参数立体外部参数（R和t）可以通过如下R=R R−1和（3）套件，以避免使用许可和第三方平台，进行校准分析，减少对编程技能的依赖。应该记住，给定3D材料点在相机传感器p xc， xc，1T上的无失真投影P=[xw，xw，xw，1]T可以表示为：11t=ts−RsR−m1tm，（4）其中下标m和s分别表示主（左）和从（右）相机使用iCorrVision-3D Grabber模块，可以捕获给定校准图案的立体图像柔软的一、二、三sp=Kc[Rc|tc]Pw，其中Kc=fcγccc0f2 cc0 0 1、（1）针对棋盘校准图案类型构造WARE然而，其他校准模式可以在未来重新添加。租赁，如点网格校准模式。主要原则在于找到棋盘图案中的顶点，其中下标和上标c表示照相机镜头set（m表示主设备，c表示从设备），sc是比例因子，Rc和tc是旋转矩阵和平移向量（外部参数），分别将世界坐标系（WCS）转换为相机坐标系（CS）和Kc 是相机内禀矩阵fc和fc是以像素为单位的焦距，cc和cc使用3D世界中的每个材质点来计算内在和外部参数图3显示了iCorrVision-3D校准模块。考虑到棋盘校准图案类型，棋盘大小和x11和x22方向上的顶点数可用于修改。校准文件（.csv格式）1 21可以生成包含旋转矩阵（R）或矩阵（R）的等式2。是以像素为单位的主点（光学中心）的坐标γc是偏斜因子。上标c表示相机索引。为了进行准确的标定，标定模型中必须考虑镜头的非线性光学畸变透镜畸变可以通过用畸变的归一化坐标xdc， xdcT替换像点坐标xc， xcT来补偿，如下所示：角度（θ，φ和θ），可由用户选择。此功能对于促进不同DIC软件之间的直接对话非常重要2.2.3. 相关模块iCorrVision-3D Correlation模块在此如下[xdc]=（1+k r2+k r4+k r6）[xc]图4示出了iCorrVision-3D软件的立体相关模块的界面。所有主要DIC设置均适用于修改，包括插值策略，通常是径向畸变2p xc xc+p（r2+2（xc）2）1开源和闭源软件中的黑盒帽子-在使用KB因子进行相关之前，可以调整经调整的图像的此外，相关系数中的相关峰值+np（r2+2（xc）2）+2p xcxcn，（二）矩阵可以通过使用ker的ka因子进行内插。切向畸变其中kc、kc和kc是径向失真系数，用于两种插值策略。此外，Corre-也可以由用户选择策略增量策略直接解决，以减少计算成本C12 3 1p2是切向畸变系数，r2 =（x c）2 +[44]这是一个很大的错误或者，科. 3D-DIC对应于2D-DIC方法的扩展João Filho、Luiz Nunes和José Xavier软件X 19（2022）1011324（）−x = Rx − t，（6）图三. iCorrVision-3D校准模块。见图4。 iCorrVision-3D相关模块。可以选择空间策略以将相关误差减轻到标准下限，然而，当与增量策略相比时，计算成本可能显著更高。立体和时间相关被构造为并行运行以减少计算时间，并且用户可以调整分配的处理器的数量。然而，软件会自动识别可用处理器的数量。在参考图像（i 0）中执行立体相关（在左图像和右图像之间），并且在使用相同相机透镜组（即，左图像或右图像）。用户还可以选择OpenCV图像处理库[39]中可用的相关函数和相关标准。可以使用立体相关的输出来执行3D重建，该立体相关的输出以像素为单位来表示每个相机帧上的2D点的位置和位移。在3D-DIC中，现有的主要三维重建方法包括最小二乘法（LSM）、最优 法 （ OM ） 、 中 点 法 （ MM ） 和 几 何 最 优 法 （ GOM ） 。iCorrVision-3D Correlation模块使用LSM执行基于三角测量原理的3D重建。采用该方法是因为其计算效率高，精度与文献[45]中研究的其他方法（OM、MM和GOM）相似。3D重建的主要原理是通过求解以下方程组将WCS与主（MCCS）和从（SCCS）相机坐标系xw=[（MTM）-1MT]b，（5）其中xw是WCS中的点（用MCCS书写），M和b是通过使用iCorrVision-3D校准模块校准获得的内在和外在参数的函数。有关更多信息，请参见参考文献[45]。可以看出，结果写入WCS或MCCS（左侧相机）。然而，同样重要的是在样品坐标系中重写结果，由SPCS表示这可以使用给定的引用转换来sp1wspsp其中xsp是SPCS中的点，Rsp和tsp分别是WCS和SPCS之间的旋转矩阵和平移向量2.2.4. 后处理模块面外后处理包含在第1部分中介绍的iCorrVision后处理模块中（iCorrVision-2D，SoftwareX，2022）。应强调的是，处理面外测量的后处理是在与面内后处理模块相同的计算基础下使用应变窗口和局部拟合回归的概念构造的最终用户可以选择最合适的拉格朗日多项式形函数（双线性或双二次）来拟合应变窗口内的面内和面外全场位移。从这个新版本中，可以计算3D重建和经受实验测试的样品的平面外全场位移（x33方向）。数据存储在世界坐标系（WCS）和样品坐标系（SPCS）中。因此，用户不需要为结果的可视化执行进一步的坐标变换。João Filho、Luiz Nunes和José Xavier软件X 19（2022）1011325±×××±=-图五、（ a）考虑ROI（780 × 2138像素2），（b）通过iCorrVision-3D评价的3D重建图和（c）圆柱体表面的3D表示。3. 说明性示例iCorrVision-3D软件可用于大量应用中，以获得物体的3D重建，并评估样本的平面内和平面外位移图。进行实验静态测试以重构具有已知尺寸的圆柱体的3D形状（52. 20. 025 mm直径）。这里的目的是通过立体相关来估计圆柱体的直径。捕获一个立体对以执行立体相关，并且获取100个棋盘校准图案的立体对以执行系统校准。可以使用iCorrVision-3D Grabber模块和适当的采集参数捕获立体图像对。一款6.1英寸的iPhone 11（苹果公司，USA）与（1792 828像素2-物理大小为140. 六十五六十四。99mm2）用于显示具有10 7个控制点（角点）的合成校准图案，该控制点具有6 mm的规则正方形尺寸。iCorrVision-3D校准模块用于生成要在相关模块中使用的校准文件图图5（a）示出了位于给定圆柱体的中间部分处的所考虑的ROI。使用iCorrVision-3D相关模块执行立体相关，考虑到立体相关的参考子集大小（RSS S）为27个像素，立体相关的搜索子集大小（SSS S）为401个像素，并且子集步长（ST）为2个像素，没有位移滤波。使用插值因子kb2和ka40配置插值策略图图5（b）示出了圆柱体的3D形状重建，并且测量的直径等于52。2006年0。1290 mm由iCorrVision- 3D后处理模块获得。因此，相对误差为0。0012%。可以注意到，iCorrVision-3D软件可以在ROI域以很高的精度重建给定对象的形状，如图所示。5（c）.除了该示例外，附录A中还使用Stereo-DIC挑战的合成和实验数据集进行了几项验证和基准测试[46]。需要可用的案例研究来认证新的3D-DIC软件，并根据国际数字图像相关协会（iDIC）提出的新挑战更新项目。这些测试也应被视为拟议软件的说明性示例4. 影响当试样发生面外位移或目标表面不完全平坦时，严格建议使用3D-DIC光学方法而且也可以用来重建物体的3D形状。大量的应用程序包括插入学术和工业/商业工作场所的几个工程领域。在科学界有一些开源的3D-DIC软件。其中，几乎没有一个允许集成的工作流程与完整的内置模块负责图像采集，校准，相关性和后处理。通常，3D-DIC开源用户不得不使用其他开源软件或许可解决方案来执行立体DIC测量。在iCorrVision-3D软件中，通过允许完整的3D-DIC工作流程解决了这个问题。iCorrVision-3D可以根据每个测试完全定制，因为所有主要DIC设置参数都可以由用户从GUI进行修改，包括达到子像素级别的插值策略。大量的科学项目可以从该软件中受益，iCorrVision-3D软件可以推广3D-DIC测量。此外，开源算法可持续发展，以优化现有模块，并建立新的特性和功能，以改善iCorrVision-3D。5. 结论iCorrVision-3D是一款开箱即用、完全可定制的开源3D数字图像相关（3D-DIC）软件，可用于提取3D重建并评估样本的面内和面外位移图。这种集成的基于Python的解决方案（立体抓取器、立体校准、立体相关和后处理模块）的开发旨在将整个DIC测量分析保持在相同的计算链下，而无需使用其他软件进行图像采集、校准和可视化。所提出的软件可以用于工程中的几个应用程序，并应协助3D-DIC测量在大量的研究领域的推广。例如，已经有一些工作正在使用iCorrVision-3D开发关于纤维增强软生物组织的材料表征。作为最后一句话，高精度校准模型的实现和不同校 准 模 式 的 兼 容 性 应 在 未 来 的 工 作 中 得 到 解 决 ， 以 提 高iCorrVision-3D软件的精度。竞合利益提交人声明，以下经济利益/个人关系可被视为潜在的竞争利益：Joao Filho报告说，João Filho、Luiz Nunes和José Xavier软件X 19（2022）1011326高等教育人才培养的协调。何塞·泽维尔报道说，科学技术基金会提供了财政支持。资金这项工作是由科学和技术基金会（FCT-MCTES）在PTDC/EMD-EMD/1230/ 2021（动脉瘤工具）和UIDB/00667/2020（UNIDEMI）项目下创立的。此外，这项工作得到了巴西Coordenação de Pessoalde Nivel Superior（CAPES）的部分资助-财政代码001。致谢作者感谢科学和技术基金会（FCT-MCTES）在PTDC/EMD-EMD/1230/2021（AneurysmTool）和UIDB/00667/2020（UNIDEMI）项目中提供的支持，以及巴西政府资助机构CAPES（巴西）、FAPERJ（巴西）和CNPq（巴西）提供的支持。附录A. 补充数据iCorrVision-3D的验证和基准测试软件见Validation_iCorrVision3D.pdf。与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101132上找到。引用[1] 放大图片作者：J. 图像相关的形状，运动和变形测量：基本概念，理论和应用。Springer;2009.[2] 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