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基于荧光偏振分像的多翅翼结构三维全场测量.docx
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基于荧光偏振分像的多翅翼结构三维全场测量.docx
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摘要
昆虫飞行过程中,翅翼会出现扭转、弯曲、卷翘等交叠现象,各个翅翼间相互遮挡,导致传统
光学测量无法直接分辨其飞行姿态。针对透明膜翅的相互遮挡问题,提出基于荧光偏振分像
的三维数字图像相关方法,进行多翅翼结构的三维全场变形测量,解决翅翼遮挡的动态测量
问题。根据偏振成像原理,采用反射镜、偏振镜与分光棱镜组合的分光光路,实现单个偏振
相机测量单色翅翼的三维形貌;结合荧光散斑的光谱特征,在各个相互遮挡的翅翼上制作不
同散斑荧光,利用带通滤波片分离各个翅翼上特定光谱的荧光散斑,实现多个翅翼的独立成
像和同步测量。开展等厚度薄板相对面形貌、变形的测量实验,标定多个相互遮挡面的测量
精度。测量昆虫(知了)翅翼交叠的不同形态,给出了任意相互遮挡翅翼的三维姿态,验证测量
方法的可行性。
Abstract
During insect flight, some overlapping phenomena such as torsion, bending, and warping
will appear in the wings, which makes the wings shielded from each other and thus leads
to hard discrimination of the flight attitude by traditional optical measurement. To realize
the dynamic measurement of mutual occlusion of transparent membranous wings, this
paper proposed a three-dimensional (3D) digital image correlation method based on
fluorescence polarization imaging to measure the 3D full-field deformation of multi-wing
structures. According to the principle of polarization imaging, the 3D morphology of a
monochromatic wing can be measured by a single polarization camera in the presence of
a splitting optical path integrating mirrors, polarizers and a splitting prism. Depending on
the spectral characteristics of fluorescent speckles, different fluorescent speckles were
fabricated on different wings that were shielded from each other, and a band-pass filter
was used to separate the fluorescent speckles of specific spectra on them, which
enabled the independent imaging and synchronous measurement of multiple wings.
Firstly, the measurement experiments of the relative surface topography and deformation
of the sheet with equal thickness were carried out to calibrate the measurement accuracy
of multiple mutually shielded surfaces. Further, the different overlapping forms of insect
wings (cicadas) were measured, and the 3D profile of any mutually shielded wings was
given to verify the feasibility of the measurement method.
1 引言
仿昆虫设计的扑翼型微型飞行器因其速度快、航程远、可悬停等优势从众多微型飞行器中
脱颖而出,受到航空学家的重视。精确测量知了、蜻蜓等昆虫翅翼结构的运动和变形等动力
学特性,对探索其飞行控制、动稳定性和高升力机制具有重要意义,也是进一步设计高性能
微型扑翼飞行器的基础
[1-3]
。
昆虫飞行过程中,翅翼常常出现扭转、弯曲、卷翘等交叠现象,各个翅翼间相互遮挡,导致传
统的非接触光学测量方法无法直接观察并分辨各个翅翼的飞行姿态,这为昆虫翅翼结构的动
态测量带来挑战。为了精确测量昆虫的运动和变形,Wang 等
[4]
用投影栅线方法给出了蜻蜓
飞行的轨迹、身体姿态等参数,但其只针对翅翼没有交叠现象的飞行姿态进行重构; Fry 等
[5]
用三台高速相机测量了果蝇的拍动角、攻角及抬升角随时间变化的关系,其将被测翅翼视为
刚性平板,忽略了翅膀柔性膜结构的变形特征; Walker 等
[6]
用四台高分辨率的摄像机测出了
自由悬停飞行食蚜蝇翅膀上有限点(22 个)的变形;Chen 等
[7]
将银片粘贴在蜻蜓翅翼上作为
标记点,测试了单只蜻蜓翅翼的固有频率和振型,而附加的银片质量无疑会对蜻蜓固有参数
测量产生负面影响。随着研究的深入,人们逐渐意识到发展一种非接触变形测量方法,对相
互遮挡柔性膜翅翼进行全场测量具有重要意义。
数字图像相关方法(DIC)通过比较运动和变形前后物体表面的散斑特征来达到追踪目标区域
的目的,是近年来光测实验力学领域最为活跃的一种全场变形测量方法,在科学研究和工程
应用方面备受关注
[8-12]
。三维数字图像相关方法(3D DIC)
[9-12]
通常由双相机和光源组成,是一
种基于双目立体视觉原理和相关匹配技术的测量方法,能够重构物体的三维形貌、测量三维
变形,因此,在昆虫翅翼的全表面变形测量方面具有潜力,同时针对相互遮挡结构的同步测量
也存在挑战。目前,代祥俊等
[13]
采用电子散斑干涉与数字图像相关方法相互结合,给出透明平
板厚度变化的测量结果;Li 等
[14]
采用四个相机对拉伸构件的前后表面进行同步测量,拟合出试
样的厚度应变;Dong 等
[15]
采用数字图像相关方法结合荧光散斑给出氟塑料空心管外部变形
和空心管内部纤维状态的同步监测,而被遮挡的内部纤维变形却没有测量;胡振兴等
[16]
采用三
维数字图像相关方法结合纳米荧光颗粒先后给出显微结构上、下表面的三维形貌,在更大视
场测量或变形同步测量方面存在局限性。
本文拟采用荧光偏振分像的三维数字图像方法,实现昆虫多翅翼结构的三维全场测量,解决
翅翼遮挡的动态测量问题。利用偏振成像原理,采用反射镜、偏振镜与分光棱镜组合的分光
光路,实现单个偏振相机测量单色翅翼的三维形貌和变形;结合荧光散斑的光谱特征,在各个
相互遮挡的翅翼上制作不同的散斑荧光,并利用带通滤波片分离各个翅翼上特定光谱的荧光
散斑,实现各个翅翼的独立成像和同步测量。
2 基于荧光偏振分像的三维数字图像相关方法
2.1 荧光散斑
散斑是数字图像相关方法的信息来源,是数字图像相关方法测量结果一致性和正确性的保障
[17-18]
。按照发光形式,散斑也可分为漫反射散斑和主动发光散斑。漫反射散斑依靠纹理本
身、黑色涂料和白色涂料的反射率不同,形成较高黑白对比度的散斑图案。自然散斑、一般
的人造散斑都以漫反射散斑为主,这也是目前数字图像相关测量所采用的主流散斑。然而,
漫反射散斑图案在实际应用中存在一些问题:(1)如果被测物/散斑表面光滑,会出现镜面反射,
导致图像灰度分布不均匀或局部区域过曝,一些区域的形貌和变形难以获取;(2)一般情况下,
黑色涂料的反射率远小于白色涂料,反射率差异使得散斑图案的对比度不能达到最高的水
平,影响了测量的准确性和精度;(3)基于漫反射的黑白涂料形成的散斑通常覆盖试样全表面,
使得被测物表面/内部结构在测量过程中难以被观察到,部分力学性能测试将受到限制
[15]
;(4)
当试样外观有颜色、透明度变化时,制作的黑/白散斑,将导致测试时散斑图像的对比度发生
改变;(5)在同一被测物上制作散斑的物理尺寸相对单一,较难同时满足多个、不同视场的测
量需求
[19-20]
。基于上述五种情形,可以采用主动发光(荧光)散斑,以避免黑白涂料漫反射散斑
的局限性。
与漫反射散斑制作采用的原料黑白涂料不同,主动发光(荧光)散斑采用的原料为荧光颗粒
[21]
、荧光溶液、荧光油墨等,后续统一用荧光液表述。荧光液具有主动发光的性质,即用特定
波长(如:365 nm 紫外光)的激发光源照射荧光液,荧光液发出特定波长范围的色光。根据荧
光液本身性质,被激发出的色光可以有很多种,常见为蓝色,也有红色、黄色等其他颜色光。
在自然光下,荧光液本身可以是无色透明的,且被激发出的色光通常不受荧光液本身的颜色
和透明度影响。选择自身透明的荧光液,结合相应的散斑制作方法,可以制作荧光散斑。
在自然光下,荧光散斑透明不可见,试样表面(透明、纹理等)基本不发生改变;当激发光源照射
时,荧光散斑发射出特定波长光线,被相机靶面接收,而荧光散斑未覆盖处基本不反射或发射
光线,在成像图片上呈现出黑色。因此,相机采集荧光散斑图对比度相对漫反射散斑对比度
较高,且不受背景色影响。
荧光液被激发出的色光一般都有特定带宽:图 1 给出三种荧光液被紫外光激发出的蓝、黄、
红三种带宽范围。如果在相机靶面或镜头前加装特定波长的带通滤波片,可过滤与所发射波
长不相干的其他光,如图 1,三种特定的带通滤波片能够分离出蓝、黄、红三色,互不干扰。
这也为相互遮挡多翅翼的三维姿态测量提供思路:在各个翅翼上制作不同带宽荧光散斑,且
每种散斑的荧光色、带通滤波片一一对应,各个翅翼测量过程中散斑互不干扰,因而,各色散
斑可满足对应翅翼三维变形的测量需求。
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