高速三维数字图像相关系统及其动载三维变形测量

基于双目立体视觉、高速摄影和数字图像相关方法,用两台高速相机搭建了可用于观测结构动态三维变形的高速三维数字图像相关测量系统.介绍了测量系统的原理及实验过程中需要注意的细节,用该测量系统进行了两个动载下三维变形观测的实验:摆锤冲击铝板实验和霍普金森杆冲击石墨圆柱实验,得到了受冲击铝板的动态离面位移场演化和石墨圆柱试件横向变形的三维位移场.     

多相机数字图像相关在变形灌浆套筒单向拉伸试验中的应用

为研究钢筋套筒灌浆连接的受力性能,建立了适用于大曲率复杂曲面变形测量的多相机数字图像相关系统,并利用此系统对一种变形灌浆套筒进行了单向拉伸试验,跟踪测量了套筒表面的全场变形信息.结果表明:多相机数字图像相关系统能够完整重建灌浆套筒的三维形貌,并获得套筒表面任意位置的变形状态,包括传统应变片方法难以测量的套筒变形段凹槽处变形;将套筒表面应变分布规律与应变片测试结果和有限元分析结果进行对比,证实了多相机数字图像相关系统的可靠性.多相机数字图像相关为研究灌浆套筒的连接性能提供了直观且全面的新试验手段,也为大曲率复杂曲面的三维形貌与变形测量提供了有效的测试方法.     

数字图像相关技术的一些进展

中国科学技术大学光力学实验室近年来专注于数字图像相关方法的原理研究和应用拓展,有效提升该方法测量精度和计算速度的同时,在数字散斑标准化、二维补偿技术、生物医学工程以及锯齿型塑性屈服等领域取得了一系列研究成果.本文拟对课题组的研究进展做一个概述:(1)提出了局域变形下形函数误差的理论模型与估计算法,建立了保证测量精度的子区尺寸选取准则;提出了计算速度是传统算法两倍的二阶反向高斯牛顿算法;研究开发了三维数字图像相关高效算法、基于反向迭代算法的左右系列变形图匹配的优化策略,开发出三维数字图像相关通用软件包和硬件系统,为国内高校、研究所和工程单位提供了有效的科研分析方法和工程测量手段.(2)揭示了插值偏差的深层机制并发展了实验测量手段,提出了综合考虑系统误差和随机误差的散斑质量评价标准,建立了散斑尺寸优化的理论模型.(3)发展了基于预标定的二维数字图像相关补偿技术.(4)建立了实时的颅颌面手术导航系统;研发了具有高时空分辨率的脉搏测量系统,推动了传统中医的数字化和科学化.(5)通过高速数字图像相关技术首次观测到剪切带的萌生、演化过程,证明了带外收缩现象的存在;通过相互正交的两套数字图像相关系统首次观察到厚度方向的应变局域化现象.(6)基于数字散斑相关方法实现了振动和应变的高精度实时测量.     

基于自标定数字图像相关技术的榫卯构件大面积全场变形测量

为了实现榫卯构件大面积全场变形测量,采用散斑自标定方法对三维数字图像相关测量系统进行标定.该方法直接利用被测表面的散斑信息标定得到三维数字图像相关系统中2个相机的相对姿态,无需使用特制的平面标定板.对比测量实验结果表明,普通三维数字图像相关系统与自标定三维数字图像相关系统的面内位移测量相对误差分别为0.2%和0.3%,离面位移测量相对误差分别为0.5%和0.6%,两者精度基本一致.采用散斑自标定方法可使大视场、远距离条件下双目系统标定更加灵活可行.将所提方法应用于木结构榫卯构件的大面积变形测量,可以更加方便可靠地获得构件的变形分布、掌握构件破坏过程中的变形情况.     

三维目标定点跟踪方法

提出了一种基于模型的线组合目标跟踪方法。该方法将三维目标前Ｋ幅二维正投影图像作为模型与当前二维投影图像相结合求取一组系数，从而通过解线性方程求得目标上任一点在当前二维正投影中的位置。这种方法首次解决了三维目标跟踪中的平移、尺度和旋转不变性及大面积遮挡问题，实现了对目标的任意点作为瞄准点的定点跟踪。     

一种用于尺寸测量的数控二维测量装置

现代制造业对测量装置提出了如何更快地适应产品规格型号变化带来的测量系统快速调整的要求.文章介绍了一种满足这种要求的用于尺寸测量的数控二维测量装置,该装置具有结构紧凑、控制方便、大量程和高精度的特点,易于在自动测试系统中实现敏捷测量.     

基于数字图像相关理论的非接触式 结构位移测量方法

为实现结构的位移及挠度测量,开展了基于数字图像相关算法的亚像素位移测量研究.采用改进初值的亚像素算法确定待测结构目标位置的基于像素的位移,利用相机标定方法将基于像素的位移转换为工程单位.在数字图像处理技术的基础上对编写的程序进行数值仿真试验,位移计算结果与理论值吻合良好,验证了该程序测量精度的可靠性.搭建视觉位移测量系统,为了验证该系统的有效性,对钢框架结构模型开展了视觉测量系统和激光位移计的对比试验;研究了相机与待测结构之间的距离对视觉测量系统精度的影响.利用该系统测量消防通道桥梁的跨中挠度,结果表明,视觉测量系统具备非接触、低成本和便于实施远距离测量等优势,可实现以毫米级精度进行结构位移测量.该测量方法在工程结构变形测量中具有较好的应用前景.     

基于数字图像相关理论的非接触式结构位移测量方法

为实现结构的位移及挠度测量,开展了基于数字图像相关算法的亚像素位移测量研究.采用改进初值的亚像素算法确定待测结构目标位置的基于像素的位移,利用相机标定方法将基于像素的位移转换为工程单位.在数字图像处理技术的基础上对编写的程序进行数值仿真试验,位移计算结果与理论值吻合良好,验证了该程序测量精度的可靠性.搭建视觉位移测量系统,为了验证该系统的有效性,对钢框架结构模型开展了视觉测量系统和激光位移计的对比试验;研究了相机与待测结构之间的距离对视觉测量系统精度的影响.利用该系统测量消防通道桥梁的跨中挠度,结果表明,视觉测量系统具备非接触、低成本和便于实施远距离测量等优势,可实现以毫米级精度进行结构位移测量.该测量方法在工程结构变形测量中具有较好的应用前景.     

多台测量机器人在自动化监测中的开发应用

针对地铁隧道狭长单台测量机器人难以完成监测任务的问题,利用测量机器人在自动变形监测上的优势,开发地铁隧道自动化变形监测系统.采用多台自动全站仪进行自由设站,构成监测网;相邻测量机器人之间通过测量公共点联系,利用地铁隧道两端站台的稳定基准点和原始观测数据对多测站转换参数进行整体平差,并对监测点高程进行球气差改正,实现地铁隧道自动化监测数据的高精度处理.给出系统硬件及监测方案,并在同济大学测量馆的走廊和地铁10号线龙柏新村隧道进行了试验.结果表明,监测系统实现了自动采集监测数据、计算机和测量机器人之间的数据通讯、数据的自动存储和处理,能够准确、实时地得到监测结果,独立完成无人值守的自动变形监测任务.试验结果显示,在一般观测环境下,系统精度达到亚毫米级,即使在隧道中也能达到毫米级.     

基于机电控制可重组模块的工业控制训练平台开发

采用模块化机械单元结构进行可重组模块的工业控制训练平台的开发,平台的各模块间可灵活组合,通过控制系统PLC程序设计实现各机械单元的单独功能或多单元组态功能.该设备功能多样,一台设备同时具备多台传统相关实训装置的功能,可实现自动化生产线装置控制功能、三轴运动控制装置功能、立体仓库控制功能等,可用于各高职院校机电类专业实践教学.     

基于MATLAB的二维数字图像信号频域分析仿真

平移特性和旋转特性是二维数字图像信号傅立叶变换的重要性质,而图像信号的频谱是二维数字图像频域分析的重要内容。本文利用MATLAB仿真软件,给出了基于MATLAB的二维数字图像信号频域分析仿真实例,说明了MATLAB不仅可以将抽象的理论形象化,而且可以促进学生对教学内容的理解和掌握,提高学生的工程实践能力。     

一种改进的图像盒子维计算方法

分形维是图像的一种有用的特征,在许多领域中用于图像纹理分析、分割以及分类.盒子维方法由于其实现简单,成为估计图像分形维最常用的一种方法,但是该方法存在计数精度不高、稳定性较差等问题,为此提出了一种新的盒子维估计算法.首先对数字图像的离散灰度曲面进行适当插点补充,使插点后的曲面相对更接近连续的情况,使得在最小尺度下也能实现对不同图像的区分.然后直接采用最小尺度下的盒子数估计分形维,不进行拟合.该算法简单、直观、易于实现.实验结果表明,该方法具有更好的估计精度和稳定性.对于一些特殊测试图像,如尖峰脉冲图像,仍能得到合理的估计值.另外,由于本方法不需要计算多个尺度下的盒子数,因此计算量也相对较小.     

微型二维扫描镜的原理性实验研究

为满足激光扫描装置微型化的要求,设计了一种微型二维扫描镜,能够通过反射激光束实现二维扫描.对这种结构建立了理论模型,分析了2个方向上的扫描频率和最大扫描角;对微型二维扫描镜原理样机进行了实验研究.结果表明:2个一维扫描频率分别为170.1Hz和378.8Hz;同时施加这2种谐振频率的激励时,可实现该扫描镜的二维大角度偏转;2个方向上的最大扫描角随激励位移的增加而变大;在10 μm驱动位移的激励下,该微型二维扫描镜可达到大于30°×20°的扫描范围.     

基于标志点的多相机数字图像相关方法精度分析及土木工程中的应用

为实现土木工程构件的高精度全场变形测量,分析了基于标志点的多相机测量方法的实际精度,并将该方法用于BFRP筋海水海砂珊瑚UHPC组合梁的抗弯实验.利用编码标志点对多套双目系统的结果进行坐标统一,并通过引入拼接误差un对多相机测量结果的坐标统一精度进行定量评估分析.实验结果表明:面内位移量较小时,拼接误差un基本等同于双目系统自身的匹配误差水平,随着位移量增大,un随之增大;拼接误差的标准偏差σu始终在0.01 mm内波动,且位移量最大时拼接误差的均值u-与实际位移的相对误差仍小于0.03％,多套测量系统的坐标系统一精度满足工程需求;对于混凝土组合梁的全场位移和应变场的测量,局部位移数据与位移计数据基本吻合.多相机数字图像相关方法可以大幅提高变形测量分辨率,适合在大型土木工程构件变形测量中推广运用.     

基于网格点扩散的二维DIC连续变形测量方法研究

为提高数字图像相关法（digital image correlation, DIC）测量二维连续变形时的计算效率，本文在种子点扩散法的基础上提出了网格点扩散法，实现了二维区域连续位移场以及应变场的高效测量；通过反向组合高斯牛顿法（inverse compositional Gauss-Newton method, IC-GN）实现相关匹配，结合网格点扩散以及三次样条插值得到位移场；研究多项式拟合平滑去噪方法，计算得出格林-拉格朗日应变场；对比分析网格点扩散和传统逐点相关匹配算法的计算速度以及位移测量精度。计算结果表明：本文中所提出的网格点扩散法在保证测量结果准确的同时极大地提高了计算效率。     

基于Lorenz混沌系统的数字图像加密算法

鉴于传统图像加密技术和低维混沌加密技术各自的局限性,将Lorenz混沌系统与数字图像置乱技术相结合,设计了一种基于三维混沌系统的数字图像加密算法.首先,对系统输出的实数值混沌序列进行预处理;其次,以此实数值混沌序列直接构造图像置乱索引矩阵;最后,以8×8块为单位实现数字图像的空域加密.分析与仿真结果表明:预处理后的实数值混沌序列具有更强的伪随机特性,更理想的相关特性;三维混沌系统有更大的密钥空间,使算沣法具有很强的抗破译性和抗攻击性;系统三维输出的同时利用,可实现三个或多幅图像的并行加密,提高了算法的加密效率.     

基于数字图像相关的力学测试系统设计与应用

针对电测方法需在试件表面粘贴应变片及单点测量局限,将数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)引入到材料力学性能测试分析中。设计二维DIC系统,并将其应用于三点弯曲沥青混凝土梁的变形和应变全场测试。根据应变云图,可以直观地观察到弯曲正应变沿梁横截面线性分布的特点。实验结果表明,DIC方法可以实现变形和应变分布的全场非接触和准确测量,可为土木工程试验提供可靠的测试手段。     

变形测量的数字图像相关分析法

变形测量的数字图像相关分析法高建新通过变形形态函数的引人，将数字图像（散斑）相关搜索方法进一步推广，提出了数字图像相关分析法。在本方法中，原本对位移及其各个导数分量独立进行的相关迭代，变为对变形形态函数的系数进行相关迭代，从而既简化了迭代过程，又实现...     

浅析GIS对航道整治决策支持系统

本文开发了基于GIS和二维水流泥沙数学模型的航道整治决策支持信息系统。该系统实现了对航道相关资料的查询、显示及管理,在a航道D E M上任意划分断面图、进行任意区域的河道冲淤分析。     

相关观测噪声的加权观测融合UKF滤波器

对于具有相同观测方程,相关观测噪声的非系统,应用无迹卡尔曼滤波器(UKF),以及加权最小二乘(WLS)法,提出了加权观测融合UKF滤波算法.该算法具有全局最优性,且没有增加观测系统的维数,进而没有增加系统的计算负担.一个带有相关观测噪声的两传感器非线性系统的仿真例子说明了该融合算法的有效性及等价性.