基于数字图像相关的旋转叶片全场测量

为了解决使用相关算法难以匹配变形前后叶片大角度旋转的问题,基于数字图像相关,提出一种稳定的用于旋转叶片全场变形的测量方法。首先,针对图像序列中参考图像与变形图像的相关匹配,使用SURF算法得到被测表面旋转前后的特征点对。然后,利用特征点对将变形图像反向旋转变换后得到校正图像。接着,对校正图像和参考图像使用数字图像相关进行匹配。最后,将匹配得到的校正图像上的目标节点再进行正向旋转变换,即可得到原变形图像上的对应节点坐标。对旋转匹配策略进行数值模拟验证,并对高速旋转下的换气扇叶片位移场和应变场进行测量。研究结果表明:所提旋转匹配策略的校正精度为±0.007 5像素,结合数字图像相关法能够进行旋转运动的位移和应变的全场、精确测量。     

数字散斑相关方法的全场优化表述

从图像运动估计中的基本假设——灰度不变假设出发,用优化方法建立了基于整幅图像匹配的数字散斑相关方法(也称为数字图像相关方法)求解模型,即全场优化求解模型.从建立的全场求解模型出发可引申出常用的两类数字散斑相关方法的求解思路,即基于离散的子区匹配的数字散斑相关方法求解模型和基于有限元的数字散斑相关方法求解模型.从模型建立及求解分析中可知,位移表征模式是数字散斑相关方法求解模型的关键,不同的位移表征模式可构成不同的数字散斑相关方法求解方法.     

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.     

高温条件下物体面内位移的非接触式检测

应用数字图像相关方法对高温条件下物体面内位移场进行快速、高精度测量.采用532 nm面阵激光作为照明光源配合532 nm窄带滤波与可调式衰减片组成的光学处理系统,很好地解决了高温情况下成像难题.介绍了人工散斑的制作方法,采用耐1000℃高温的高温墨作为散斑的制作原料,制作了可在1000℃高温情况下清晰的利于图像相关计算的散斑图.搭建了高温条件下物体面内位移的检测系统,分别做了常温下亮度不同的千分尺移动位移检测实验和喷灯对钢板持续局部加热到1000℃热变形场的测量实验.实验结果证明本系统具有抗干扰能力强、计算精度高以及便于实现的优点,可用于常温及高温条件下物体位移或变形场的测量.     

高温数字图像相关方法中的制斑和图像处理技术

结合数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法高温应用的需求,该文重点对散斑制备技术和高温散斑图像处理技术进行了研究。首先,以高温结构材料为对象,研发了一种基于参数化模板的高温散斑制作工艺。该工艺基于参数化模板,可调整模板中散斑颗粒大小、分布密度和分布随机度等多个参数,成功地在C-SiC复合材料基底上制备出可耐1 200℃高温散斑载体。其次,分析了热气流、热辐射对DIC测量结果的影响,结合图像灰度平均方法、循环高温炉外热气流和光学滤波法等3种手段进行高温散斑图像的修正,并通过热膨胀系数测量实验验证了修正方法的可行性。     

筒形件焊接三维全场变形测量

针对传统测量方式难以实现焊接条件下筒形件全场变形测量的问题,提出一种筒形件焊接三维全场静态变形测量方法。首先,通过引入编码点坐标配准方法,实现不同变形状态下相同变形点的坐标统一;其次,提出一种基于深度搜索的相同变形点匹配算法,实现焊缝区弱变形点的成功匹配;最后,根据以上关键技术并借助VS2010开发环境,研制出三维全场静态变形测量系统。为验证该变形测量方法的可行性,设计并实施筒形件熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG)和激光焊焊接实验,并采用标定十字架进行精度验证实验。研究结果表明:该方法测得的变形测量精度为0.020 mm/1 m,能够实现筒形件焊接三维全场静态变形测量,具有非接触、高精度和显示直观等优点,可为结构件焊接三维全场静态变形提供一种有效的测量方法。     

数字散斑相关法在压力容器变形测量上的应用

数字散斑相关法具有非接触、精度高、适用于工程现场等特点,成为实验力学中一种有效的光学测试手段。该文简要介绍了数字散斑相关法的基本原理、特点和应用范围,概述了在压力容器变形测量方面的应用现状,随着相关配套和辅助技术的发展,数字散斑干涉法在测量压力容器变形方面在宏观和微观方面展现了新的技术突破：改进光学系统与加载方式可测量大面积的变形场,与高分辨率设备结合可进行结构微小形变的检测,而全场高温变形测量技术的发展进一步拓展了其适用环境。     

数字散斑相关法在陶瓷材料准静态破坏 行为研究中的应用

研究了引入高精度数字散斑相关法光学测量技术对A９５ 陶瓷材料在准静态压缩试验中的变形过 程,得到了该材料在压缩变形过程不同时刻的试件表面的全场位移分布,推导出应力应变曲线与材料的本构 关系。与传统方法相比较,数字散斑相关法所具有的非接触、高精度、全场测量等特点,避免了人为干扰,可 以对试件表面全场的变形进行研究。     

应力集中问题在力学实验教学中的改革创新

应用传统的电测法测量材料变形非常广泛,但在测量应力集中现象时,则显得力不从心。而数字散斑方法直接对物体变形前、后的两幅散斑图像进行相关运算处理,以提取散斑图中所携带的变形信息,能很好地反映应力集中场区的应变变化。对本科生开展利用数字散斑方法测量应力集中问题的实验专题,并和传统的电测法进行对比,让学生掌握这种全场、非接触式测量方法,体会该方法的优越性和便捷性,更好地理解和掌握应力集中问题。     

数字图像相关方法最优散斑尺寸

综合分析了图像灰度噪声和亚像素插值误差这两种最主要的误差源对数字图像相关方法位移测量精度的影响,并在此基础上建立了计算数字图像相关方法的总测量误差数学模型.在综合考虑这两种误差的基础上具体分析了散斑尺寸对数字图像相关方法的位移测量精度的影响,运用理论分析和数值模拟得到了不同参数下的最优散斑尺寸.研究结果表明,对于一定的测量参数而言,存在一个散斑尺寸的最优区间,在这个区间内的散斑越多,数字图像相关方法的位移测量精度越高.     

大型混凝土梁全场变形测量中数字散斑场的制作和应用

为了在大型试件表面制作高质量散斑场、保证数字图像相关测量时散斑场的一致性,采用具有操作简单、环境污染小、散斑质量高、易于重复等优点的水转印方法在大型钢筋混凝土薄腹梁试件表面制作优化数字散斑场.该方法将电脑生成的数字散斑场转印到试件表面,无需喷漆制作散斑场.实验结果表明,采用水转印方法制作的散斑场在测量精度、计算速度、抗噪能力方面均优于采用喷漆方法制作的散斑场.水转印方法适用于在混凝土表面制作高质量数字散斑场.采用该方法可以扩大数字图像相关方法使用范围,提高数字图像相关方法的测量精度.     

单轴压缩下松软煤样破裂损伤演化特性研究

为定量分析松软煤样在压缩过程中的破裂损伤演化特性,对自制正方体松软型煤进行单轴压缩试验,利用无损监测装置——声发射检测系统采集煤样内部损伤的声发射信号,使用非接触式全场应变测量系统采集煤样表面的数字散斑图像,讨论了单轴压缩下煤样的声发射振铃计数、能量与加载过程的对应关系,对比分析了有无预制钻孔煤样的声发射特征,运用数字图像相关方法统计了煤样表面散斑点数,提出了用以表征煤样内部损伤的以累计振铃计数为基准的振铃损伤变量,用以表征煤样表面损伤的以散斑数为基准的散斑损伤变量,获得了煤样损伤变量曲线。研究表明,无预制钻孔煤样声发射活动更加剧烈,能量幅度更高,钻孔的存在破坏了煤样的整体性,降低了煤样强度;声发射参数曲线与散斑数曲线均与煤样的加载曲线存在着分段对应的关系;振铃损伤变量曲线和散斑损伤变量曲线均可表示煤样的损伤演化过程,煤样内部和表面的损伤特征相互印证,综合分析更能准确的表达煤样的损伤情况。     

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...     

模拟散斑尺寸对数字图像相关算法影响分析

数字散斑测试精度的影响因素相对较多、精准控制难度较大,定量分析程度不足。为了提高数字散斑测试精度,文章通过模拟散斑的方法分析观测散斑尺寸大小对计算结果的影响。结果表明：随着散斑尺寸的增加,位移计算误差呈现先降后升的趋势,即散斑尺寸过大或者过小都不利于数字图像相关的位移计算,最优散斑尺寸为5～7像素。研究结果为数字图像相关计算的观测对象设计提供了数据基准,为实际现场监测的观测目标变形信息的精度提高提供了数据基础。     

DIC法在岩煤岩冲击破坏试验中的应用

为了研究岩煤岩组合体在冲击破坏过程中的全场应变和位移,利用霍普金森压杆对煤单体及岩煤岩组合体试件进行冲击试验.利用高速摄像机采集数据,运用数字散斑相关技术对岩煤岩组合体进行非接触式测量,用DIC软件对数据图像进行筛选和分析.试验得到应力应变曲线、全场应变散斑图和位移散斑图.试验结果表明,在冲击过程中岩煤岩组合体前期内部...     

数字图像相关中的裂纹变形测量方法

为了解决传统数字图像相关法(DIC)对变形较大的裂纹边缘测量时出现的裂纹底色导致匹配相关性差、测量精度低的问题,提出一种引入高斯加权系数的裂纹边缘变形测量方法。该方法首先根据灰度梯度平方和比较算法自动调节匹配子区的高斯中心点位置;然后,通过恒定位移填充模拟试验确定高斯加权系数中高斯标准差的适用范围;最后,对传统DIC的相关系数进行高斯加权,得到新的相关系数。将所提方法与传统DIC方法和种子点方法分别应用于数字散斑模拟图像的刚体平移试验和Q235试件单向拉伸试验,测量开裂过程中图像的位移,结果表明:传统DIC测量方法不能得到完整的裂缝边缘区域的位移场,而所提方法能够准确测量出完整的裂缝区域的位移变化;传统DIC方法的测量精度仅为0.05像素,而所提方法的测量精度可达到0.01像素;所提方法在高斯标准差为1～6.5像素范围内具有最佳的匹配精度。     

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.     

数字散斑相关方法在实验力学中的适用性

数字散斑相关方法是近些年来新兴的一门利用图像处理技术来计算物体的位移及变形的方法,具有全场测量、非接触、光路相对简单、测量视场可以调节、不需要光学干涉条纹处理、可适用的测试对象范围广、对测量环境无特别要求等优点,对此利用3个基本的实验,刚体平动、橡胶材料拉伸、三点弯梁实验,验证了数字散斑相关方法在大位移及变形测量中的适用性.     

基于小波多级分解的数字散斑相关搜索方法

为提高数字散斑相关方法(DSCM)的测量精度和计算速度,提出一种基于小波多级分解的数字散斑相关搜索方法。该方法利用二维离散正交小波技术对图像滤波去噪同时进行多级分解,从最低的一级开始进行相关搜索计算,然后逐级回溯。与传统的相关搜索方法相比,该方法可提高运算速度至少1个数量级并提高测量精度,有更强的适用性,可以对大位移、有噪声的图像进行数字相关位移场的处理。     

大变形测量数字图像的种子点匹配方法

针对数字图像相关方法中的大变形测量难题,提出了一种数字图像的种子点匹配方法.对于连续变形的图像系列,将图像子区划分后,选取其中任一子区作为种子点并进行相关匹配,根据相邻状态变形的连续性,提出了一种改进的整像素搜索方法,可保证种子点在大变形情况下仍能匹配成功.当种子点匹配完成后,根据同一状态相邻点变形的连续性,利用种子点的相关参数计算其4个邻近点的相关参数初值并完成匹配,按照同样的方法依次向外扩散,直至所有的点匹配完成.通过刚体旋转和单向拉伸实验表明,对于40°旋转图像的位移场以及高达113%的钢试件大变形,测量结果良好,具有较高的精度,证明了该方法的有效性.