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.     

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.     

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。     

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.     

数字散斑相关方法的建筑力学分析应用研究进展

 数字散斑相关方法,作为固体材料表面变形测量方法,是一种全场、无接触、高自动化和高精度的光学变形测量方法,与其他变形测量方法相比,具有灵敏度高,测量准确等一系列独特的优越性,在建筑工程变形测量及力学分析中得到较快的发展。本文阐述了数字散斑方法的基本原理,重点综述了数字散斑方法在混凝土、沥青材料、硅酸盐水泥、复合材料、负泊松比防爆材料等建筑材料以及混凝土结构、桥梁结构、岩土结构、木质结构等建筑结构力学行为测量与分析中的应用进展,总结并展望了数字散斑方法在未来建筑材料与结构在服役过程中有效监测的应用前景与发展趋势。随着数字散斑相关方法的测量精度与速度大幅提升,结合光纤技术与计算机模拟等方法,建筑材料与结构三维实体的微观力学行为有望实现全方位实时监测。     

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.     

基于数字散斑相关方法的微位移测量

介绍了数字散斑相关方法的基本原理,利用模拟散斑图分析了3种常用亚像素算法的性能.根据数字散斑相关方法测量微位移的特点,采用爬山搜索法进行整像素搜索,采用计算量小、计算精度高的基于梯度的算法进行亚像素搜索.利用千分表和数字散斑相关方法对有机玻璃梁试件三点弯曲中心挠度进行了测量,并与有限元计算结果进行了比较.结果表明,数字散斑相关方法测量微位移的实验系统是可靠的,在此基础上测量了试件加载位置附近区域的全场位移.     

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。     

DSCM中摄像机光轴与物面不垂直引起的误差分析

该文研究了数字散斑相关方法(DSCM)中由于摄像机与被测物面不垂直而引起的误差。首先从成像原理上进行分析,得出当位移和偏差角度比较小时,误差分别与它们成线性关系。为验证这一结论,提出了引入摄像机成像模型的数字模拟散斑图像生成方法;采用数字散斑相关方法,对模拟散斑图像进行计算,计算的结果与理论分析的误差公式结果非常吻合。基于数字散斑相关测量灵敏度为0.01像素,要求不垂直度或被测平面的平面度应小于5,°这也是二维数字散斑可否用于曲面测量的判据。     

一种对薄板焊接全场变形的图像测量方法

为解决焊接过程中由于高温高亮而使焊件变形难以测量的问题,采用改进的数字图像相关法和双目立体视觉对金属薄板焊接全场变形进行测量。对弱相关图像匹配的解决方法和数字图像相关的算法进行分析,并通过去噪和分段基准保证弱相关图像的正确匹配:首先,使用高斯平滑对原始图像进行去噪处理,消除焊接强光干扰;然后,采用分段建立基准的方法解决了焊点区域因散斑质量下降而出现的难以匹配的问题。对Newton-Raphson算法的二阶梯度矩阵进行简化,提高相关计算的速度。在测量实验中,首先对板料表面进行预处理与散斑制备,然后在氩弧堆焊(TIG)过程中利用高速相机拍摄板料焊接及冷却自由变形的全过程,最后计算所有图像中变形点的位移,获得板料特别是焊缝区的全场变形数据。研究结果表明:将此方法应用于焊接变形测量,能得到整个焊接过程中任意点的变形曲线,并且可在高温焊缝区获得准确的变形趋势。测量结果可用于分析影响焊接变形的因素,进而对焊接变形实施控制,也可用于检验焊接变形数值模拟方法的正确性。     

数字图像相关的不锈钢真实应力应变关系测量

工程上广泛应用的名义应力应变曲线,在材料发生大变形时,由于应力和应变不再沿着试件均匀分布,因而不能真实反映材料在塑性阶段的本构关系。在不锈钢标准板的拉伸试验中连续采集试件散斑表面的数字图像,采用数字图像相关技术对序列数字图像进行相关运算以获得其每个变形状态下的变形场,得到了整个拉伸过程中试件的变形形态。以光学虚拟引伸计的方法分别测量横向和竖向的实时应变数据,结合体积不变理论计算得到真实应力应变曲线。采用Johnson-Cook材料模型对真实应力应变曲线进行拟合,得到了塑性本构关系;最后根据以上实验结果和真实应力应变曲线获取了材料的力学特性参数。实验结果表明了基于数字图像相关方法对不锈钢真实应力应变关系测量的有效性和可靠性,对实验结果的真实应力应变曲线后处理,获得不锈钢材料的弹性模量为169 GPa,屈服强度为236.8 MPa,并获得了Johnson-Cook简化模型的所有三个参数A、B和n的数值。     

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...     

数字散斑相关技术在扫描电镜三维重构中的应用

将数字散斑图像相关技术应用到扫描电镜的三维重构中.首先,用扫描电镜获取试样的立体像对,应用立体摄影测量技术计算出高程.分别用显微硬度压痕实验数据和体积不变原则,对三维重构计算结果进行了验证,完成了对刀具磨损面的三维重构和成分分析.结果表明:扫描电镜三维重构与验证结果相吻合,基于数字散斑相关的扫描电镜三维重构技术可以准确...     

CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验

为研究数字体图像相关法(Digital volume correlation,DVC)测量孔隙类岩石内部三维变形场的可行性,利用X射线CT扫描获取孔隙岩石(中砂岩,红砂岩和油砂岩)的数字体图像,采用虚加变形的数字实验方法得到变形体图像,由DVC法得出测量值并进行比较分析.研究表明:孔隙类岩石内部结构可以作为散斑结构,应用DVC法计算内部变形,不同的结构特征,影响着DVC法的精度与准确度;油砂岩内部结构作为散斑结构时,具有较高的精度,其次是红砂岩,中砂岩;给出了评价三维散斑结构的指标-平均灰度梯度,平均灰度梯度值越大,相应的以该散斑结构进行DVC法计算时,所得精度与准确度也高;采用数字实验的分析孔隙岩石内部结构对DVC法计算精度的影响是一种简单易行的方法,其结果有助于实验方案的制定.     

数字图像相关位移场测量的误差补偿

数字图像相关方法中，位移场测量的误差大小与算法的迭代次数通常成反比，要获得较低的误差，必须增加迭代次数，从而增加了计算量；而非迭代的方法误差相对较大。为解决这一问题，提出了一种基于BP神经网络的误差补偿方法。选择基于非迭代光流法的位移场测量方法为算法模型，详细分析了该算法本身存在的截断误差，以模拟散斑图的位移测量值及其误差为数据集，用训练好的神经网络误差预测模型对测量结果进行补偿。实验验证结果表明，补偿后的位移测量误差相较原来总体下降了50%左右，测量误差的统计分布也显著下降。     

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。     

基于DIC-边缘检测的大尺度测量技术研究

为研究和完善大尺寸测量技术,提出了将数字图像相关方法与边缘检测相结合的大尺度测量技术.首先,在待测结构表面待测点上粘贴预制散斑图,将结构分为若干段;然后,通过数字图像相关方法计算相邻测点间像素距离;再通过边缘检测计算边界部分像素距离;最终将像素距离转换为实际结构尺寸.本文还对大型机械进行测量,实验结果表明该方法可以实现大尺寸结构测量,也为大尺寸测量技术提供了一种新的思路.     

显微图像相关处理原理及其应用

基于图像识别原理,对数字散斑相关方法做了新的理论探讨,通过分析散斑位移及其导数对变形前后显微图像相关性的影响,对相关算法进行简化和改进,提出了相关识别法,大大减少了相关迭代的计算时间。图像预处理有助于提高图像的相关性。典型的实验证明了该方法的可行性、准确性。     

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。     

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.