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.     

斜拉索动位移实时测定方法研究和系统开发

基于单相机多测点动位移测定技术,建立斜拉索动位移实时测定方法.基于Lab VIEW程序开发平台,编制单相机测定多测点动位移的程序,开发斜拉索动位移实时测定系统.通过与激光位移计进行室内试验比较,验证该测定方法的有效性、多目标测定的实用性和测定结果的准确性,并讨论相机拍摄角度对于测量精度的影响.利用单相机多测点动位移测定系统对泉州晋江大桥的拉索动位移进行实桥测量,验证了该测定方法应用于实桥测试的可行性和有效性.     

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.     

基于改进Zernike矩的亚像素钻铆圆孔检测方法

在机器人自动钻铆系统中,高精度的圆孔视觉测量技术对制孔的定位精度和质量检测具有重要作用。为了提高钻铆基准孔和连接孔几何参数的视觉检测精度,该文首先基于Canny算子获取像素级边缘点集,实现圆孔中心坐标的粗定位;其次提取待测圆孔所在的感兴趣区域,利用4个Zernike正交矩准确推导了三灰度过渡模型的边缘参数;然后通过判断边缘参数和阈值的关系,计算圆孔边缘点的亚像素坐标;最后根据最小二乘原理实现圆孔中心坐标和半径的高精度检测。仿真结果表明,该算法的圆心坐标相对误差在0.01像素范围内,半径的相对误差精度为0.1像素。稳定性和抗噪性实验表明,该算法适应于不同尺寸的圆孔,并且对噪声的敏感程度较低。因此,该算法有效提高了钻铆圆孔参数的检测精度,在机器人钻铆视觉测量系统中具有重要意义。     

棋盘格图像角点坐标亚像素提取方法

针对基于视觉测量的物体位姿测量系统要求标定系统精度较高的需求,提出了一种自动识别和亚像素提取黑白平面棋盘格模板图像内部角点的方法.该方法在详细分析了棋盘格图像局部特性的基础上,建立了准确高效的改进SUSAN角点检测算法和精确的亚像素级提取角点坐标的方法,计算出总体标定误差为0.2个像素.通过实验验证了该算法的可行性和有效性,能够为高精度标定系统提供可靠数据.     

基于实测应变的典型热防护结构位移场实时重构

为了保证使役环境下高速飞行器结构的安全性,以高速飞行器典型热防护结构为对象,对其实时变形重构方法进行研究.将分布式光纤光栅应变测量技术与基于改进Ko位移理论的重构算法相结合,实现了基于实测应变数据的结构全场位移重构和演示.以四点弯加载工况下的典型热防护结构位移场重构为例,开展了数值仿真研究,验证了算法的精度;并进一步开展了典型热防护结构的四点弯试验,结合MATLAB程序和LabVIEW数据采集系统,实现了变载荷工况下结构底部金属板位移场的实时重构演示,并利用局部测点的实测位移验证了重构位移场的精度.试验结果表明:在非固支工况下,改进Ko位移理论能够重构出典型热防护结构全场位移,验证了基于改进Ko位移理论的重构算法在非固支工况下结构变形实时重构研究中的有效性和准确性.     

视觉测量系统的像点残余误差和紧密度分析

提出了视觉测量系统的像点残余误差和紧密度的精度评价方法,基于束调整算法推导了像点残余误差和紧密度的计算公式.测量实验表明,在大尺寸视觉测量中,采用本方法更有利于对测量作精度评价,便于工业测量应用.作为实例,对实验室控制场内测量点进行三维坐标测量,50 %的待测像点坐标达到0.13像素的精度,50 %的空间点坐标的紧密度小于0.024 %.这种精度评价方法特别适合于采用束调整算法的多站位视觉测量系统,可以伤脑筋为常规精度估算方法的补充.     

多点动位移数字图像相关法光测技术研究

动位移测量在诸多工程领域中有着大量需求,针对现有各种测量技术仍然存在着效率低、精度差、成本高等局限性。基于数字图像相关(digital image correlation, DIC)原理,建立了一套多点动位移高精度光测技术及系统。首先设计了一种基于同心圆的靶标专用图案,用于测点的自动识别及图像的自动标定,并通过对硬件配套软件SDK(software development kit)的二次开发,构建形成了可同时适用于无线和有线工业相机的硬件架构,最终开发形成多点动位移DIC光测软件系统。采用3等精度量块对该系统进行精度校准试验,结果表明该系统测量精度为0.01 mm,系统基本误差为0.05%,灵敏度为0.2%。进一步开展典型应用场景测试,发现该系统在低频振动测量时具备与高精度激光位移传感器相当的精度,而对于高频振动场景,采用高频率相机也可实现动位移高精度实时测量。可见该系统与激光位移传感器等相比有显著优势,可在实验室测量、工程现场测试等场景中推广应用。     

双像素压缩成像系统设计与实现

在深入研究单像素相机原理及结构的基础上,发现单像素相机存在固有的结构缺陷,需要预先测量和补偿操作,导致运算复杂、系统误差增大等问题.针对这些问题,对单像素相机结构进行改进,设计对称信号通路收集数字微镜器(DMD)阵列2个状态的反射光,然后将2路测量结果相减直接得到测量值.该方案简化了单像素相机的测量和计算过程,有效减少了系统误差;更为重要的是,双像素相机的测量矩阵相当于三值伪随机测量矩阵,相对于单像素相机的二值伪随机测量,可大大提高信号重建精度.基于双像素压缩成像系统方案,采用上海辛同公司开发的数字微镜阵列,搭建了成像系统硬件平台并进行测试,验证了系统的有效性.     

隧道衬砌裂缝的远距离图像测量技术

针对远距离数字照相所采集的隧道衬砌裂缝图像自身特点,结合实验数据拟合标定曲线的相机标定方法,采用图像增强预处理、循环迭代法裂缝区域提取、数学形态学修整、亚像素边缘检测等图像处理手段,提出隧道衬砌裂缝识别及宽度量测新算法.经室内试验验证,当拍摄距离小于8m时,算法精度较高,裂缝宽度量测误差一般小于0.40mm;根据现场实际情况可知,该算法误差最大为0.37mm,最小为0.08mm,平均误差为0.20mm,满足工程测量的要求.     

基于机器视觉的柔性机械臂振动位移测量

 针对传统的振动位移测量方法中,间接测量法误差较大、准确度较低,而直接测量法虽能达到精度,但成本较高、实用性较差的问题,提出一种基于机器视觉的振动位移测量方法。选取电机驱动运动的柔性机械臂作为测量对象,通过CCD相机采集机械臂末端标记点运动图像,再经过阈值分割、质心检测等视觉处理,得到机械臂振动位移信息。通过搭建实验平台对该方法进行实验验证,并与压电材料测量法及仿真法得到的振动位移进行对比,结果表明,基于机器视觉的振动位移测量方法能够在不接触工况下,对柔性机械臂进行准确、实时的振动位移测量,相比于压电材料测量法,避免了公式误差等影响,具有明显的优越性。     

基于近邻主特征匹配的微纳米尺度位移测量

提出了一种基于近邻主特征匹配的亚像素级位移测量方法.改进后的近邻主特征提取过程通过修正散度矩阵的构造,最大化相邻位移图像块投影距离,提高了算法的精度和稳定性.通过将训练过程离线化,提出了基于近邻主特征匹配的微纳米位移测量算法,并通过仿真实验验证了图像块在不同大小和位置情况下算法的精度.在高精度纳米平台、高倍显微镜及标准栅格构成的系统中进行了多角度的实验,验证了算法的有效性.算法的测量精度比传统的图像块匹配方法提高了近10倍,特别是算法对于图像块位置和大小的选择鲁棒性更高.     

基于光照不变特征的数字散斑相关方法

边坡问题是中外工程建设中的主要工程地质问题之一,准确、可靠的边坡变形监测方法对预防滑坡灾害起着至关重要的作用.将数字散斑相关方法应用在边坡变形监测中,可以快速得到准确的边坡位移场信息,具有操作简单、非接触式等优点.但是在野外测量环境下,光照变化对图像的灰度唯一性产生了较大影响,从而导致测量精度的下降.在数字散斑相关方法求解边坡变形场的基础上,使用局部敏感直方图替换原始图像对应位置的灰度值,作为图像的光照不变特征,克服了光照变化对图像灰度信息的影响,并通过数值模拟实验对算法精度进行验证.实验结果表明,该方法大幅提高了边坡变形计算精度,为研究边坡破坏机理和发展过程,提供了一种经济有效的监测方法.     

数字散斑的仿真建模与变形场测量

合理构建像面散斑的数字模型,可以精确产生位移和变形场的数学仿真散斑图,为求解亚像素位移或变形的算法研究构建一个软件分析平台。本文从物体粗糙表面的随机分布出发,基于光学成像系统高斯点扩散函数模型,构建了像面散斑的成像模型,对变形前后的随机表面产生的像面散斑进行了模拟和变形场计算。文中提出在找相关峰值时用局部区域进行搜索,减少了运算时间,避免了相似峰的出现。     

引入初始破坏的桁梁结构倒塌试验

对空间桁梁结构模型进行了倒塌试验.研制了连续性倒塌试验中人工控制的初始破坏引入装置.利用动态应变数据采集系统以及数字图像处理技术获取初始破坏引发的动力过程中的应变和位移,数据分析可得到结构破坏过程的持续时间,测点的应变时程曲线,观测点的位移时程曲线,揭示了破坏过程及破坏机制.结果表明:构件承载力富余程度的高低及空间效应是结构抗倒塌重要的冗余度.采用理论分析和数值分析对结构的破坏过程进行了模拟.     

纳米精度MEMS平面运动测量技术

为实现MEMS谐振器在周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数的纳米精度测量,提出了一种基于块匹配的最优根值亚像素运动估计测量方法．该方法在双线性插值细分技术基础上,将物体亚像素位移的定位转换为求解方程的最优根值的方式,通过最小均方差法获得物体运动位移的纳米级分辨力测量结果．该算法避免了传统算法中由于迭代所引起的大量运算．利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度-相位曲线．实验结果表明,采用该方法得到的平面位移测量分辨力为5nm．     

基于智能手机和数字图像相关的模型实验变形场测量标点法

为提高模型实验位移测量精度和效率,通过智能手机作为图像采集工具,结合数字图像相关技术获取不同载荷状态下附着于被测体表面标点的位移。基于标点法的基本原理引入刚体运动补偿法进行误差校正以提高测量精度,同时通过实验验证了标点法的可靠性。将标点法应用于相似材料模型实验变形场量测中,在模型表面设置自行研制的数字图像相关技术(digital image correlation, DIC)和全站仪两用标点,利用标点法获取岩层位移,并使用全站仪和百分表同步量测,验证其有效性。结果表明:通过刚体运动补偿法进行误差校正,标点法具有与商业测试系统相当的精度;标点法所测得岩层变化均与实际情况一致,该方法测量结果与百分表的测量结果最大相对偏差为6.1%,与全站仪最大相对偏差为5.7%,满足模型实验测量的精度要求。研究成果为进一步研究覆岩变形和动态沉陷规律提供了新的监测手段。     

基于数字图像相关的机翼有限元模型试验验证

针对无人机机翼承载变形,传统测试系统只能提供离散、有限个数据点用于有限元模型验证的局限性,采用数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法,测量某无人机机翼在压缩载荷作用下蒙皮表面的挠度场和应变场。基于MATLAB最近点迭代算法,实现数值模拟与180 000个DIC数据点的线性回归分析。结果表明:三组试验测得翼尖最大位移分别为92.8 mm、89.5 mm和87.5 mm,模拟结果为86.2 mm,相对误差均在10%以内;两段分析区域的展向正应变场,平均试验结果与模拟的相关系数分别为0.88和0.87,两者吻合度良好,所建立的有限元模型合理。     

基于图像二值化的柔性机构振动非接触测量方法

 针对目前机器视觉方法对柔性机构振动进行非接触测量时其结果易受环境干扰等问题，提出一种基于图像二值化的最大类间方差算法的非接触视觉测量方法。首先分析传统二维最大类间方差算法的错分与计算复杂等缺陷，采用二维直方图分块法和可变步长迭代法对传统二维最大类间方差算法进行改进，然后以Lena图像和柔性机械臂为例分别进行了仿真分析和振动位移测量实验验证。结果显示，基于改进二维最大类间方差算法的非接触视觉测量方法显著提高了图像分割效果，分割时间仅为传统二维最大类间方差算法的约10%；以仿真分析得到的柔性机械臂末端振动位移为评判标准进行测量准确性比较，基于改进二维最大类间方差算法的测量结果明显优于传统二维最大类间方差法和压电法，证明了基于图像二值化的最大类间方差算法的柔性机构振动非接触视觉测量方法的可行性和可靠性。