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.     

非接触式位移测量仪的研制

该文通过研究非接触式测距离的方法,探寻非接触式测量距离的实现手段,剖析三角形原理及其应用,研究实现非接触式位移的测量,介绍了仪器的主要部件功能及制作方法,具有性能稳定,结构简单,操作简单,携带方便等特点。     

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.     

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。     

基于计算机视觉的结构多测点位移与振动特性非接触测量方法

位移是衡量结构舒适性与安全性的一个关键参数,但传统接触式方法测量效率低、成本高且难以精确测量稠密测点位移。为解决以上问题,本文提出了基于计算机视觉与自适应变分模态分解的结构多测点位移和振动特性非接触测量方法。该方法利用高速摄像机获取冲击力锤作用下悬臂梁振动图像,通过有标靶和无标靶特征检测算法,获取结构在冲击载荷下的动态位移曲线,进一步提出了基于变分模态分解和希尔伯特变换的结构振动频率、阻尼比高精度识别方法。所提出方法利用悬臂梁非接触振动测量试验进行了验证,结果表明：通过圆心检测算法和图像特征检测算法提取位移的最大测量误差分别为0.093 mm 和0.046 mm,证明了图像特征检测算法的位移提取精度更高;同时,利用变分模态分解方法对测量的位移信号进行了分离并识别结构振动特征,采用圆心检测和图像特征提取算法获取位移识别的固有频率、阻尼比基本一致。本论文研究成果可为突发事件下桥梁结构多点位移高精度监测与振动特性识别提供一种新的方法,具有成本低、使用方便和测点布设灵活等优势。     

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。     

线性激光位移传感器的结构优化设计

根据被测物体的表面反射模型,采用光线追踪法对用于自由曲面数字化的线性激光位移传感器进行了计算机仿真,利用复合形法进行了传感器结构参数优化,使用单片球面透镜替代非球面透镜获得了较好的线性关系。实验表明,采用该方法可以缩小传感的结构尺寸、提高精度,降低成本。     

转速的图像测量方法

将数字图像处理技术用于转速的测量,提出了数字图像时间平均相关方法,将该方法与时间平成像结合,只需获得取被测物体在转动态下的一幅图像及其在静止状态下的一幅参考图像即可确定该物体的转速。     

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.     

采用普通摄像机的斜拉索振动位移非接触测量方法

大幅度非线性的斜拉索振动的发生难于预测,不利于测试仪器的现场布置,因此手机、DV等普通摄像机对于拉索振动的测试更加方便实用。为了及时准确地测量斜拉索振动,将视频采集和数据分析分开,利用普通摄像机进行了斜拉索非接触式振动位移测试方法的研究和测试系统的开发。所开发的斜拉索振动位移测试系统既可以实现单标识点的位移测试,也可以实现多标识点和无标识点的振动位移测试。通过室内模型试验结果验证了测试方法的正确性和测试结果的精确性,同时进行实桥的现场测试并验证了采用普通摄像机进行实桥测试方法的可靠性,测试结果满足实桥斜拉索动位移测量要求。     

图像相关方法中采用多种子区进行位移测量

在图像相关位移测量方法中一般采用正方型子区搜索中心点的位移.当测量靠近裂纹或缺陷部位的位移时中心型子区失去效果,为了解决这一问题提出了非中心型子区的方法.证明了方法的有效性.认为在相关搜索时测量点既可选定在子区的中心位置,也可选定在非中心位置.进而提出了将测量点确定在子区角点的多种子区的方法.除通常的中心型子区外,至少还有4种子区可以采用,分别是右下角型、左下角型、右上角型和左上角型,这4种子区不但适用于表面裂纹或缺陷部位的位移测量,而且增加了图像有效信息的提取面积.     

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.     

变形测量的数字图像相关分析法

通过变形形态函数的引入，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，在这一方法中，把对位移及各个导数分量独立进行的相关迭代变为对变对形形态函数的系数进行相关迭代，从而既简化了迭代过程，又实现了整个变形场的直接测量（计算）典型的实验结果验证了这一方法的可行性。     

基于移动最小二乘拟合的数字图像相关应变测量

为了应用数字图像相关方法得到可靠的位移场,本文提出应用移动最小二乘法对含噪声的位移场进行拟合,进而得到可靠的应变场。对原有的十字搜索算法进行了改进,实验表明改进后的搜索算法效率更高。用数字模拟实验验证了程序计算正确性,并说明能够应用该方法得到可靠的应变。并进行了复合材料板拉伸试验,复合材料平板实验计算结果和应变电测法得到的结果进行了对比,实验表明两种测量方法得到的结果相吻合。     

基于数字相关法初始值优化的微悬臂梁弯曲变形与应变测量方法

提出了一种基于数字相关法初始值优化的微悬臂梁弯曲变形与应变测量方法.基于放大的微悬臂梁表面的纹理特征,在尺度空间内进行特征点的测量与匹配,在特征点处进行高阶的数字相关法计算以得到变形参数;将特征点处的变形参数进行二维插值运算以得到任意像素点处变形参数的初始值;采用牛顿拉普森迭代方法计算在特定网格点处的变形参数,进而得到网格点处的位移和应变.通过仿真变形图像的计算结果来确定数字相关法的设定参数,对实际的微悬臂梁变形图像进行应变场计算,并与有限元法的计算结果进行比较,以验证所提出方法的有效性.     

基于差动光纤干涉仪的位移测量方法

为解决装置结构复杂与测量分辨率低的问题,提出了一种利用单模光纤和耦合器组成的位移测量系统,耦合器输出端两臂连接准直镜头,照射在被测物体正反两面形成差动结构.该结构使系统位移分辨率提高了2倍,达到1/4波长,且整个系统受温度的干扰较小.通过仿真分析和实验验证,证明了该方法的可行性,并使用多重希尔伯特变换方法进行位移重构....     

基于双目视觉的轨道纵向位移测量方法

轨道纵向位移测量是保证铁路安全运营的一项重要检测项。针对一般非接触式视觉测量技术无法区分不同轨道监测点的问题,提出一种基于双目视觉的轨道纵向位移测量方法。首先设计一种带编码的标志物,并将其固定在多个监测点的轨腰处,使用双目相机拍摄编码标志物位移前后图像。在算法实现方面,通过零均值归一化互相关法和坐标系转换模型,求出模板中心的空间坐标,以测量轨道的纵向位移。同时,提出一种一维像素扫描的方法,解析标志物所带的编码信息,以识别不同轨道监测点对应的编码值。在实验室进行合理有效的模拟试验,结果表明,本文方法在2.0 m的工作距离,测量轨道纵向位移平均误差率为1.90%,编码识别率为100%,证明了该方法的准确性和可行性,为后续开展轨道几何整体平顺性评估奠定了基础。     

基于数字图像关联技术的沥青应变计

提出一种基于DIC(digital image correlation)技术的沥青混合料表面平均应变测量方法,以之作为基准比对不同种类沥青应变计的测量准确度.首先基于DIC技术实现试件表面亚像素级位移场识别,进而研发基于二次曲线拟合的沥青混合料平均应变基准值算法.校准该算法后比对两种常用应变计的测量准确度.研究结果表明,有不低于95%的置信度认定DIC法测量应变误差小于12×10-6,通过比较应变计测量结果与DIC法平均应变基准值之间的差异,能够比对不同应变计测量准确度优劣.此外研究结果也证实,荷载模式对测量准确度具有影响,移除塑性应变或建立校准方程校准应变计测量结果均能够提高应变计测量准确度.     

基于数字图像处理的煤粉颗粒检测

介绍了基于数字图像处理的煤粉颗粒检测的算法，通过建立一套对煤粉进行形状表征和粒度测量的图像测量系统，实现了对煤粉颗粒的各项指标的自动检测。