基于数字图像相关法的混凝土全场变形测量

为了解决混凝土构件实验中大刚体位移、低应变的变形特点使常用测量技术难以胜任实验测试要求的问题,采用提高数字图像相关法(DIC)形函数阶次和选择合适的相关函数以提高图像位移模式识别的精度;结合DIC位移识别精度分析了刚体位移对变形分析的不利影响,根据双点位移识别转动角度和受力变形特点提出了刚体位移消除方法;根据混凝土构件的力学变形特性提出了由位移场求解应变分布的方法,并进行了实测验证.数字模拟试验表明,改进后的数字图像相关法能很好地消除刚体位移的影响和提高测量分析精度,实测验证实验结果也能够很好地解释构件的受力变形分布特征.与目前常用的离散、接触式测量技术相比,针对混凝土构件实验特点进行改进后的数字图像相关法能够更好地适应工程实验测试的要求.     

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。     

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。     

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...     

数字图像相关方法中的标定对三维形貌和变形测量的影响

为了实现三维数字图像相关方法的高精度三维测量,首先需要标定成像系统的内外参数.从数字图像相关的基本原理出发,针对相机成像的针孔模型,在理论上给出了物体成像的误差来源和修正措施,从而引出相机的各个标定参数.实验研究了多组标定板的姿态,分析了棋盘标定方法的稳定性和精确度,给出了标定过程的优化方案,解决了复杂工程环境下现场标定步骤繁琐的问题.实验结果表明:当标定板的姿态数大于9组时,标定参数趋于稳定,用稳定的标定结果计算目标物的半径更可靠.精确稳定的棋盘标定方法有利于获得高精度的三维测量结果,因此优化标定后的三维数字图像相关方法不仅操作简便,还具有相当高的可靠性和精确度.     

变形的全场衍射测量

提出了测量全场应力应变的一种新方法,它可用于测量被测物体整个表面的变形量,这种方法为非接触测量,不影响被测量物的表面。     

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。     

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。     

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.     

高精度数字图像相关测量系统

提出了一种新的数字图像相关测量系统——双CCD（电荷耦合器）显微数字图像相关测量系统．它可用于应变的高精度测量．它使应变测量灵敏度比现有系统提高两个数量级，达1微应变．用金属材料的拉伸试验对本系统进行了考核，实测值与理论值吻合得相当好．     

椭圆形构件变形测量的数据处理

椭圆形构件由多个刚体管片组成，其变形量可表示为单个管片两端点相对椭圆的位移量．定义仪器中心为测量坐标系原点，椭圆圆心为椭圆坐标系原点．在测量坐标系内，根据多个观测点坐标拟合椭圆方程，得到椭圆相对测量系统的平移旋转参数．将观测点坐标由测量系转换为椭圆坐标．在椭圆系中，求解各管片相对拟合椭圆的平移和旋转参数．最后，通过计算管片端点相对拟合椭圆的位移量得到管片变形量．实际数据处理结果表明，本方法可行．     

基于数字图像相关方法的巴西圆盘变形局部化分析

为了研究岩石拉破坏过程中的变形局部化特征,采用数字图像相关方法进行了巴西圆盘劈裂试验及变形场测试,分析了圆盘试件破坏过程中的水平位移场演化过程。研究表明:巴西圆盘在压密阶段即已出现较明显的水平位移局部化现象,弹性阶段的局部化区域由上下端向中部扩展,在塑性阶段演化为近似中心对称的扇形;巴西圆盘左右背向位移差过大时,试件中部会呈现一条零位移条带,并在峰值点时张拉破坏为裂隙带。     

梁变形检测的一维数字图像相关法

分别选择参考图像和变形图像中跨过指定边缘的线段,对两幅图像的这种线段进行一维相关运算以识别边缘的变形(简称一维DIC法).与面检测的二维DIC法相比,计算量小很多.根据生成图像的研究表明:一维DIC法进行边缘变形识别的误差小于0.05像素.简支梁模型试验表明:边缘变形识别的误差小于0.1像素,700万像素相机检测1.7m长梁的变形精度可达到0.05mm.一维DIC法的主要优点是计算量小,适合于海量数据处理的动态检测,主要缺点是变形前后图像边缘的错位对识别精度的影响不易处理,难以达到二维DIC法和一些高精度边缘检测方法的检测精度.     

数字图像区域标定的方法

给出了二值图像区域的标定方法。对于八近邻和四近邻的图像,分别建立了一组最小的完备图。利用图像标定的基本图,为二值图像边界的识别构造了一个自动机,自动机的输出就是顶点链编码,为二值图像区域的标定提供了一个有效算法。     

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.     

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。     

基于数字散斑自相关技术的微位移测量

通过散斑照相实验,得到粗糙表面在激光照射下的散斑场,移动粗糙表面,记录位移前后的散斑图像,利用数字散斑相关方法分析散斑图像,即可确定粗糙表面的位移。理论分析和实验结果表明,数字散斑相关技术可以很好地实现测量带有粗糙表面物体的微小位移,精度可达微米级。     

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。     

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.     

基于数字图像相关的塑性变形识别方法

为了检测金属构件表面的塑性变形,提出了一种基于加权光强相关系数的塑性变形识别方法．该方法利用数字图像相关方法,搜索变形后被测点的位置,然后将加权因子引入光强相关系数的计算。并以此来判断被测点是否已经进入了塑性变形阶段,最后用试验对完整的试件和带缺口的试件分别进行了弹塑性边界和塑性区域识别．研究结果表明,该方法能够准确地判断试件是否进人塑性变形阶段,并且能直观地识别出塑性区域．