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.     

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.     

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.     

3D-DIC在土木结构力学性能试验研究中的应用

为了更好地研究土木结构力学性能,采用改进的三维数字图像相关系统开展了纤维增强复合材料包裹混凝土柱抗压试验、纤维增强复合板-混凝土相对滑移试验、钢板拉压疲劳试验、预应力混凝土抗震试验和钢桁架结构连续倒塌动力试验.对圆柱体试件全表面同时进行测量,分析得到了360°全场应变数据.当平均应变达到2×10-2时,根据三维数字图像相关方法与电测法所得的应变结果的相对误差小于3%,说明前者具有较高的应变和位移测量精度.继而提出了一种基于边缘点消除刚体位移的方法,得到了滑移位移结果.利用高帧频相机进行连续采图,实现了在试验过程中的动态测量.由此证实了改进的三维数字图像相关系统在土木结构力学性能研究中的有效性.     

古建筑彩绘梁整像素位移自适应搜索解算方法

通过在构件表面喷涂均匀散斑并拍摄变形前后的图片,采用数字图像相关法（DIC）可实现构件位移的非接触式测量. 针对古建筑木梁彩绘图案灰度不均,导致传统DIC在整像素位移解算时识别效果差、计算效率低的难题,提出修正的自适应十字模式搜索法（IARPS）进行整像素位移解算. 首先,预估第一个搜索点的搜索半径,在该半径内进行穷举搜索;然后引入自适应十字模式算法,通过小菱形搜索实现整像素位移的解算. 采用散斑图模拟位移及装饰有彩绘图案的木梁压弯实验,将IARPS与DIC中常用粗-细搜索算法进行对比,结果表明,IARPS方法能有效克服粗-细搜索算法局部计算不精确的缺陷,且IARPS的计算效率可提高71.6%,为将DIC应用于古建筑彩绘梁的非接触式位移测量提供了一种新的解算方法.     

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...     

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. 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. 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.     

基于DIC技术的钢筋混凝土梁损伤识别

为研究钢筋混凝土梁基于数字图像相关技术(Digital Image Correlation, DIC)的损伤识别,设计了4组不同剪跨比的钢筋混凝土梁构件,并在构件表面采用人工制作散斑图;采用DIC技术测量梁全跨长的竖向位移,同时采用传统位移计和激光位移计测量梁跨中的竖向位移;采用格林函数、第一类Fredholm积分以及正则化数值解的数学算法,建立了梁构件在荷载作用下弯曲刚度分布的损伤识别方程.基于DIC技术测量的试验梁荷载-挠度位移曲线,识别了不同荷载下混凝土梁的刚度损伤情况.研究结果表明：DIC技术测量与传统位移测量得到的位移曲线基本一致,误差在可接受范围以内;建立的损伤识别方程对梁的刚度识别精度较高.     

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。     

多尺度二维数字图像相关测量系统及其应用

为了实现全场多尺度变形测量,利用三轴电动平移台、4台高分辨率相机、3个不同放大倍数的远心镜头和1个显微镜头组成了多尺度二维数字图像相关测量系统,采用该测量装置可实现从宏观到微观尺度的变形测量.实验结果表明:通过置于高精度三维可控平移台上的二维数字图像相关测量装置,可实现任意微区的跟踪观测.经过标定的测量系统可以对观测区域实现测量尺度的任意切换,达到所需要的测量精度及观测要求.最后对贝氏体钢腐蚀后的表面纹理进行了数字图像相关测量.该测量系统对于裂纹尖端力学行为的研究具有很好的应用前景.     

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。     

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。     

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.     

数字散斑相关法测量连续位移的原理与实验

提出用数字散斑相关方法测量移动物体的连续位移.激光照射粗糙表面形成散斑场,用CCD记录粗糙表面移动时的序列散斑图像,利用数字散斑相关方法分析散斑图像,确定粗糙表面的位移.研究结果表明,数字散斑相关技术可以高精度地测出连续移动物体的位移.