数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

基于退相关DIC的疲劳裂纹全局动态测量方法

工程材料和结构在反复荷载长期作用下容易发生疲劳开裂, 疲劳裂纹测量对于开展科学试验研究和工程问题分析都至关重要, 但现有方法无法实现高精度的疲劳裂纹全局动态测量. 本文基于数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术, 合理利用DIC的退相关效应, 提出一种疲劳裂纹全局动态测量及可视化方法. 该方法首先在相机采集得到的裂纹图像内, 建立具备拓扑关系的目标点云结构, 并运用DIC亚像素算法得到裂纹区域位移场, 再基于零均值归一化互相关(zero-mean normalized cross correlation, ZNCC)计算结果剔除退相关的DIC目标点(灭点). 进一步通过“三生点”算法提取得到裂纹离散边界, 并采用最小二乘法将离散边界拟合为连续裂纹边界, 实现裂纹形态的几何重构, 最终自动计算得到裂纹长度和宽度的动态变化过程. 该方法原理清晰、理论简单, 易于实现. 开展数值模拟和钢节点疲劳试验, 对相关算法和图像采集参数进行了验证, 结果表明本文方法对疲劳裂纹边界的数字化重构误差在0.5个像素内, 基于重构结果计算得到的裂纹长度和宽度误差分别为0.46像素和0.08像素(类同于0.06 mm和0.01 mm), 并成功实现了对疲劳试验裂纹扩展形态的精细化动态测量及可视化. 研究成果证明了DIC技术用于疲劳裂纹全局动态测量及可视化的有效性, 并在测量精度、效率、成本等方面具有显著优势, 可在实验室测量和工程现场测试中推广应用.      

基于图像分析法的水稻茎秆力学性能测量与分析

水稻茎秆力学性能的准确描述是水稻抗倒伏力学分析的关键。由于茎秆是由生物活性材料组成的形状不规则柔性结构,传统的测试方法难以对其力学性能进行准确测量。以南方水稻为研究对象,采用拉伸试验机对水稻茎秆进行了拉伸试验。首先采用传统的应变片方法测量应变,继而探索采用图像分析法实现非接触、高精度地测量水稻茎秆的截面尺寸、拉伸变形。用数字摄像机记录不同荷载水平下试件表面的数字图像,采用数字图像相关分析法(DIC)进行分析,通过两种方法计算茎秆的轴向应变;将完成拉伸实验的试件切片,采集其横截面的数字图像,通过数字图像分析技术得到其几何特性,并对大量实验数据进行了统计分析,实现了对水稻茎秆弹性模量、抗弯刚度等的合理描述。实验结果表明,采用传统的应变片测量求得的水稻茎秆的弹性模量的离散性极大,超出样本差异性的范围,而采用数字图像分析方法得到的弹性模量、抗弯刚度的结果有一定的离散性,但分布比较合理,比较准确地反映了水稻茎秆相关的力学性能。     

基于DIC方法的残余应力快速测量系统

结合数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法与钻孔法,开发了残余应力快速测量系统。该系统可分为两部分:适用于现场测量的便携式机械系统与针对残余应力测量而改进的基于DIC算法的程序。在四点弯曲加载平台上对工件进行载荷释放前后的残余应力测量试验,通过与应变片测量结果进行对比,该残余应力测量系统的精度达到了应变片测量的同等精度。同时,该测量系统解决了传统应变片测量系统对心误差大、操作繁琐、效率低和测量结果稳定性差等问题,具有较高的工程应用价值。     

基于数字图像的分离式霍普金森压杆实验中试件应变及两端应力的同步测量法

本文提出一种基于高速摄像和数字图像相关方法(DIC)的分离式Hopkinson压杆(SHPB)测量技术,从而实现试件应变和两端应力的同步测量。即在与试件接触的输入输出杆两端制作散斑,通过高速摄像获取SHPB实验过程中的散斑变形图像,由DIC测得各时刻试件的应变、输入输出杆端的应变(可直接换算为试件两端的应力)。由于试件和杆端的应变都是从同一张高速摄影的图像上分析得到的,因此它们是同步的。应用该方法对钢纤维混凝土试件的SHPB试验进行了测量,测量结果与传统应变片测量结果吻合,验证了该方法的可行性。该技术不仅实现了SHPB实验中试件应变和应力的同步测量,还将有助于直接检验各材料在SHPB实验中试件两端的力在实验过程中是否平衡。     

基于数字图像相关方法的材料力学实验教学探索

实验教学是培养学生实践和创新能力的重要手段,如何在有限的实验学时条件下,开展丰富高效的力学实验、关联更多的理论知识点是材料力学教学改革亟需解决的问题。本文引入数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法,以带孔低碳钢拉伸和高温镍基合金热变形测量等试验为例,对材料力学实验教学进行改革探索。实践表明,基于DIC方法的实验教学可充分发挥出DIC全场变形可视化、测量过程简单、快速精确等优势,显著调动了学生的学习兴趣,加深了学生对多个关联知识点的理解,同时启迪了学生的科学创新意识。     

数字图像相关中的亚像素位移定位算法进展

数字图像相关方法 (DIC) 已经作为一种常用的光学计量有效手段应用于实验力学及其它科学研究和工程应用领域中. 经过 20 多年的发展, 该方法日渐成熟和完善. 作为提高测量精度的亚像素位移定位算法被认为是该方法的关键技术之一. 本文对二维数字图像相关的基本原理及其中为提高测量精度而提出的各种亚像素位移定位算法做了概括性的介绍. 在总结已有研究成果的基础上, 分析了各种方法优缺点. 并对数字图像相关方法的最新进展作了简要介绍, 随着算法精度、效率以及硬件设备性能的提高, 该方法必将会获得更广泛的应用.      

基于ESPI和DIC技术的混凝土断裂特性研究及对比分析

采用电子散斑干涉(ESPI)技术和数字图像相关(DIC)技术对带预制裂缝的三点弯曲混凝土梁进行了测量,研究了普通混凝土(混凝土强度f_(cu)=33.2MPa)和高强混凝土(f_(cu)=65.1MPa)的断裂特性。结果表明:各组试件的P-δ曲线离散性较大,但P-CMOD曲线吻合度较高,在峰值荷载处,临界裂缝尖端张开位移(CTOD_c)分别为21mm和29mm;从试验裂缝张开位移(COD)曲线确定裂缝扩展长度,两种混凝土的裂缝扩展长度与韧带高度之比分别为1∶4和1∶3。分析了两组试件的荷载-裂缝扩展长度关系规律。与夹式位移计测量结果对比发现,ESPI和DIC均可替代传统测量仪器得到比较准确的测量结果,当试件变形较大(CMOD0.25mm)时,ESPI的测量误差较大,而DIC误差一直保持在0.03mm以内。分析了两种技术测量误差产生的原因,对降低实验误差提出了一些建议。     

基于视场分割的双远心镜头高精度视频引伸计

本文设计了一种基于视场分割的双远心镜头视频引伸计.该视频引伸计通过4个平面反射镜将双远心镜头的视场分割为2个空间上分离的视场,并通过视场标定技术确定了测量系统的放大率和两视场间的距离.在此基础上,通过数字图像相关法(DIC)跟踪试件上2个标记点的运动,获得标距段的伸长量,进而计算出应变.本文通过视场分割的方法扩大了双远...     

典型非金属材料的动静态应力-应变曲线测量

为测试聚碳酸酯(PC)和聚甲醛(POM)两种工程材料在中、低应变率下的动静态拉伸力学性能,本文采用液压伺服加载设备结合数字图像相关方法(DIC)进行了试验研究,测量得到了动静态应力-应变曲线。结果表明,PC材料断裂应力具有较强的应变率敏感性,适用于吸能构件;POM材料断裂应力应变均具有较强的应变率敏感性,适用于结构性构件。结合微观结构图像,分析其拉伸过程中细微观结构变化,为典型粘弹塑性材料(PC)和脆性材料(POM)宏观力学行为提供了微观解释。本文试验曲线为这类材料结构的数值仿真分析提供了试验数据。     

数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用

为了了解相对密度与胞孔结构对闭孔泡沫铝力学性能的影响,本文采用放大成像及数字图像相关技术对两种不同密度的泡沫纯铝试样进行了实验研究.利用数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了弹性范围内静态压缩情况下闭孔泡沫铝材料表面的全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义弹性模量.实验结果表明泡沫铝整体孔结构的变形与泡沫金属材料相对密度有关,而单个孔结构的变形主要与孔壁面光滑程度和皱褶有关.实验结果还表明图像相关方法能够有效地应用于闭孔泡沫金属的力学性测量和评估的研究.     

基于三维数字图像相关的三维形貌拼接研究

三维数字图像相关(DIC)方法已在众多工程技术领域中得到了日益广泛的应用.当该方法用来测试表面曲率较大的物体的变形时,受双相机之间夹角的限制,不能实现全场的三维形貌测量.采用在两个(及以上)不同位置拍摄,分别得到被测物的局部形貌,然后用三维DIC算法计算局部坐标系之间的坐标变换关系,将局部形貌转换至同一坐标系下并拼接得到被测物全场三维形貌.实验结果验证了该方法的可行性和可靠性.     

二维数字图像相关法在准静态拉伸实验中的应用

对二维数字图像相关法在准静态拉伸实验中的应用进行了研究。二维数字图像相关法采用Newton-Raphson方法和逆匹配结合的算法,首先对Newton-Raphson迭代式中的相关函数的一阶偏导和二阶偏导进行了简化,对于Newton-Raphson法的初值估计采用仿射变换方法和RG-DIC结合的方法;然后在计算域全场采用双三次插值,保证计算精度的同时降低了计算量。散斑仿真实验和准静态拉伸实验显示,二维数字图像相关法获得的分析值与应变片测量值相对误差约小于10%,表明二维DIC算法具有较高的准确性,能够用于实际工程测量。     

橡胶材料弹性模量数字图像相关测定法

利用数字图像相关方法测量了小应变下柔性橡胶的弹性模量.用CCD相机记录单轴压缩实验中圆柱体橡胶试样表面人工散斑图像,作为数字图像相关测量技术中的变形信息载体.分析了镜头畸变对位移测量的影响,运用数字图像相关法得出小应变范围内像胶的应力应变曲线,计算出橡胶的弹性模量.并与采用千分表所得到的结果进行了比较,两者符合较好.实...     

混凝土压缩破坏的数字图像相关研究

采用数字图像相关(DIC)方法研究了混凝土材料的压缩破坏。在压缩实验前，将混凝土外表层切除，裸露的细观形貌可以作为DIC技术中的自然散斑场。采用高分辨CCD进行表面图像采集，通过DIC技术处理后可以获得压缩破坏过程中的应变场分布。两端无约束的混凝土压缩破坏符合第二强度理论(最大拉应变强度理论)，因此本文分析了混凝土压缩...     

一种基于DIC测量单边缺口拉伸试件CTOD阻力曲线的简便方法

针对测量单边缺口拉伸(SENT)试样的裂纹尖端张口位移(CTOD)阻力曲线时,延性裂纹扩展量的计算过于复杂的问题,提出了一种由数字图像相关技术(DIC)计算的变形场来确定裂纹尖端位置,并快速推算延性裂纹扩展量的方法。该方法首先在缺口和裂纹上下方的弹性区域设置两条平行横线;然后通过两条横线间的位移差构建曲线,曲线变化幅度的临界点即为裂纹端部的位置;根据临界点位置计算裂纹扩展量,最后测量CTOD并构建阻力曲线。将本文方法与另一种通过DIC测量SENT试样CTOD阻力曲线的方法进行对比,结果表明本文方法经过简便的计算后拟合的阻力曲线效果更好。     

数字图像相关方法的准确度与速度增强

数字图像相关方法已经成为近几年来最为广泛使用的实验力学方法之一.本文从算法的角度提出了增强该方法准确度与速度的几个技术.由于插值算法在数字图像相关方法测量中扮演着重要的角色,文中采用了几种基于B样条表示的递归插值算法来提高数字图像相关方法的分析准确度与计算速度.在实践中,三维的测量在许多数字图像相关方法的应用中成为主导...     

软硬互层状岩石类材料双轴压缩蠕变特性试验研究

自然界中广泛分布的复合层状岩体,具有显著的结构不连续性、非均质性和各向异性特征。为揭示软硬互层状岩体在双轴压缩下的蠕变特征,采用相似模型试验,制作软硬互层状岩石类试样,开展了3种不同侧向应力水平条件下平行于层理方向的轴向分级加载双轴压缩蠕变试验,并利用数字图像相关技术(DIC)进行了试样表面变形观测。研究发现,软硬互层状岩石类材料的蠕变包括减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变3个阶段,且减速蠕变阶段与等速蠕变阶段占比较大,而加速蠕变阶段占比较小;随着侧向应力的增加,试样的蠕变破坏强度逐渐降低,而蠕变应变增加率随之增加;应力水平差异对试样蠕变特征有着显著的影响,当侧向应力相同时,随着轴向应力的增加,轴向应变也随之增加;当轴向应力相同时,轴向应变与侧向应变随着侧向应力的增加先减小后增大。试验过程中,利用DIC技术监测试样表面变形,发现当侧向应力水平较低时,试样的轴向应变主要取决于硬岩层,而当侧向应力水平超过软岩抗压强度后,软岩层内部裂纹的产生会导致试样宏观破坏提前发生。上述研究结果可为软硬互层状岩体工程建设及围岩长期稳定性分析提供理论参考。     

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

微尺度散斑制备方法研究及应用进展评价

数字图像相关法(DIC)由于具有非接触、全场、精度高、易操作等特点,已被广泛应用于宏微观尺度的变形测量。在微观尺度,DIC可以方便地与显微镜结合,实现变形测量;散斑作为变形的载体,其质量的好坏直接影响到DIC在微尺度变形测量的精度。本文重点介绍了离心甩胶法制备微尺度散斑的方法,并对其应用进展进行评价。具体包括:优化制备工艺参数,获得最优的散斑图;提出散斑膜转移方法,扩大其使用范围;研究散斑膜增韧方法,用于大变形的测量;基于超景深光学显微镜,设计双向加载测试系统;将散斑膜应用于微尺度界面、裂纹尖端等。获得了局部变形场信息,表明该微尺度散斑制备方法具有较好的可行性和应用前景。