双目立体视觉技术在结构试验中的应用

传统的动态位移测量方法属于接触式测量,常用应变式位移计直接测量结构变形,其测量精度往往取决于位移计安装情况,且测量的电信号容易受到试验环境的影响。随着光学测量技术的不断发展,基于双目立体视觉和数字图像处理技术的光学测量方法已开始应用于位移测量。为了解决传统动态位移测量的精度问题和环境对信号的干扰问题,将双目立体视觉技术应用到三层钢框架结构的振动台试验中,对结构在地震作用下的位移进行测量。研究结果表明:从位移时程和位移偏差率两方面同传统测量方法进行对比分析,光学测量方法减少了2.0 s~3.5 s的相对滞后时间,增强数据可靠性;位移偏差率最大为7.03%,最小为0.02%,均在测量误差允许范围之内,验证了光学测量位移方法在结构抗震试验中的可行性及优越性。     

结构位移摄像测量系统的设计与实现

针对飞机等大型工程结构的位移测量需求,设计实现了结构位移摄像测量系统.该系统采用多台数字式摄像机从不同方向拍摄飞机机身、机翼表面的人工合作标志点,在试验前对各个摄像机的参数进行精确标定,试验过程中实时分析各摄像机采集到的序列图像,检测跟踪得到标志点在图像上的二维像点坐标,根据像机参数和标志点二维像点坐标交会计算得到各标志点的三维坐标,即可得到整个结构的位移与变形参数.结构位移结果可进行三维动画显示,也可随时查看各标志点的位移曲线.精度测试结果表明该系统位移测量误差标准差小于1 mm,相对误差小于1%.该系统已成功应用于飞机机翼位移测量中.     

飞行试验中军用1553B总线的实时采集技术

针对飞行试验中飞机结构件的动态变形测量问题,提出了一种基于图像的测量方法,对其中涉及的关键技术进行了研究。采用10参数模型非线性成像模型补偿摄像机系统误差,引入摄像机动态校准算法,使摄像机标校重投影误差小于0.03pixel;采用编码标志作为测量标志,提高了图像自动识别和匹配效率;采用双像机交会测量计算测量标志位移变形量可达到0.15mm/1m。实验证明,该方法满足飞行试验中飞机结构件动态变形要求。     

飞机结构件动态变形测量技术研究

针对飞行试验中飞机结构件的动态变形测量问题,提出了一种基于图像的测量方法,对其中涉及的关键技术进行了研究;采用10参数模型非线性成像模型补偿摄像机系统误差,引入摄像机动态校准算法,使摄像机标校重投影误差小于0.03 pixel;采用编码标志作为测量标志,提高了图像自动识别和匹配效率;采用双像机交会测量计算测量标志位移变形量可达到0.15 mm/m;实验证明,该方法满足飞行试验中飞机结构件动态变形要求。     

基于动平台多源数据的运动目标测量方法研究

根据运动目标性能试验需求及试验平台的特点,建立一个影像数据测量系统,实现目标的运动视频记录和外部参数测量。采用基于OpenCV的棋盘格内参数标定结合基于平台上固定标识点、线为基准的外场标定的摄像机标定方法,采用高速影像数据、中线视频数据和GPS数据相结合的方法实现目标运动的轨迹、姿态等参数的测量。通过测量精度分析及多次试验结果证明,测量精度达到水平方向优于10 cm,高程方向优于5 cm,姿态精度优于05。     

基于遗传算法的数字图像相关法在微位移测量中的应用

对遗传算法、粒子群算法、人工鱼群算法三种整像素搜索算法在微位移测量中的应用进行了对比研究。以相关系数大小衡量图像的匹配精度,选择归一化互相关函数作为相关系数及算法的目标函数;对目标函数进行迭代求解,得到了整像素的微位移;以模拟散斑图为研究对象,对三种算法的匹配精度、搜索速度、微位移测量结果进行了对比分析。结果表明,遗传算法在匹配精度、搜索速度及微位移测量精度上具有明显的优势,能满足数字图像相关法在微位移测量中的应用需求。     

数字图像相关中基于可靠变形初值估计的大变形测量

为使数字图像相关方法适用于大变形测量,提出一种变形初值估计方法.通过在变形前图像中第一个计算点附近选择三个或更多特征点并在变形后图像中选择其对应点,利用坐标对应关系获得该点可靠的变形估计值作为Newton-Rapshon方法的迭代初值.该方法可对被测物体存在任意刚体转动或大变形情况下的表面变形进行准确测量,克服了通常的基于整像素位移相关搜索再进行亚像素位移测量的数字图像相关方法在被测物面存在稍大转角或大变形情况下即不能使用的缺点.对存在相对刚体转动图像的位移场和聚丙烯泡沫塑料压缩实验的大变形进行了测量,结果充分显示本文方法的有效性.     

传送带物体线结构光三维扫描成像系统的位移标定方法研究

在对传送带上物体进行三维扫描成像过程中,位移标定方法的便捷性、准确性对于最终的成像精度和效率有非常重要的影响,但传统的位移标定方法需要已知位移平台或者传送带的运动速度或严格控制两次标定图片中标定板之间的精确位移,使得标定过程较为复杂。论文提出了一种专门用于传送带上物体测量的线结构光三维扫描成像系统的位移标定方法。只需要采集一系列标定板随传送带移动的位移标定图片,从中提取两张帧数间隔大于1的图片并记录对应的帧数,即可对单帧位移进行标定。介绍了该标定方法的基本原理和实现方法,搭建了线扫描单目成像系统,并对双阶梯型精度块进行了三维重建。实验结果表明,方法原理简单,操作便捷,测量速度更快且重建误差小于0.3mm,适用于以传送带作为主要运输工具的各个领域的实时三维测量。     

地震振动台实验三维全场位移测量的研究

提出一种基于高速相机双目立体视觉技术的大视场全场三维位移测量方法,用来测量地震振动台实验过程中的位移变化。给出了一种鲁棒的标志点匹配算法,基于VS2010开发环境,研发了用于振动台实验三维全场位移测量系统,设计了精度评估实验方案,验证该方法在大幅面位移测量中的精度,并利用该实验系统对高边坡模型振动台实验进行测量。结果表明:在3 m1.5 m视场范围,静态位移测量误差优于0.4 mm,动态位移测量误差优于0.5 mm,可以满足振动台实验的要求;该方法可以方便、直观地测量地震振动台实验中高边坡模型的位移场,并且测量得到X、Y、Z 3个方向位移曲线以及总位移曲线过渡自然、数据合理,是测量振动台实验全场位移变化的一种有效方法。     

梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法

数字图像相关方法作为光学测量的一种测量方式在结构变形测量中有广泛应用,其中亚像素位移测量精度成为关键。基于亚像素位移测量精度影响因素的分析,研究了计算子区灰度插值、计算窗口大小以及拟合距离对亚像素位移测量的影响。提出了一种梯度-曲面拟合法的亚像素位移测量算法,即,先采用梯度法计算出结构的亚像素位移,再对计算子区进行亚像素插值,然后调整拟合距离进行亚像素曲面拟合。最后利用计算机模拟算例验证了该方法具有良好的计算效率、计算精度及抗噪声能力。     

基于角锥棱镜和面阵CCD的动态基座航向角校准

研究用于飞行器等动态基座航向角校准的大范围、中高精度航向角度测量系统.系统采用2个面阵电荷耦合装置(CCD)检测反射光斑的相对位置,实时测定动态基座航向角,为避免基座晃动的影响,提出了角锥棱镜反射测量方法并设计了整套光路,所需元件少,结构简单,光路调谐简便,适合空中作业.根据预估参数搭建了实验系统,对面阵CCD传感器的检测信号进行阈值分割处理后,采用重心亚像素检测方法,定位精度达到0.4像元大小,航向角度测量不受基座晃动影响,测量精度优于1',测量范围满足±10°,为应用于外场实验打下了基础.     

Effect of the inclination of a test object on the calibration of an SEM

The effect of the inclination of a test object on the calibration of a scanning electron microscope (SEM) is considered. It is shown that when the step of a structure or the size of the upper and lower bases of the ledges and grooves is used as a certified parameter, the inclination of the test object does not affect the calibration of the SEM. When using the value of the projection of the inclined sidewall of ledges and grooves on the structure base, the incline of the test object leads to a systematic error in determining the increase (pixel size) several times greater than the random error. A method for determining the inclination angle of the test object is developed that enables the measurement of this angle and the identification and elimination of a systematic error.     

基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法研究

针对传统光学成像测量方法对高速运动目标成像帧频低、像质模糊,难以满足对目标形变高精度测量的缺点,提出一种基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法。该方法利用线阵CCD高分辨率、高帧频等优势,通过提取线阵CCD输出目标强度——像素曲线斜率变化率最大点来获取目标所占像素数N的像素数提取方法,同时采用DMD模拟高速运动目标形变过程,配合基于线阵CCD像素数提取的高速运动目标形变测量方法进行形变测量实验验证。实验结果显示采用该方法对V=450 km/h的高速运动目标进行形变量测量时,可以满足目标形变测量偏差小于0.3 mm,标准差小于0.5 mm,相对误差最低0.01%。实现了高速运动目标形变量的准确测量,为高速磨损测试、高温形变测试、高压形态测试等奠定了基础。     

Improved 3D displacement measurements method and calibration of a combined fringe projection and 2D-DIC system

An improved measurement method and an automatic calibration procedure are proposed for a combined 2D Digital Image Correlation and Fringe Projection system that allows measuring in- and out-of-plane displacement maps with only one image at each deformation stage of a specimen. The proposed method increases the accuracy and range of the out-of-plane displacements by taking into account the divergences of both the projected fringes (uncollimated) and the camera (with non-zero FOV). The calibration is performed automatically by acquiring a sequence of images of a reference plane by displacing perpendicular to it the camera and fringe projector with a motorized translation stage. The acquired images are then used to obtain a fringe function for each pixel and the necessary parameters required for the correction of the in-plane displacements. Furthermore, a closed form expression is obtained that relates the out-of-plane displacements with the shifted phase at each pixel for a given experimental set-up. This expression is in good agreement with the fringe function obtained by fitting a simple 2nd order polynomial to the experimental obtained calibration data. Finally, the polynomial approach is proposed as a fringe function because it avoids the errors in the determination of the required parameters of the theoretical expression as well as some small misalignment or aberration effects.     

Moiré interferometry for deformation measurement

Moiré interferometry utilizes high frequency gratings to contour displacement components with a sensitivity of the order of 0·5 μ. This paper briefly reviews the technique for in-plane deformation measurement and its current applications to analyze adhesive bonded joints and composite deformation. The modified set-up for out-of-plane displacement measurement is described and used for fracture mechanics studies and vibration analysis. Finally, a set-up for simultaneous measurement of all three displacement components is described.     

光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标中心波长偏移研究

成像光谱仪使用前需要对其进行光谱定标以确定其各光谱通道的中心波长和光谱带宽。但是室内外光谱定标实验结果表明随着使用环境的变化成像光谱仪各通道的中心波长和带宽将发生变化。对光栅色散型成像光谱仪各光谱通道的中心波长室内外定标结果的偏移进行研究,从光栅色散型成像光谱仪的光学结构和工作环境参数出发对造成其中心波长偏移的因素进行分析和建模,对震动、机械形变和浓度等主要影响因素进行理论推导和数量级估算,结合实验结果进行对比分析。理论推导和实验数据分析都表明光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标获得的各通道中心波长的偏移量与各通道的本征波长成二次函数的关系,其中震动和机械形变所带来的系统光路结构的细微改变是造成其中心波长偏移的主要因素,使用环境温度的差异也对该成像光谱仪各光谱通道的中心波长具有一定的影响。     

高空遥测激光多普勒检波系统研究

为解决远距离处人工地震波的检测问题,研究了光源的相干性,系统的稳定性．激光多普勒信号强度、信噪比,位移测量灵敏度和精度等理论及方法。采用在腔内捕人两个直径为1．8mm的可变光阑和输出光的准直结构(4倍)．增大光源的相干长度和可测距离;在两路光中分别加入声光调制器和λ/4波片．实现偏振态匹配并使系统工作更稳定,提高信噪比;采用透镜聚焦接收．增大信号强度;采用特伦逆向反射装置,消除它在位移或振动过程巾因偏摆或横移所带来的影响,使测量灵敏度和精度提高约一倍。将此系统用于2m处的振动进行原理性实验,其振幅测量相对误差为0．1％,可测频率最高为750Hz,因此可用于高空遥测人工地震波。