针对裂尖变形场测量的包络单元局部数字图像相关方法

使用数字图像相关(DIC)方法测量平滑、准确的裂纹尖端位移场和应变场是学术界难题之一。目前常用的方法为基于子区的局部DIC方法,但其子区跨裂纹计算的结果无意义。经过改进的基于子区分割的DIC方法降低了子区内像素点数量,导致精度降低。提出一种基于Hermite单元的局部DIC(HELDIC)方法,依次分块计算感兴趣区域(ROI),利用较大单元包络分块区域剔除单元边界精度较低的数据,通过调整Hermite单元位置使得剔除的数据量最少,再使用所提改进的逐点最小二乘(PLS)方法平滑分块的位移场并得到应变场,从而提高裂纹尖端应变场的平滑度和精确度。实验结果表明,所提方法与传统局部DIC方法相比获得的变形场距离裂纹尖端及裂纹面更近,且在给定的单元和子区大小下的应变场平均误差降低30%以上,是计算裂尖变形场的有效方法。     

面内位移测量的基于梯度的数字图像相关方法

将整像素位移搜索和基于微区统计性质的亚像素位移梯度算法相结合的数字图像相关方法具有计算简单、求解效率高等优点。该方法的基本假设是变形前后的子区做刚体平移,这则与有位移梯度存在的实际情况相矛盾。首先分析了该基本假设的理论误差,在基于梯度的数字图像相关方法中,得出变形子区做刚体平移的假设和在Newton-Rapshon方法中子区均匀变形的假设所获得的变形子区中心位移在理论上为相同的结论。然后用四组实验来验证该方法在实际实验条件下的计算精度和稳定性,并在铝板试件的单向拉伸实验中,将该方法与N-R方法在有应变存在情况下的计算结果作比较,结果表明该方法计算的位移和理论位移符合得很好,但其计算速度和效率要远优越于N-R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。     

二维多相机全场数字图像相关变形测量方法

从理论上推导了数字图像相关(DIC)方法中应变精度的影响因素,指出应变计算精度会随着窗口尺寸的变小而下降。为了提高图像有效分辨率,针对细长平面试件提出了一种二维多相机全场DIC方法。该方法根据特征点检测及匹配算法定位特征点对的亚像素位置,通过DIC方法对特征点对进行高精度配准,利用发展的逐步优化单应矩阵方法求解图像变换关系,得到变形前后的无缝拼接图像。分别实施了纯平移和橡胶梁三点弯两组实验。在纯平移实验中,该方法计算得到的应变均值误差及均方根误差均在50με以内,验证了该方法的有效性;采用橡胶梁三点弯实验对比该方法与三维多相机全场DIC方法,并基于实验结果对该方法的优点与缺点进行了分析。     

基于最小一乘拟合的非均匀应变的数字图像相关测量

数字图像相关(DIC)方法是一种重要的位移和应变非接触式测量方法。为了对物体的非均匀应变进行准确测量,在DIC方法中引入位移最小一乘拟合,鉴于最小一乘拟合解析方法求解困难,采用基于模拟退火的混合粒子群算法进行求解。开展了虚拟剪切带形成的数值实验和相似材料断层滑移实验,并对非均匀变形条件下最小一乘拟合和最小二乘拟合的应变测量结果进行对比。研究发现:对于非均匀应变测量,最小一乘拟合的结果要优于最小二乘拟合;而对于均匀应变测量,两种方法具有相同的精度。     

数字图像相关中基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变测量

为了从含噪声的位移场中计算得到可靠的应变场,提出一种基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法。介绍了数字图像相关方法的原理,阐述了基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法,并讨论了计算区域边界、孔洞及裂纹附近区域等情况下的应变计算。对均匀变形和中心带圆孔的薄铝板拉伸实验的计算结果表明,该方法能有效地从原始位移场数据中提取全场应变信息。在均匀变形情况下应选择大的应变计算窗口,计算结果更逼近真值;在非均匀变形情况下,如果位移场中包含较强的噪声,则应选择较大的应变计算窗口,而位移场精度很高时可选择更小的应变计算窗口。     

显微图像阈值分割算法的研究

针对细胞图像分割问题,考虑传统阈值分割方法的局限性,提出一种自适应局部阈值分割算法。该算法的基本思想是通过自适应阈值选取对每个像素确定以它为中心的一个邻域窗口,计算窗口内像素的最大和最小值,再取它们的均值为阈值,以此分割图像。分别用自适应阈值分割法和迭代阈值的图像分割方法实现图像分割,实验结果表明:自适应阈值分割法效果良好,具有鲁棒性。     

基于一阶及二阶灰度梯度的散斑图质量评价方法

散斑图质量对数字图像相关(DIC)方法的测量精度具有重要的影响。以平均灰度梯度这一传统的散斑图质量评价参数作为基础,提出了一种新的评价参数——平均一阶及二阶灰度梯度商,该参数同时考虑了一阶和二阶灰度梯度。从整体上来说,一阶灰度梯度的曲面比较光滑,而一阶及二阶灰度梯度商的曲面比较粗糙。采用Zhou等人提出的方法制作了80张模拟散斑图,对这些模拟散斑图的传统参数和提出参数进行了计算。结果表明:当散斑半径相同时,随着散斑数量的增加,两种参数均先增加,后减小;当散斑数量一定时,二者均有一个峰值;散斑半径越大,提出参数的峰值越大,而传统参数的峰值越小。对提出参数的峰值所对应的4张散斑图进行了多次连续平动,并使用DIC方法测量了测点的水平位移。结果表明,在提出参数越大的散斑图上测点的水平位移误差越小,在一定程度上验证了提出参数的正确性。     

高应变率压缩加载下LY12铝圆管的剪切断裂研究

 通过回收破片的断口观察和金相分析研究了LY12铝圆管在高应变率压缩过程中的剪切断裂现象；回收破片具有典型的剪切断裂特征，断口与径向近似成45°夹角，断口观察发现断口面经历过径向摩擦；破片金相分析表明，绝热剪切带和裂纹首先在圆管内壁附近产生，然后沿最大剪应力线向外壁扩展。利用数值计算给出了圆管在内爆压缩加载下管壁内微元的应力、应变历史，为分析LY12铝圆管的剪切断裂提供了参考。     

基于SURF特征匹配的数字图像相关变形初值可靠估计EI北大核心CSCD

鉴于Newton-Raphson(N-R)迭代法的数字图像相关方法(DIC)对初值敏感等问题,提出了一种使用SURF(speeded up robust features)特征匹配的数字图像相关方法。SURF算法能匹配出变形前后图像的特征点对,并获得点对的坐标值,使用与匹配点对所在的子区相对应的仿射变换来初始估计子区的变形参数,获得兴趣点的估计值。根据估算的初值进行迭代优化,得到使归一化最小平方距离相关函数(ZNSSD)最小化的兴趣点位移值。实验中,分别用该法及传统的基于尺度不变特征变换(SIFT)的初值估计方法对鲤鱼鳞片拉伸变形图样进行处理,结果表明所提的初值估计方法更加精确有效,并能够使后续的N-R迭代优化快速收敛。     

加权窗口在数字图像相关技术中的应用研究

应用数字图像相关法计算变形前后图像中各点的位移量时,先通过整像素搜索法来确定各点的整像素位移,进而根据整像素搜索得到的相关系数值来计算各点的亚像素位移.提出了一种新的整像素搜索法,即采用计算窗口加权的方法对变形前后图像中的点进行搜索计算.计算结果表明,该方法是可行的,同时可以提高计算结果准确度.     

改进WKB方法与相移值的修正

利用非均匀波导的多层分割法,对传统ＷＫＢ法的相称值进行修正,导出了改进的ＷＫＢ计算公式,并给出相移修正值的计算公式。对常见的典型折射率剖面（指数型、高斯型、余误差型、截断线型）的数值计算表明,该方法所得公式的精度远高于传统的ＷＫＢ近似,在接近截止时仍与精确数值十分吻合。     

运动背景下的帧间稳像技术

针对运动背景下帧间稳像技术,提出了一种带运动矢量修正的灰度投影运动估计算法。采用该算法分别对当前帧和参考帧的行、列计算灰度投影序列;将当前帧投影序列局部分块,分别将每一分块与参考帧行、列投影曲线进行互相关计算,得到基于局部投影的行、列运动矢量集合;以分块区域的相关置信度为权系数衡量参数,计算每一分块的像素位移权值,从而计算某一方向帧间的加权运动矢量。实验结果表明：该方法可以使运动目标造成的影响只作用于其中若干个局部分块,而其他分块不受此影响,尽可能保证稳像的准确性。采用该方法稳像后的图像与参考帧图像的均方根误差（RMSE）值明显下降,与参考帧图像更加吻合。     

运动背景下的帧间稳像技术

针对运动背景下帧间稳像技术,提出了一种带运动矢量修正的灰度投影运动估计算法。采用该算法分别对当前帧和参考帧的行、列计算灰度投影序列;将当前帧投影序列局部分块,分别将每一分块与参考帧行、列投影曲线进行互相关计算,得到基于局部投影的行、列运动矢量集合;以分块区域的相关置信度为权系数衡量参数,计算每一分块的像素位移权值,从而计算某一方向帧间的加权运动矢量。实验结果表明:该方法可以使运动目标造成的影响只作用于其中若干个局部分块,而其他分块不受此影响,尽可能保证稳像的准确性。采用该方法稳像后的图像与参考帧图像的均方根误差(RMSE)值明显下降,与参考帧图像更加吻合。     

反射镜架系统运动学支撑连接的有限元建模

 根据反射镜架系统中运动学支撑连接的物理接触形式,采用相应的位移协调方式来模拟其连接,建立了一个镜架结构的有限元模型,并分析了该镜架系统的模态及结构在地脉动载荷下的微振动分析。得到前三阶模态固有频率的最大误差小于5%,各测点的位移响应均方根的计算值与试验值吻合较好,多数点位移均方根误差控制在30%以内,且各支撑连接部位的传递特性的计算结果与试验结果比较一致,验证了所采用的运动学支撑连接的建模方法的可行性。     

基于自调整测量基准图的直线电机动子位置测量累积误差消减

为解决直线电机动子位置测量中多帧图像位移叠加而产生的误差累积问题,提出一种加阈值变换基准图（TTBM）的机器视觉累积误差消减算法。首先,根据直线电机动子的一维刚体平动特点,生成并优选灰度变化更加平滑的一维散斑图像作为目标拍摄图。其次,采用相位相关算法（PCA）改进灰度梯度方法,对配准图像进行整像素平移后再计算亚像素位移,以增大基准图像与配准图像之间的位移测量范围。最后,提出自调整基准图方法,根据图像位移的测量范围设定基准图像变换阈值,降低位移叠加次数,减小累积误差,实现直线电机长行程精密位移测量。同时,研究了基准图像变换阈值对测量精度的影响,给出了基准图变换的最佳阈值选取范围。仿真和实验表明,所提方法可以有效地减小直线电机动子测量中叠加而产生的累积误差。     

蒙特卡罗方法在高能闪光照相图像边界检测中的应用

提出了采用蒙特卡罗方法来模拟高能闪光照相物理过程,提供模拟图像用于边缘检测,依据模拟图像的边界退化来修正实验图像的边界,通过迭代计算获得较精确的客体边界。利用数值计算来验证和评估方法的精度与可靠性,实验图像处理结果表明:采用Canny算子获得的边界值误差在几个像素尺寸,采用该方法修正后边界值误差降低至1个像素尺寸或更低,相比于修正前精度得到了显著提升。     

吸收体形状对太阳能复合多曲面聚光器光热性能的影响

近年来,室内定位算法吸引了大量的关注和研究。为了改善现有定位算法的复杂度以及精确度等问题,提出了一种先利用Elman神经网络进行室内位置预测,使用加权K近邻算法(WKNN)对预测结果进行修正的可见光室内定位算法。该算法应用在由单LED灯作为发射器,4个水平光电探测器(PD)构成接收器的室内定位系统中。4个水平光电探测器分别位于接收器的4个角,待测位置位于接收器的中心。通过两个Elman神经网络分别预测待测点的横坐标和纵坐标来确定待测点的初步位置,找出定位误差大于神经网络预测平均误差的待测点,用加权K近邻算法进行修正来确定待测点的精确位置,将修正后的精确位置更新到整体待测点的位置中。仿真结果表明,在3.6 m×3.6 m×3 m的室内环境下,本研究算法的平均定位误差为7.13 cm,平均定位时间为0.24 s。     

基于FBG反射谱特征的修补结构裂纹扩展监测

为了提高飞行器壁板裂纹修补结构的安全性,对基于光纤布拉格光栅(FBG)反射谱特征的航空铝合金修补结构疲劳裂纹扩展长度及角度监测方法进行了研究。修补结构在疲劳载荷的作用下,裂纹发生扩展,其尖端附近会产生不均匀应变场,在其作用下FBG传感器反射谱发生变形,通过检测反射谱变形达到监测裂纹扩展的目的。建立了实验样件的模型,使用有限元方法计算得到不同角度下裂纹扩展到不同长度时的应变分布,使用传输矩阵数值计算方法得到相应的FBG反射谱。提取反射谱的主峰偏移、反射谱面积、次峰峰值和三峰峰值等变形特征,建立并训练人工神经网络(ANN),通过ANN建立反射谱变形特征同裂纹扩展情况的关系,实现了对修补结构裂纹扩展的精确监测,监测裂纹长度误差在0.5 mm之内,角度误差在5°之内。解决了修补结构的裂纹扩展精确监测问题,对提高飞行器安全以及节约维护成本有着重要意义。     

大变形下基于数字图像相关的改进分段位移传递法

将数字图像相关方法用于物体表面发生大变形时的图像匹配时,经常因变形区域非线性变形和变形过大而遇到问题。借鉴已有的分段测量思想,提出了一种改进的位移测量方法。该方法根据图像间的相关程度将图像序列中的某一阶段图像重新选取为参考图像,然后将先前匹配得到的该图像上的亚像素子区中心圆整成整像素整坐标,从而可以直利用数字图像灰度分布作为该参考子区的灰度分布进行数字图像相关计算。对像素圆整过程中损失的精度,利用连续介质的变形连续性概念进行精度补偿。另外提出用生长法获取初始匹配点,提高了匹配点对生成效率,并且根据由生长法获取的待匹配点集与由相关计算得到的最优匹配点集之间的比率实现参考图像的自动选取。实验对比和精度分析显示所提方法有效、可靠,匹配精度在0.01 pixel量级。