物体内部三维位移场分析的数字图像相关方法

提出了物体内部三维位移场的数字图像相关分析方法，对物体变形前后，或连续变形的两个相邻状态的内部三维结构的数字图像，通过相关运算获得三维位移场.文中给出了三维相关法的体搜索窗口、相关函数及亚像素运算的相关系数拟合函数.数字模拟结果证明了三维相关法的正确性及可靠性.位移计算精度为0.02像素. 关键词： 数字图像相关 三维相关 亚像素     

基于CT的数字体散斑法测量物体内部三维变形场

提出了用于测量物体内部三维变形场的数字体散斑(DVSP)法。利用计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、激光扫描共焦显微镜(LSCM)或光学相干断层成像术(OCT)获取具有散斑特征的物体变形前后的三维立体图像,将其分别分割成若干具有相同尺寸的子块体,对相对应的子块体进行第一步三维快速傅里叶变换,在频谱域进行数值干涉得到合成谱,对合成谱进行第二步三维快速傅里叶变换,得到含位移信息的扩展脉冲函数,通过求取峰值位置得到子块体的位移矢量,对所有变形前后相对应的子块体逐一进行上述两步三维快速傅里叶变换,就可以求出所有子块体的位移矢量,从而获得物体内部三维变形场。利用模拟生成的三维散斑体图像,通过数字实验,分析了散斑尺寸、数目、子块体尺寸、图像对比度和亮度对DVSP法精度与准确性的影响。利用DVSP法测量了红砂岩单轴压缩内部的三维应变场,由位移场及应变场分布可直观地揭示试件内部变形特征。     

基于CT的数字体散斑法测量物体内部三维变形场EI北大核心CSCD

提出了用于测量物体内部三维变形场的数字体散斑(DVSP)法。利用计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、激光扫描共焦显微镜(LSCM)或光学相干断层成像术(OCT)获取具有散斑特征的物体变形前后的三维立体图像,将其分别分割成若干具有相同尺寸的子块体,对相对应的子块体进行第一步三维快速傅里叶变换,在频谱域进行数值干涉得到合成谱,对合成谱进行第二步三维快速傅里叶变换,得到含位移信息的扩展脉冲函数,通过求取峰值位置得到子块体的位移矢量,对所有变形前后相对应的子块体逐一进行上述两步三维快速傅里叶变换,就可以求出所有子块体的位移矢量,从而获得物体内部三维变形场。利用模拟生成的三维散斑体图像,通过数字实验,分析了散斑尺寸、数目、子块体尺寸、图像对比度和亮度对DVSP法精度与准确性的影响。利用DVSP法测量了红砂岩单轴压缩内部的三维应变场,由位移场及应变场分布可直观地揭示试件内部变形特征。     

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.     

基于单帧变形条纹的物体三维位移和速度测量

用隔行扫描摄像机采集到的运动物体单帧变形条纹测量三维位移和速度.该方法将一帧变形条纹分成两个单场,利用傅里叶变换轮廓术重建三维面形,从单场条纹的调制度中提取二值化模板,计算质心获得亚像素匹配定位点,通过双三次插值和标定,实现了一个场周期时间内三个维度上的位移和平均速度的测量.匀速运动物体实验结果表明:被测速度的最大绝对误差为0.6 mm/s,相对误差为0.57%.该方法仅用一帧变形条纹即可测量运动物体的三维位移和速度,提高了时间分辨率和测量准确度.     

数字体图像相关方法中的残余灰度场计算研究

残余灰度场是变形前后数字体图像中对应体素点的灰度之差。在基于有限单元的全局数字体图像相关（DVC）方法中,残余灰度场作为计算区域各体素点匹配质量的目标函数,可直接计算获得,并可用于材料内部损伤演化或裂纹扩展的精细表征。然而,当前广泛使用的基于图像子体块的局部DVC只能获得计算区域内各离散计算点的位移、应变和相关系数信息,无法直接计算区域内各体素点的残余灰度。相较于相关系数和变形信息,残余灰度场可实现逐体素的匹配质量评价,在内部损伤或裂纹扩展的可视化观测和准确定位方面具有显著优势。为能在局部DVC中获得残余灰度场信息,提出一种简单有效的残余灰度场计算方法。该方法基于三维Delaunay四面体剖分算法,并利用有限元框架对局部DVC离散计算结果进行稠密插值,以获取逐体素连续位移场,并将其用于变形体图像校正。模拟和真实实验结果表明,基于局部DVC测量结果后处理计算获得的残余灰度场不仅可以实现精准的损伤定位,还能观测到裂纹形貌以及界面脱黏行为。所提方法弥补了当前局部DVC在精细化匹配质量评价方面的不足,有望拓展该方法在材料和结构内部损伤观测和定位中的应用。     

立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形场

采用立体摄影术与数字图像相关技术相结合的方法测量了三维位移场。首先利用两个CCD摄像机在空间两个不同位置拍摄物体表面在变形前后同一个区域之间的散斑图像;然后利用数字散斑相关技术求解这四幅散斑图像之间的相对位移;最后利用立体摄影的几何转换公式来确定物体表面的三维变形场。给出了该立体摄影测试系统的标定结果以及编织复合材料试件的三维变形测量结果。     

涡旋光的干涉特性及其在变形测量中的应用

将涡旋光应用于电子散斑干涉,测量变形物体的离面位移.把传统的电子散斑干涉测量技术与液晶空间光调制器相结合,将所获得的涡旋光作为参考光或者物光进行变形测量.推导出物光为平面光、参考光为涡旋光,和参考光、物光均为涡旋光时物体变形后的干涉强度公式,模拟计算了变形后的干涉图样,分析了变形图样的特征.运用四步相移方法得到了物体的变形相位公式,通过解包裹得到了物体的变形相位.模拟计算得到的三维相位分布图与物体离面位移的变形相位理论值的三维分布图相吻合.模拟实验结果表明,涡旋光可以应用于物体的变形测量,为变形测量提供新的途径.     

基准光栅重构傅里叶变换轮廓术

应用傅里叶轮廓变换术进行三维形貌测量中,为了获得待测物体的高度相位信息,通常需要采集两幅图像.因此当光学系统发牛变动时,必须重新采集基准光栅图像,不利于快速测量.提出一种从变形光栅图像中获取基准光栅图像信息的测量方法.首先在变形光栅图像中记录基准光栅信息,然后通过傅里叶分析提取基准光栅频率信息,通过图像分析获得基准光栅相位信息,最后重构出一幅完整的基准光栅图像,实现三维物体形貌测量.实验结果验证了该方法的可行的.     

基于单摄像机的三维位移测试方法

基于三维位移测量手段在工程技术领域的必要性和重要性,开展了基于单摄像机和数字图像相关的三维位移测试方法研究.基于图像位移场矢量中心和斜率与面内和离面位移的分别对应关系,采用Savitzky-Golay(SG)微分滤波器分离图像位移子区内的常数项与一次项,可实现物体三维位移分量的有效分离.以针孔摄像机成像模型为基础,开展了相应的数值模拟实验及悬臂梁端部受载的实验,发展了与三维线性变形对应的散斑图模拟方法,验证了基于二阶位移模式的牛顿-拉夫森迭代法的精度和适用性.数值模拟与实验结果均验证了三维位移测试方法用于实现物体三维位移重构的可行性和优越性.