一种圆形窗口与矩特征相结合的新型高效数字图像相关方法

本文提出了一种新的数字图像相关方法 (DICM)———将圆形窗口与矩特征相结合的算法。该方法克服了通常的数字图像相关方法不能在测试对象有 5°以上转角的情况下使用的缺点 ,在测试对象既有平动、又有较大转角的转动时仍然能进行高精度的搜索运算。文中详细阐述了该方法的原理与搜索过程 ,对搜索过程中矩与图像变形的关系及相关计算后相关峰的含义均作了详细讨论 ,并通过数值模拟和实验对由该方法所形成的数字图像处理软件的测量精度和在实际测量中的测试误差进行了分析和研究 ,从理论和实验两方面证明了该方法的可行性和优越性 ,并讨论了精度和速度的影响因素     

后验概率算法用于位移场的确定

提出了一种基于贝叶斯最大后验估计算法确定固体表面位移场的方法。在图像处理过程中，把位移看作随机变量，首先建立贝叶斯模型，对变形前数字图像中的一个像素点，选定变形前后两幅数字图像中对应的圆形子区，将两子区所对应的所有可能位移逐一代入贝叶斯后验概率公式进行计算，使后验概率最大的位移值就是所求该点的位移。在得到整像素位移之后，引入亚像素重建技术，确定图像的精确位移场。本文通过计算机数字模拟实验和实物标准位移实验，验证了该方法的可行性，并得到了0．02pixel的位移测量精度。     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

基于拟合求解数字图像相关亚像素位移算法

数字图像相关方法是一种非接触式的变形场测量方法。虽然目前该算法能取得较高的计算精度,但是通常存在计算量较大、计算时间较长的问题。为了提高算法的计算效率,本文提出了一种基于移动最小二乘算法拟合整像素位移求解亚像素位移的数字图像相关方法。因为采用移动最小二乘算法有效利用了局部特征,所以可以采用相对简单的多项式拟合求解复杂的周期型余弦变形,同时计算结果具有较高的精度。计算结果的平均误差为0.0238pixel,标准误差为0.0791pixel,与常用的空间相关亚像素位移计算结果精度相当。实验结果验证了本文算法的正确性和有效性。通过与等计算精度的NR算法对比分析,结果表明本文算法在亚像素位移计算阶段具有更高的计算效率。计算效率至少提升了58.1倍,最多提升了437.8倍。     

白光DSCM方法用于岩石变形观测的研究

本文分析了白光DSCM（数字散斑相关测量）方法用于岩石材料表面变形观测的可行性及优越性，并根据岩石材料变形的特点将普通DSCM方法进行改进。DSCM方法应用于岩石变形观测中，使观测过程得到简化，同时有助于解决岩石力学中一些难题。文中的实验结果证实了该方法的可行性和优越性。     

数字全息计量技术及其在微小位移测量中的应用

数字全息是用数字的方式记录和处理全息图像，避免了传统全息照相的化学处理，既简化了处理过程，更便于用数字图像处理的方式来改进图像质量和提取信息。数字全息干涉计量技术是一种全场、非接触的光学测量方法，该方法测量精度高，光路简单，对防振要求低，实验条件容易满足，特别适合微小物体的微小位移或变形的精确测量。本文运用数字全息干涉计量法测定了两端固支梁的微小离面位移；经实验验证数字全息计量术能精确测量物体0．01微米量级位移或变形；而且该方法可靠性好、成本低；是非接触的无损测量。数字全息计量技术的这些特点使得该技术在小物体的微小变形测量上具有特别的优越性，因而在MEMS结构及MEMS材料参数(如弹性模量、泊松比、热变形系数等)的测定中有广阔的应用前景。     

基于Haar小波变换的位移场测量方法

本文提出了一种应用小波变换对固体表面位移场进行测量的新方法，在图像分析时，用各点属于不同尺度的小波变换系数来表征该点周围的子区。将试件表面位移前后的两幅数字图像进行小波变换，通过变形前后两幅图像小波变换系数之间的相互匹配，使位移前后两幅图中的子区对应起来，从而确定图像的位移场。本文应用Haar小波变换进行了计算机模拟实验和实物位移实验。引入亚像素技术，获得了0．02的位移测量精度。     

数字图像相关曲面拟合法相关系数修正算法的实验研究

为了提高数字图像相关曲面拟合法亚像素定位精度,经研究发现,在实际应用中,曲面拟合法在亚像素位移为0.5像素左右时会发生较大的波动,与实际亚像素位移发生一定偏离,导致此位置位移的不连续。本文通过分析曲面拟合法亚像素位移偏离真实位移的原因,给出了具体修正方法,用模拟平移实验讨论了修正系数k和子区大小对修正结果的影响,用三点弯曲实验验证了修正方法在复杂变形情况下的有效性,提高了曲面拟合法在实际应用中的测量精度。     

材料力学性能显微测试系统

介绍了适用于毫、微米量级材料的力学性能测试系统,该系统包括微型加力装置、显微镜及数字图像处理系统。通过计算机控制,加力机构可以对微小试件按力或位移控制方式加载,载荷大小通过传感器直接由计算机数字化。试件的变形测量采用数字图像相关技术,通过序列图像分析方式,获得试件在不同外力作用下对应的变形,从而获得该材料的应力应变关系。在利用显微镜对微细观图像进行放大时,图像的畸变会影响相关计算的精度,本文采用了精度极高的正交栅板,对成像系统进行标定,有效地消除了高放大倍数下的图像畸变。图像相关技术对被测物体的表面处理非常敏感,本文也对这一问题进行了讨论,并给出两个不同的应用实例。第一个为材料性能试验,对厚度为0.1mm的铝材进行单向拉伸,给出了材料的应力应变关系;第二个为稳态裂纹扩展试验,对用人牙制作的紧凑拉伸试件进行测试,获得裂尖后的COD曲线。实验表明,该测试系统在微细观力学实验中具有广阔的应用前景。     

利用分形相关法测量股骨头剖开面的面内位移

由于股骨头内松质骨结构的复杂性,对股骨头内骨小梁的应力和变形的分析与测试十分困难。在已经开展的这一方面的研究工作中主要是进行松质骨试样的宏观力学性能测试。随着计算机和图像技术的发展,图像及图像相关方法开始被用来进行松质骨的生物力学研究,这是非接触的测量方法,可以用来测量松质骨的表面位移场。本文利用图像相关方法在宏观尺度下测量了股骨头受外力作用时冠状面的面内的位移分布,作为进一步探索的开端。尽管松质骨表面的凹凸不平性对测量精度有影响,但是,还是可以分析出面内位移的分布特点。     

非连续数字图像相关方法在裂纹重构中的应用

数字图像相关方法作为一种新的非接触式位移测量方法,在力学工程中有广泛的应用前景,然而受限于标准方法对图像变形的连续性要求,这种高效的测量方法在断裂力学领域的推广受到了限制. 为解决这一问题,提出采用引入子区分离数学模型,代替标准方法的连续模型,来对非连续区域进行精确识别和匹配的非连续数字图像相关方法. 研究子区被裂纹等非连续分割后原始像素点的位移情况,并引入裂纹张开向量用以表征被分割子区的主区和副区的位移关系;从而建立子区分离模型的数学表达式,并且为所提出的模型设计相应的图像相关算法;然后将所提出的非连续数字图像相关方法应用于重构平板拉伸试验开裂过程中图像的位移. 研究结果表明,相比于标准的数字图像相关方法,所提出的非连续数字图像相关方法解决了图像相关法在非连续区域失效的问题,提高了数字图像相关方法对位移测量的正确率,特别是能够准确重构裂纹面及附近的位移场,其测量精度能够达到亚像素级别.      

Digital Image Correlation with Self-Adaptive Gaussian Windows

A novel subpixel registration algorithm with Gaussian windows is put forward for accurate deformation measurement in digital image correlation technique. Based on speckle image quality and potential deformation states, this algorithm can automatically minimize the influence of subset sizes by self-adaptively tuning the Gaussian window shapes with the aid of a so-called weighted sum-of-squared difference correlation criterion. Numerical results of synthetic speckle images undergoing in-plane sinusoidal displacement fields demonstrate that the proposed algorithm can significantly improve displacement and strain measurement accuracy especially in the case with relatively large deformation.     

基于双线性位移模式数字图像相关方法的误差分析及应用

探讨数字图像相关方法测试结果的误差分布规律对提高该方法的测试精度具有重要意义。本文从理论上分析了基于双线性位移模式数字图像相关方法的子区变形场测试误差分布规律,结果表明,当试件的真实变形可由双线性位移模式描述时,变形场最大测试误差通常出现在子区的边界或节点处。因此,若试件发生均匀拉伸等常应变变形,可利用相关系数选取一个最优子区,认为测得最优子区中心应变为试件真实应变。零变形实验验证了该测试方法的可靠性。最后对手机导光板试件在单轴拉伸载荷下的数字图像进行分析,并利用本文方法测试了其弹性常数。     

数字图象测量系统灵敏度分析

在目前常规图象分辨率基础上，对数字图象相关测量方法的灵敏度进行分析，给出了位移和应变测量的灵敏度，并讨论了影响灵敏度的有关因素，进而指出，数字图象测量系统特别适合于各种位移场的大变形场的定量测量，在配制了相应的光学观察仪器后。也基本适合一般变形场的测量。     

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...     

基于体视显微镜的测量系统标定研究

微观三维变形测量系统在工程上有广泛的应用。本文构建了体视显微镜双相机微观图像采集与测量系统,可以实现对微小物体形貌、位移、变形的全场测量。微观三维变形的测量精度与成像系统的畸变模型存在密切的关系。本文采用了考虑多种不确定情况的畸变模型,能很好地表达体视显微镜测量系统的成像误差,并设计了点阵式标定模板和精密的平动平台,实现了基于Tsai标定的自动标定算法。实验表明,体视显微镜测量系统可以在各种放大倍数下稳定工作,标定的精度得到很大的提高,并给出了在不同放大倍数下对规则圆柱体的形貌和直径的测量结果。     

应用数字图像相关方法测量含缺陷试样的全场变形

利用数字图像相关方法测量表面带孔洞、裂纹、缺口等缺陷试样的全场变形是许多实际测量任务中经常遇到的问题。就此问题，本文阐述了一种先对要避免计算的缺陷区域进行标记，在随后进行的相关计算中直接避免这些标记区域的方法。在已计算得到全场位移的情况下，文中提出了基于局部位移场最小二乘拟合的方法来计算区域边界、孔洞、裂纹或缺口附近等区域应变。最后对单侧边带半圆缺口试样的单向疲劳拉伸实验的计算结果充分显示本文方法的有效性和可靠性。     

高速3D-DIC测试技术在装甲钢贯穿试验中的应用

数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术作为一种非接触、非干涉的全场无损光学量测技术,可获取材料表面的动态变形信息和破坏过程。为了评估装甲钢的抗弹性能并探索高速三维数字图像相关（3D-DIC）技术在钢板贯穿试验测试中的应用,基于氢氧爆轰驱动弹道枪开展了7发15 mm口径可变形弹体以不同速度（255～568 m/s）冲击不同厚度（5、8和10 mm）高强高硬装甲钢板的试验,并结合帧率为144 000 s?1的高速3D-DIC测试技术获取了靶板的离面位移和应变时程。随后,基于前期标定并验证的装甲钢本构模型参数,对上述试验进行了数值模拟。通过对比弹体残余速度和长度验证了有限元分析方法的可靠性。进一步通过对比试验与数值模拟得到的靶背离面位移时程曲线和不同时刻靶背的应变云图,验证了高速3D-DIC测试结果的准确性。最后,对比分析了靶板最大离面位移与弹体冲击速度和装甲钢板厚度的关系。高速3D-DIC测试技术的应用可为相关试验测试提供参考,靶板最大离面位移分析结果可为屏障类防护结构的分析验证和优化设计提供试验依据。     

Scanning-Digital Image Correlation for Moving and Temporally Deformed Surfaces in Scanning Imaging Mode

Background

Images from scanning electron microscopes, transmission electron microscopes and atomic force microscopes have been widely used in digital image correlation methods to obtain accurate full-field deformation profiles of tested objects and investigate the object’s deformation mechanism. However, because of the raster-scanning imaging mode used in microscopic observation equipment, the images obtained from these instruments can only be used for quasi-static displacement measurements; otherwise, spurious displacements and strains may be introduced into the deformation results if these scanning microscopic images are used directly in general digital image correlation calculations for moving and temporally deformed surfaces.

Objective

Realizing kinematic parameter and dynamic deformation measurements on a scanning electron microscope platform.

Methods

Establishing a scanning imaging model of moving and temporally deformed objects that contains motion and deformation equations, a scanning equation and an intensity invariance assumption for small deformations. Then proposing a scanning-digital image correlation (S-DIC) method based on combing the characteristics of the scanning imaging mode with digital image correlation.

Results

Quantitatively investigating the effects of the spurious displacements and strains introduced when using scanning images to represent moving and temporally deformed surfaces in the measurement results. Numerical simulations verify that the accuracy of the S-DIC method is 10^?2pix for the displacement, 10^?4 for the strain, 10^?4pix/s for the velocity and 10^?6s^?1 for the strain rate. Experiments also show that the proposed S-DIC method is effective. Conclusions: The results of this work demonstrate the utility of S-DIC on the field of microscopic dynamic measurement.