数字体图像相关方法中基于迭代最小二乘法的物体内部变形测量

本文提出一种基于迭代最小二乘法的亚体素位移测量算法.该算法模型结合了符合实际情况的线性灰度变化模型和线性位移映射函数,采用仅需变形后体图像一阶灰度梯度的迭代最小二乘法计算亚体素位移和位移梯度.由于该算法采用的模型符合实际情况,因而具有更高的位移测量精度和更广泛的适用性.此外,由于仅需变形后体图像的一阶灰度梯度,无需计算...     

相移数字云纹测量系统

介绍了一种相位移数字云纹变形测量系统．测试系统采用ＣＣＤ摄像系统记录光栅图像，控制采样的空间频率大约为光栅线密度的整数倍，对试件栅进行采样后用数字信号处理的方法，实现空间相位移及进行实时数字云纹条纹显示，并对相移误差及光栅信号的高阶谐波的影响进行了校正     

基于Harris角点检测的位移测量算法

在力学实验中,位移和应变的测量是最基本任务之一。本文提出了一种基于Harris角点检测的位移测量算法。通过检测变形前图像的角点,然后利用光流跟踪技术在变形图像中搜索其匹配点,最终计算得到位移值。算法对图像采用网格划分方式进行计算,达到了全场测量的目的。实验结果表明,该算法位移测量精度高、稳定性好,可作为基于图像处理的无损测量方法。     

DVC中内部散斑质量评价及计算体素点的优化选择

数字体图像相关方法(digital volume correlation, DVC)是一种可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学测试技术, 通过分析由体图像成像设备(如X-ray CT)获取的物体变形前后的三维体图像, DVC可获得物体内部具有亚体素精度的三维变形信息. 在应用DVC测量内部变形时, 被测试样体图像的内部散斑质量对其测量精度有着重要影响. 本文从DVC算法位移测量误差的理论分析和数值模拟实验两方面证实了DVC的位移测量误差与计算子体块的灰度梯度平方和(sum of square subvolume intensity gradient, SSSIG)值呈负相关关系, 即: 计算子体块的SSSIG值越大, 其位移测量精度越高, 因此SSSIG可用于体图像内部散斑质量的定量评价. 尽管直接增加计算子体块尺寸可以增加SSSIG, 但是较大计算子体块内更多的计算点会导致计算量的显著增加. 为此, 本文进一步提出一种计算体素点优化选择方法, 该方法通过将计算子体块中灰度梯度较小的体素点剔除出计算, 以实现在增大计算子体块尺寸的同时不会显著增加计算量. 模拟和真实实验结果显示了该计算体素点优化选择方法的有效性.      

数字图像相关方法辅助的视频运动放大改进方法及其在位移测量中的应用

视频运动放大(Video Motion Magnification, VMM)方法因其能放大视频中的微小运动，而受到工程测量领域的广泛关注。当放大微小运动的视频时，若VMM方法中的时域滤波器参数设置不恰当，放大后的视频容易产生图像伪影和噪声。为了克服传统方法中需要手动设置滤波器参数的缺点，提出一种由数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法辅助的VMM改进方法。该方法的主要思想是由DIC方法计算图像位移并由此分析出运动主频，然后将VMM方法中的时域滤波器参数设置在包含该运动主频的较窄区间范围内。这种参数设置方法可保证放大后的视频中保留图像细节且无明显伪影。室内多频运动实验以及室外单频运动实验的结果表明，本文所提出的方法不需要反复手动设置参数试错，可直接获得清晰的运动放大后视频，并可进一步实现微小运动的位移测量。     

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.      

基于数字图像体相关的物体内部三维位移场分析

在二维数字图像相关算法的基础上,推导了三维数字图像体相关算法,并应用于物体内部的三维位移场分析。用计算机模拟方法对SR-CT重建的物体内部三维图像施加已知变形,对变形前后三维数字图像进行体相关运算,获得三维位移场。在计算亚像素位移时,本文提出了一种三维的基于灰度梯度的算法,给出了梯度函数,阐述了数字模拟三维体相关的计算过程,通过数字模拟实验证明了算法的正确性和可靠性。     

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.     

基于改进位移模式的一维C1有限元超收敛算法

提出了基于改进位移模式的一维C1有限元超收敛算法。利用单元内部需满足平衡方程的条件,推导了超收敛计算解析公式的显式,即将高阶有限元解的位移模式用常规有限元解的位移模式表示。用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式。采用积分形式推导了单元刚度矩阵。该算法在前处理阶段使用了超收敛计算公式,在常规试函数的基础上,增加了高阶试函数,使得单元内平衡方程的残差减少,从而达到提高精度的目标。对于Hermite单元,本文的结点和单元的位移、导数都达到了h4阶的超收敛精度。     

层合板六参量几何非线性高阶剪切理论

提出了层合板六参量的高阶剪切变形理论的位移场假定,以考虑在大变形条件下层合板法向变形和厚度的变化。同时对ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ应变位移简化假设进行补充修改,考虑某些有限变形条件下被忽略小量的影响,建立了对应于该文六参量模型和更加适凳大变形分析的层合板几何非线性关系,平衡方程和边界条件。利用该文模型分析了橡胶复合材料简支板的大变形弯曲行为,并对比Ｒｅｄｄｙ五参量几何非线性简单高阶剪切变形层合理论解和弹     

基于改进位移模式的一维有限元超收敛算法

将多尺度方法的思想与超收敛计算的解析公式结合起来,提出了改进有限元位移模式的算法。利用超收敛计算的解析公式,将高阶有限元解的位移模式用常规有限元解的位移模式表示。用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式,采用积分形式推导了单元刚度矩阵。该算法在前处理和后处理两个阶段都使用超收敛计算公式,在常规试函数的基础上,增加了高阶试函数,使得单元内平衡方程的残差减少,从而达到提高精度的目标。对于线性单元,本文结点和单元的位移、导数都达到了h4阶的超收敛精度。     

基于DIC的受载砂土颗粒体系的细观参数及运动分析

本文结合DIC方法对砂土体系进行可视化的直剪试验。通过对所采集的数字图片进行预处理,得到利于计算砂土体系细观参数的优质图片,经过图像分割和区域标记,最后利用MATLAB计算得到体系孔隙率、定向率和各向异性率等细观参数。对图像进行DIC计算分析,得到砂土颗粒体系的位移等值线云图,分析了体系内的砂土颗粒在直剪试验中的运动情况,并定性描述了位移突变对体系部分力链传递过程的影响。     

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。     

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。     

二阶非自伴两点边值问题Garlerkin有限元的超收敛算法

提出了基于改进位移模式的二阶非自伴两点边值问题Garlerkin有限元的超收敛算法. 用常规有限元解的位移模式与高阶有限元解的位移模式之和构造新的位移模式,基于Garlerkin 方法,采用积分形式推导了单元平衡方程. 对于线性单元,本文给出了有代表性的算例,结点和单元的位移、导数都达到了h⁴阶的超收敛精度.     

热载荷下压电复合板有限元建模与形变控制

热载荷是引起在轨空间结构形变的重要因素之一，采用压电材料对结构热变形进行主动补 偿，需要建立热、电、力场相互耦合的动力学模型. 基于高阶位移场、高阶电势分布和线性 温度模型，推导了压电复合板结构的热、电、力场耦合的高阶有限元模型. 通过对压电双晶 片梁的分析，得到了压电片中电势沿厚度方向的抛物线型分布，而非通常文献中假设的线性 化分布模型的结果. 针对表面粘贴压电片的压电复合板，计算了热载荷作用下压电复合板的变形、 传感器的电压以及主动补偿后的结构变形，与文献给出的结果基本一致，验证了模型的正 确性. 同时还指出热电效应对结构变形和传感器电压具有十分重要的影响.     

基于比例边界有限元法的高阶透射边界应用

基于比例边界有限元法和连分式展开推导了无限域弹性动力分析的求解方程,实现了一种局部的高阶透射边界. 采用改进的连分式法求解无限域的动力刚度矩阵,克服了原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题. 该局部高阶透射边界在时域里表示为一阶常微分方程组,其稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题. 如果出现虚假模态,采用移谱法来校正系数矩阵以消除虚假模态. 通过两个算例验证了该高阶透射边界的精确性、鲁棒性.     

X-CT噪音条件下数字体积相关算法评测

数字体积相关是通过分析具有相关关系的两组三维图像,获得物体变形过程中位移场和应变场的计算方法。了解该算法在实际噪音下的表现,对这种方法的应用具有十分重要的意义。利用爬山法、最小二乘法,结合三次B样条插值,建立了一套数字体积相关计算方法,用两组具有真实噪音的三维X射线CT数据对该算法进行了系统评测。在没有噪音的理想情况下,该算法的位移误差为0.0065voxel;在真实X-CT噪音的情况下,位移误差增加到0.008voxel,应变误差约为100με。结果表明,本方法可对真实物体变形进行三维位移场、应变场分析。     

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.      

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.