基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题,但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段.基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation, 3D-DIC)原理,提出了一种动态液面波高场的测量方法.通过液体染色和光斑投影,在液体表面形成光斑纹理,设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像.运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵,并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton, IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构.进一步建立光斑投影的几何光学模型,模拟规则波液面的双目图像,开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度,同时开展真实液面波高场的测量验证.结果表明,本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量,模拟液面测量的均方差为0.004 mm,真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm,真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm.本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势,可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.     

用于结构模拟地震试验的DIC图像实时无损压缩

随着高速、高分辨率数字图像技术的快速发展,数字图像相关(DIC)测量技术已经在结构三维动态变形测量中得到很好的应用.由于空间分辨率增加和帧频的提高,使得需要传输和存储的数据量也大大增加,尤其是采用多相机系统进行大型结构的模拟地震试验时,有限的存储空间往往会制约试验的时长,不能满足破坏性试验的需要.本文根据土木结构DIC...     

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

三维数字图像测量系统稳定性的实验研究

基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法已被广泛应用于平面或曲面物体的表面形貌和三维变形测量。然而因相机自热、环境温度变化等内外部因素的影响,同一三维数字图像相关测量系统在不同时间,其内部参数会不可避免地发生微小改变,从而或多或少地引起额外的形貌和变形测量误差。为获得高精度的测量结果,需对由相机自热或环境温度变化引起的变形测量误差进行表征,并采用措施予以减小或消除此类误差。本文以石英玻璃平板为研究对象,利用三维数字图像相关测量系统对其位移和应变分布进行了连续5小时的测量,分析了测量结果随相机温度变化的关系曲线。研究结果显示,本文所用相机通电后其机壳温度一般约上升8~10℃甚至更高,所搭建的三维数字图像相关测量系统因相机温度变化所引起的应变测量误差在50~200με(约15~21με/℃)之间。本文还给出了相应建议来减小和消除相机或环境温度变化对三维变形测量的影响。     

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.     

基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展

挠度是评估桥梁承载能力和健康状态最直观的指标。近20年来,基于计算机视觉的桥梁挠度测量方法凭借其非接触式、快速简易安装等优点,被逐步应用于实际测量中。本文从测量原理、测量方式和影响因素3个方面出发,介绍了当前基于视觉的桥梁挠度测量方法与研究进展。在测量原理方面,从相机标定、三维立体视觉、摄影测量、特征检测与匹配4个方面进行了介绍。在测量方式方面,介绍了单相机二维测量、双相机三维测量、基于摄影测量的准静态测量和位移传递串联相机网络多点动态测量。在影响因素方面,介绍了相机自身因素、标定因素、算法因素和环境因素4个方面对测量结果的影响,并总结了目前国内外的研究成果。最后对基于视觉的桥梁挠度测量技术的未来发展趋势做出了展望。     

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.      

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要. 本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法, 首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场, 发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处, 且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法, 并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度, 沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度, 最终得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验, 以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度. 实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差在0.010 ~ 0.017像素之间, 与理论预测相符; 测量误差的标准差在0.006 ~ 0.008像素之间, 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.      

一种新的实时相关极值匹配算法设计与仿真

对传统相关极值匹配算法局限性进行了分析,并利用二维高斯样条函数张量积方法对局部重力异常离散格网基准图进行逼近以获取该局部基准图的连续解析表达式,在此基础上对相关极值匹配算法进行重新建模并采用拟牛顿BFGS非线性寻优方法对该模型进行解算。考虑到相关极值算法存在实时性差的缺点,采用固定初始序列长度的方式对初始序列采样结构进行改善,推导出了刚性变换中心从序列质心到原点的转换公式,最终完成能够实现单点迭代的基于局部重力异常基准图实时相关极值匹配算法设计,该匹配算法突破了传统离散匹配算法受限于基准图分辨率的局限。最后在2′×2′卫星测高反演重力异常数据基础上进行了两组仿真实验进行对比分析,实验结果表明,在重力测量噪声和初始定位误差较大的情况下,通过该匹配算法获得的匹配定位仍能以较高的精度实时跟踪真实航迹。     

基于DIC方法的残余应力快速测量系统

结合数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法与钻孔法,开发了残余应力快速测量系统。该系统可分为两部分:适用于现场测量的便携式机械系统与针对残余应力测量而改进的基于DIC算法的程序。在四点弯曲加载平台上对工件进行载荷释放前后的残余应力测量试验,通过与应变片测量结果进行对比,该残余应力测量系统的精度达到了应变片测量的同等精度。同时,该测量系统解决了传统应变片测量系统对心误差大、操作繁琐、效率低和测量结果稳定性差等问题,具有较高的工程应用价值。     

A Study of the Influence of Calibration Uncertainty on the Global Uncertainty for Digital Image Correlation Using a Monte Carlo Approach

Stereo digital image correlation (DIC) is now a standard measurement technique. It is, therefore, important to quantify the measurement uncertainties when using it for experiments. Because of the complexity of the DIC measurement process, a Monte Carlo approach is presented as a method to discover the magnitude of the stereo-DIC calibration uncertainty. Then, the calibration errors, along with an assumed sensor position error, are propagated through the stereo-triangulation process to find the uncertainty in three-dimensional position and object motion. Details on the statistical results of the calibration parameters are presented, with estimated errors for different calibration targets and calibration image quality. A sensitivity study was done to look at the influence of the different calibration error sources. Details on the best approach for propagating the errors from a statistical perspective are discussed, including the importance of using a “boot-strap” approach for error propagation because of the covariance of many of the calibration parameters. The calibration and error propagation results are then interpreted to provide some best-practices guidelines for DIC.     

Fast, Robust and Accurate Digital Image Correlation Calculation Without Redundant Computations

High-efficiency and high-accuracy deformation analysis using digital image correlation (DIC) has become increasingly important in recent years, considering the ongoing trend of using higher resolution digital cameras and common requirement of processing a large sequence of images recorded in a dynamic testing. In this work, to eliminate the redundant computations involved in conventional DIC method using forward additive matching strategy and classic Newton–Raphson (FA-NR) algorithm without sacrificing its sub-pixel registration accuracy, we proposed an equivalent but more efficient DIC method by combining inverse compositional matching strategy and Gauss-Newton (IC-GN) algorithm for fast, robust and accurate full-field displacement measurement. To this purpose, first, an efficient IC-GN algorithm, without the need of re-evaluating and inverting Hessian matrix in each iteration, is introduced to optimize the robust zero-mean normalized sum of squared difference (ZNSSD) criterion to determine the desired deformation parameters of each interrogated subset. Then, an improved reliability-guided displacement tracking strategy is employed to achieve further speed advantage by automatically providing accurate and complete initial guess of deformation for the IC-GN algorithm implemented on each calculation point. Finally, an easy-to-implement interpolation coefficient look-up table approach is employed to avoid the repeated calculation of bicubic interpolation at sub-pixel locations. With the above improvements, redundant calculations involved in various procedures (i.e. initial guess of deformation, sub-pixel displacement registration and sub-pixel intensity interpolation) of conventional DIC method are entirely eliminated. The registration accuracy and computational efficiency of the proposed DIC method are carefully tested using numerical experiments and real experimental images. Experimental results verify that the proposed DIC method using IC-GN algorithm and the existing DIC method using classic FA-NR algorithm generate similar results, but the former is about three to five times faster. The proposed reliability-guided IC-GN algorithm is expected to be a new standard full-field displacement tracking algorithm in DIC.     

Statistical Analysis of the Effect of Intensity Pattern Noise on the Displacement Measurement Precision of Digital Image Correlation Using Self-correlated Images

This paper discusses the effect of intensity pattern noise on the displacement measurement precision of digital image correlation (DIC). Through mathematical deduction, a formula is presented to estimate the displacement measurement error caused by intensity pattern noise. The resulting formula synthetically reflects the effects of the variance of noise, the intensity variance and the subset size on the displacement measurement precision. To verify the correctness of the resulting formula, two experiments are done. The first one is a real self-correlation experiment, and aims to analyze the effect of the subset size, while the second is a numerical self-correlation experiment, and is to analyze to the effect of the different noise levels. The experimental results are in good agreement with the theoretical predictions. The project is supported by the National Science Foundation of China (10572103).     

数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用

本文结合工程实际背景分析了数字图像相关方法应用在桥梁裂缝变形监测中的可行性及优越性。根据桥梁裂缝变形的特点采用数字图像处理技术中的位移梯度法进行所选区域的相关匹配搜索并对相关系数的计算公式加以改进。使实验过程得以简化。计算结果全场化、直观化。本文对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。证明该软件能够更加精确地测定裂缝在各种荷载作用下的变形量值．实际的桥梁测试也验证了该方法的可行性和优越性。若图像记录设备的分辨率是12．47pixel／mm(0．0802ram／pixel)。本文所涉及到的桥梁裂缝边缘的位移测试精度为0．000802mm。     

数字图像相关方法中匹配及过匹配形函数的误差分析

基于图像子区的数字图像相关方法需采用合适的形函数来近似目标图像子区的真实变形。由于实际测量时目标子区的局部变形往往是未知的,实际采用的不同阶次(零阶、一阶和二阶)的形函数不可避免地产生误匹配(欠匹配和过匹配)问题,从而引入位移测量的系统或随机误差。尽管由欠匹配形函数引起的系统误差已被充分认识,由过匹配形函数引起的位移误差仍缺少理论解释。本文首先推导出采用一阶和二阶形函数的数字图像相关方法的随机误差理论公式,随后采用一系列数值实验验证了理论公式的准确性。结果显示:过匹配形函数不会引入额外的系统误差,但会增加随机误差,且二阶形函数的随机误差是一阶形函数的二倍。考虑到由欠匹配一阶形函数引入的系统误差往往远大于过匹配二阶形函数的随机误差,因此在未能确知变形的情况下,推荐使用二阶形函数。     

Error Assessment in Stereo-based Deformation Measurements

Increasing interest in the use of digital image correlation (DIC) for full-field surface shape and deformation measurements has led to an on-going need for both the development of theoretical formulae capable of providing quantitative confidence margins and controlled experiments for validation of the theoretical predictions. In the enclosed work, a series of stereo vision experiments are performed in a manner that provides sufficient information for direct comparison with theoretical predictions using formulae developed in Part I. Specifically, experiments are performed to obtain appropriate optimal estimates and the uncertainty margins for the image locations/displacements, 3-D locations/displacements and strains when using the method of subset-based digital image correlation for image matching. The uncertainty of locating the 3-D space points using subset-based pattern matching is estimated by using theoretical formulae developed in Part I and the experimentally defined confidence margins for image locations. Finally, the uncertainty in strains is predicted using formulae that involves both the variance and covariance of intermediate variables during the strain calculation process. Results from both theoretical predictions and the experimental work show the feasibility and accuracy of the predictive formulae for estimating the uncertainty in the stereo-based deformation measurements.     

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...     

基于数字图像相关性方法的脆性材料拉氏反分析实验技术

利用分离式Hopkinson压杆作为加载系统,借助超高速数字图像相关性分析方法,发展了长杆试件拉氏反分析实验技术,并用于研究脆性材料在小变形条件下的动态本构特性。通过超高速相机实时拍摄冲击加载下长杆试件变形的散斑图像,再对散斑图像进行数字图像相关性（digital image correlation,DIC）分析,获得长杆试件表面速度场和应变场。随后,以脆性材料PMMA（polymethyl methacrylate）为例,从DIC分析得到的速度场中提取出不同拉格朗日位置上质点速度时程曲线,构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,数值求解得到了试件中的应力时程曲线,消去时间参数后,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比,揭示了PMMA材料在小应变条件下的黏弹性本构响应特征。     

基于超高速相机的数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的应用

基于超高速相机和数字图像相关性全场应变分析方法对传统的分离式Hopkinson拉杆(SHTB)实验系统进行改进,获得尼龙和铝合金材料的动态拉伸应力应变曲线,验证了数字图像相关性全场应变分析在SHTB实验中的有效性。实验结果显示:该方法测量的平均应变与应变片测量结果一致性很好, 而传统的SHTB实验原理计算的应变结果则明显偏大,需要对试件原始标距进行修正后才能获得有效的试件应变,并且在试件的材料和几何尺寸不变的条件下标距修正不依赖于应变率。基于数字图像相关性全场应变测量,讨论了应变均匀性问题:脆性的尼龙试件在标距范围内应变均匀性良好,而韧性的铝合金试件表现出比较严重的应变不均匀性,归因于颈缩变形的影响。