基于时序变形预测的数字图像相关加速方法

利用数字图像相关求解连续变形物体的位移场和应变场时,会遇到处理速度非常慢的问题,原因是相关算法计算量大且忽略了物体在时间轴上的变形规律。本文提出了一种基于变形预测的数字图像相关方法,该方法利用物体在时间轴上的变形规律,通过已经得到的变形值来预测后面时刻的变形初值。首先分析了物体在时间轴上的变形规律,然后结合实际应用对其进行修正,得到物体下一步变形的初值,最后通过NR方法(Newton-Raphson Method)得到物体的位移场和应变场。通过计算机模拟和金属试件拉伸实验并结合GPU(Graphic Processing Unit)编程验证了该方法的有效性。计算机模拟和金属试件拉伸实验的计算结果表明,该方法能够在计算精度保持不变的情况下,使计算速度提高4~7倍。     

数字图像相关方法中散斑图的质量评价研究

在利用数字图像相关方法测量物体表面变形时,被测物体表面必需覆盖有灰度随机分布的散斑场,该散斑场作为试件表面变形信息的载体随试件一起变形。在实际情况下,不同的散斑场会显示出完全不同的灰度分布特征,并对数字图像相关方法的测量结果有着重要影响。因此如何定量评价散斑图的优劣是数字图像相关方法中一个重要的基本问题,也是该方法的使用者非常关心的问题。基于最近数字图像相关方法基本理论研究的进展,本文提出平均灰度梯度这一新参数用于散斑图质量的评价。为证实该参数的有效性,本文对五幅明显不同的散斑图进行了精确平移,并将数字图像相关方法测量的位移与预加的平移量进行比较,分析了位移测量结果的均值误差和标准差。结果显示位移测量结果的均值误差和标准差均与散斑图的平均灰度梯度有关,一个好的散斑图应该具有较大的平均灰度梯度。     

一种考虑旋转位移分量的数字图像相关法及其精度分析

提出了一种新的考虑旋转位移分量的数字图像相关法[CD2]旋转相关匹配法,其特点是先对图像子区进行预旋转,再进行相关匹配、相关系数、整像素和亚像素位移的计算。在物体产生旋转位移分量时,该方法可有效提高变形前后图像子区间的相关系数和位移计算精度。通过斜拉伸、剪切和悬臂梁弯曲实验,对旋转相关匹配法和直接相关匹配法进行了对比研究,并用灰度梯度法计算旋转后新图像子区和变形后图像子区间的亚像素位移。结果表明,在旋转位移分量小于10°的情况下,相比于直接相关匹配法,旋转相关匹配法可以得到更高的相关系数;在用灰度梯度法计算亚像素位移条件下,位移精度与试件位移不产生旋转时的直接相关匹配相当。     

多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用

将基于双目视觉的三维数字图像相关方法 (Three-dimension digital image correlation,3D-DIC)与多相机同步采集系统相结合,形成基于多相机的3D-DIC系统。依据三维空间误差(Three-dimensional residual,3Dresidual)最小原则,确定各点对应的最佳双目视觉系统,获得物体全场三维变形。以四相机3D-DIC系统为例,与测量精度达10~20nm的电子散斑干涉测量系统同时对平板的离面位移进行测量,并对测量得到的离面位移最大值进行了对比分析。结果显示,荷载较小时,四相机3D-DIC与电子散斑干涉测量系统误差稍大,最大达到2.7%;荷载增大,物体变形增大时,两种测量系统结果基本相同。文中讨论了四相机测量系统的不稳定对实验结果的影响。利用该四相机3D-DIC系统对镍合金不锈钢材料在高温场中的变形进行测量,获得了物体的三维变形场,并分析了材料的膨胀系数,得到了试件的热应变-温度曲线和膨胀系数随温度变化的关系式。     

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.      

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.     

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。     

用于物体表面形貌和变形测量的三维数字图像相关方法

使用单个摄像机的二维数字图像相关方法通常仅局限于平面物体的面内变形测量,而使用两个摄像机基于双目立体视觉原理的三维数字图像相关方法克服了这一局限,可对平面和曲面物体表面的三维形貌和载荷作用下的三维变形进行测量。本文介绍了三维数字图像相关方法的基本原理及其关键技术,并用两个典型的实验验证了该方法的有效性。     

数字图像相关分析法增量位移场测试技术

利用位移场的连续性,对亚像素位移场的算法进行了一些改进,设计了一套分步计算位移场、应变场的测量计算方法,较好地解决了数字图像相关分析法计算精度和效率.采用增量位移场叠加的方法计算大应变位移场,采用局部平面拟合的方法计算应变场.通过对高分子材料拉伸试验位移场的测量和结果标定,说明该方法具有较强的实用性和计算精度.同时,由于避免了对亚像素点的搜索,大大提高了计算效率.     

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。     

数字图像相关中亚像素位移测量算法的研究

为提高位移测量精度而提出的各种亚像素位移测量算法被认为是数字图像相关方法 中的关键技术之一，详细了解已有各算法的性能无疑具有实际意义. 总结文献中3种 最常用的亚像素位移测量算法，首先用无噪声的计算机仿真散斑图对各算法的性能从计算精 度和计算效率两个方面进行了比较研究，并用实际实验图片对其性能做进一步的研究，结果 显示在图像子区大小相同的情况下，基于空域相关函数迭代的牛顿-拉普森方法计算结果最 为精确、稳定.     

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...     

数字图像相关中的亚像素位移定位算法进展

数字图像相关方法 (DIC) 已经作为一种常用的光学计量有效手段应用于实验 力学及其它科学研究和工程应用领域中. 经过 20 多年的发展, 该方法日渐成熟和完善. 作 为提高测量精度的亚像素位移定位算法被认为是该方法的关键技术之一. 本文对二维数字图 像相关的基本原理及其中为提高测量精度而提出的各种亚像素位移定位算法做了概括性的介 绍. 在总结已有研究成果的基础上, 分析了各种方法优缺点. 并对数字图像相关 方法的最新进展作了简要介绍, 随着算法精度、效 率以及硬件设备性能的提高, 该方法必将会获得更广泛的应用.     

热障涂层高温失效行为的正射投影-单相机三维数字图像相关实验研究

热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)作为一种隔热材料,可降低发动机高温部件的表面温度,提高涡轮发动机的整体性能。涂层服役过程中,TBC陶瓷层的失效将导致高温部件中的金属基底直接暴露于恶劣的高温环境中,严重影响发动机的安全性。其高温服役环境下的力学性能研究是备受材料和力学工作者关注的问题。本文结合热障涂层高温检测的需求,实现了涂层-基底异质表面的高对比度高温散斑制作;发展了正射投影-单相机三维数字图像相关方法(正射投影-单相机3DDIC),构建了跨界面形函数,实现了涂层与基底的三维形貌及位移、应变的同时测量;基于涂层结构的高温拉伸实验结果,建立了依据涂层-基底应变方差差值的涂层失效判断方法,得到了热障涂层在室温(27℃)至1000℃的断裂极限应变。实验结果表明,正射投影-单相机3DDIC方法作为一种可靠测试方法,可以应用于涂层结构高温下的力学失效行为研究。     

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。     

结合数码显微镜的数字散斑相关方法精度分析及应用

结合数字散斑相关方法和一种新型的显微镜数码显微镜,提出了一种测量多晶材料晶粒尺度面内变形的新方法,并通过零变形校准实验、重聚焦实验和平移实验等一系列验证实验分析了该方法的精度和实用性.作为应用实例,对一种镍基合金试件进行了单向拉伸和疲劳实验,得到了晶粒尺度下具有较大应变梯度的应变分布图像.结果表明,该方法能够得到精确的位移测量数据,是一种理想的测量晶粒尺度变形的光测方法.     

Robust particle image velocimetry using gradient method with upstream difference and downstream difference

In the first part of this paper, sub-pixel displacement detection methods in particle image velocimetry (PIV) measurements were discussed. Some schemes for calculating the spatial gradient in a gradient method, which is one of sub-pixel displacement detection methods, were evaluated. It was found that the second order central finite difference scheme tends to underestimate the gradient of the tracer-particle’s intensity. Consequently it leads to an overestimation of sub-pixel displacements. A first-frame upstream and second-frame downstream finite difference scheme was then proposed and evaluated for one-dimensional flow measurements. Furthermore, the proposed difference scheme was extended to apply to two-dimensional flows. It was shown that taking the direction of the sub-pixel correction into account and using fewer adjacent pixels are important for PIV images consisting of small tracer particle images. Finally, a robust procedure for the execution of the gradient method was proposed, which can eliminate the effect of noises. It was found that the proposed scheme is not only highly accurate but is highly robust to noise.     

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。