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。     

Scanning Electron Microscopy for Quantitative Small and Large Deformation Measurements Part II: Experimental Validation for Magnifications from 200 to 10,000

A combination of drift distortion removal and spatial distortion removal are performed to correct Scanning Electron Microscope (SEM) images at both ×200 and ×10,000 magnification. Using multiple, time-spaced images and in-plane rigid body motions to extract the relative displacement field throughout the imaging process, results from numerical simulations clearly demonstrate that the correction procedures successfully remove both drift and spatial distortions with errors on the order of ±0.02 pixels. A series of 2D translation and tensile loading experiments are performed in an SEM for magnifications at ×200 and ×10,000, where both the drift and spatial distortion removal methods described above are applied to correct the digital images and improve the accuracy of measurements obtained using 2D-DIC. Results from translation and loading experiments indicate that (a) the fully corrected displacement components have nearly random variability with standard deviation of 0.02 pixels (≈25 nm at ×200 and ≈0.5 nm at ×10,000) in each displacement component and (b) the measured strain fields are unbiased and in excellent agreement with expected results, with a spatial resolution of 43 pixels (≈54 μm at ×200 and ≈1.1 μm at ×10,000) and a standard deviation on the order of 6 × 10⁻⁵ for each component.

Scanning Electron Microscopy for Quantitative Small and Large Deformation Measurements Part I: SEM Imaging at Magnifications from 200 to 10,000

A series of baseline displacement measurements have been obtained using 2D Digital Image Correlation (2D-DIC) and images from Scanning Electron Microscopes (SEM). Direct correlation of subsets from a reference image to subsets in a series of uncorrected images is used to identify the presence of non-stationary step-changes in the measured displacements. Using image time integration and recently developed approaches to correct residual drift and spatial distortions in recorded images, results clearly indicate that the corrected SEM images can be used to extract deformations with displacement accuracy of ±0.02 pixels (1 nm at magnification of 10,000) and mean value strain measurements that are consistent with independent estimates and have point-to-point strain variability of ±1.5 × 10⁻⁴.

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。     

网格数字图像相关方法测量位移场的研究

本文将数字图像相关方法与古老的网格法相结合,给出了一种测量面内位移场的新方法——网格数字图像相关方法,实现了高精度的测量,精度可达0.02亚像素．在该方法中网格点采用圆标记点,使该方法特别适用于小线应变位移场的研测．本文运用Windows下的新的图像采集方法测量物体位移场,突破了Dos系统下对内存操作的限制,并使每一帧图像的像素数由512×512增至768×576,提高了图形的分辨率．     

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。     

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。     

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...     

用数字图象法测量砼成形早期的变形特性

本文应用数字图像测量系统，对砼试件在成形早期最初２６小时的变形场进行了非接触的定量测量，得到了砼成形早期收缩应变随时间变化的曲线。整个测量过程简便直接，表明数字图像测量方法完全可用来对砼结构的位移场进行非接触的精密测量，在配备了相应的光学观察仪器后，也可用来测量一般的应变场，从而将为土建结构的定量测试提供新的有力手段。     

数字图像相关的噪声导致系统误差及散斑质量评价标准

数字图像相关中散斑质量评价标准应该综合考虑系统误差和随机误差的作用。之前的工作考虑了无图像噪声情况下插值引起的系统误差,本文则进一步研究了有图像噪声情况的系统误差,并与随机误差综合考虑提出了完善的散斑质量评价参数。本文推导了有噪声情况下系统误差的解析形式,揭示了噪声引入系统误差产生的内在本质在于插值引起噪声不确定性对亚像素位置的依赖。依据理论分析,插值噪声耦合函数的概念被引入,它由插值基函数平移平方和的斜率决定,表征了噪声引入系统误差随亚像素位置的变化。插值耦合函数将之前的研究成果纳入统一的理论体系,并从本质上解释了高阶B-样条插值对应的噪声引起系统误差较小的现象。数值模拟与本文的理论分析显示一致,在真实的亚像素平移实验验证中,本文将公式推广到非均匀噪声情况,并与实验结果获得了较好的吻合。基于对系统误差的理论分析,综合考虑系统误差和随机误差影响,提出了两种计算误差评估参数:总误差的最大值和平方平均值,并提出了快速估计算法且通过数值模拟进行了验证。计算误差评估参数实际也是一种散斑质量评价参数,提出的评估参数弥补了现存散斑质量评价参数未足够考虑插值影响的缺陷,是更完善的散斑质量评价标准。本文应用新提出的散斑评价参数对一些常见散斑图进行了评价,并将其用于对模拟散斑图的优化。     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

二维数字图像相关测量中离面位移引起的误差分析

二维数字图像相关方法作为一种非接触全场变形测量的光学方法,在工程上有着广泛的应用.由于其假设物体只发生面内位移,而实验中往往存在离面位移,从而引起测量误差.本文针对这一问题利用了针孔模型,从理论上分析了离面位移对普通镜头测量结果的影响,通过铝块平移实验验证了理论分析的正确性.利用提出的理论模型修正橡胶材料的变形测量结果,并与远心镜头测量结果进行对比,发现修正后的普通镜头测量的结果更接近远心镜头测量的结果.最后,本文根据理论分析和实验验证,给出了减小或消除离面位移造成误差的方法.     

散斑图像相关数字技术在薄壁钢管混凝土长柱变形测量中的应用

薄壁钢管混凝土构件作为新发展的组合构件,对其研究具有非常重要的意义。文中首先介绍了散斑图像相关数字技术的基本原理,然后给出了变形计算公式。为弥补传统测量方法的不足,在薄壁钢管混凝土长柱偏压破坏实验中,引入了散斑图像相关数字技术,对长柱跨中截面的全过程变形(位移)进行了测量,并对测量结果进行了分析与讨论,同时还与传统测量方法所得结果进行了对比分析。实验结果与分析表明:该方法具有较高的精度和工程可用性,可克服传统测量方法中的一些弊端,且对实验设备和测量环境要求不高,很适合现场非接触测量。     

基于数字粒子图像的细水雾全场速度测量

水文通过利用激光片光照明细水雾喷雾场和采用数字成像系统获取了喷雾粒子的运动轨迹图像，进而通过研制相应的图像处理和分析软件，重建了细水雾雾场粒子的速度分布，本方法是直接对流场中的粒子成像。因而测量时无需施加示踪粒子对数字成像系统的图像获取速度要求不高，且在图像数据的分析处理方面不像DPIV技术的互相关算法，对示踪粒子的数密度有一定的限制，因此，本方法可用于不宜添加示踪粒子或流场中粒子数密度较低的喷雾场或其它两相流场中粒子速度场的测量。