數(shù)字圖像相關(guān)及其混合法的理論研究與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的出現(xiàn)，橋梁、建筑、MEMS等高新技術(shù)領(lǐng)域中的力學(xué)測(cè)試問題己成為制約其發(fā)展的重要因素。開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、方法與儀器，實(shí)現(xiàn)各種材料和結(jié)構(gòu)(從宏觀到微觀)的靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試，建立相應(yīng)的本構(gòu)模型和可靠度的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。作為一種最活躍也最有生命力的光測(cè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，數(shù)字圖像相關(guān)方法(DICM)以其簡(jiǎn)單、無(wú)損、全場(chǎng)、非接觸、高精度、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)已被成功應(yīng)用于

2、科學(xué)研究和工程實(shí)際的各個(gè)領(lǐng)域。鑒于此，本論文以DICM為研究平臺(tái)，系統(tǒng)地開展了DICM及其混合法的理論研究，在此基礎(chǔ)上建立了簡(jiǎn)單適用的三維及動(dòng)態(tài)在線測(cè)試系統(tǒng)，并將研究成果應(yīng)用于橋梁、建筑、MEMS等高新技術(shù)的測(cè)試領(lǐng)域中。本論文的主要工作和成果如下： 1．系統(tǒng)地研究了二維DICM及其混合法的基本原理及關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步發(fā)展和完善了DICM的理論模型。主要內(nèi)容包括：①在空域DICM方面，討論了基于仿射變換的位移模式與經(jīng)典的一階常應(yīng)變位

3、移模式的等效性，分析了基于灰度擬合和仿射變換的初值估計(jì)法，在此基礎(chǔ)上提出了基于仿射變換的相關(guān)迭代法(采用基于全局坐標(biāo)的位移模式)。數(shù)值模擬和經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了該迭代方法的可靠性與精度。②在頻域DICM方面，結(jié)合經(jīng)典的傅里葉光學(xué)與雙曝光散斑照相術(shù)，系統(tǒng)建立了相加、相減及相乘三種頻域模式。相加模式與相減模式直觀地顯示了位移矢量場(chǎng)的分布，可用于快速預(yù)分析時(shí)的初始定量估計(jì)。通過選擇合適的模板大小，利用相乘模式可實(shí)時(shí)獲取全場(chǎng)的位移分布。③結(jié)

4、合空域DICM和頻域DICM各自的優(yōu)點(diǎn)，提出了空域和頻域相結(jié)合的混合相關(guān)算法。該算法利用頻域DICM作初值估計(jì)，后續(xù)優(yōu)化過程中選用空域DICM中的相關(guān)迭代法，實(shí)現(xiàn)了DICM中精度和速度的平衡。 2．系統(tǒng)地研究了三維DICM及其混合法的基本原理與分析方法。主要內(nèi)容包括：①以攝像機(jī)成像模型為理論基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬與幾何光路分析相結(jié)合的方法驗(yàn)證與推導(dǎo)了DICM用于面內(nèi)位移、離面位移、三維形貌和三維剛體位移和變形測(cè)試的基本原理與實(shí)現(xiàn)方法

5、，該項(xiàng)研究為二維、三維DICM及其混合法的測(cè)試原理及誤差分析提供了簡(jiǎn)便通用的數(shù)值分析平臺(tái)。②基于雙目立體視覺原理，結(jié)合仿射變換和小模板匹配的技術(shù)，將DICM應(yīng)用于物體的三維變形測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了DICM與雙目立體視覺技術(shù)的有效混合。③基于圖像位移場(chǎng)矢量中心和斜率與面內(nèi)和離面位移分別對(duì)應(yīng)的關(guān)系，采用SG微分濾波器分離圖像位移子區(qū)內(nèi)的常數(shù)項(xiàng)與一次項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)物體三維位移分量的有效分離，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了相應(yīng)的散斑圖模擬方法，建立了基于DICM和單攝像機(jī)

6、的三維位移測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了該方法用于實(shí)現(xiàn)物體三維位移分離的可行性和優(yōu)越性。④借鑒散斑投影相關(guān)法的思想，提出了用于測(cè)試測(cè)試物體三維形貌及離面位移的顯微柵線投影相關(guān)法，實(shí)現(xiàn)了柵線投影法和DICM的有效混合。 3．深入開展了基于DICM及其混合法的應(yīng)用研究。主要內(nèi)容包括：(1)DICM及其混合法在土木工程測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用研究。①基于空域和頻域相結(jié)合的混合法，系統(tǒng)開展了建筑膜材的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)及徐變實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了雙軸拉伸條

7、件下膜材的力學(xué)參數(shù)及徐變過程中應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。②基于仿射變換的相關(guān)迭代法，開展了鋼管混凝土框架梁柱連接的轉(zhuǎn)角測(cè)量與分析實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了加強(qiáng)環(huán)式連接的彎矩一轉(zhuǎn)角關(guān)系，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合。③基于時(shí)間序列DICM和高速攝影成像技術(shù)，開展了拉索模型動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究，其中采用基于連續(xù)小波變換的模態(tài)分析方法獲得自由振動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)：頻率和阻尼比。④采用雙目立體視覺和DICM的混合法，對(duì)靜載作用下的濕噴樁復(fù)合地基室內(nèi)模型的土體表

8、面位移進(jìn)行了測(cè)試研究，得到了土體表面三維位移場(chǎng)隨載荷變化的規(guī)律。(2)DIEM及其混合法在MEMS靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用研究。①基于時(shí)間序列DICM和高速攝影成像技術(shù)，開展了微陀螺的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)研究。其中采用頻域DICM提取振動(dòng)位移信號(hào)，采用離散小波變換的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，采用連續(xù)小波變換的方法提取模態(tài)頻率和品質(zhì)因子，并采用空域DICM計(jì)算折疊梁的振型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果完全吻合。②基于顯微柵線投影相關(guān)法，成功測(cè)試了壓力