张志锋[1]2005年在《图像变换技术在数字散斑相关方法中的应用研究》文中指出本文将改进数字散斑相关方法的相关搜索技术的研究和相关测量软件系统的制作作为主要研究内容。在目前的研究中,提高数字散斑相关方法的收敛速度和结果的精度是该方法的发展方向。因此,本文首先提出了一种新的、基于仿射变换及“嵌套式”细搜索方法的预定位策略,提高了搜索效率及自动化、智能化程度。其中,“嵌套式”细搜索方法与经典方法在精度上相同的情况下,识别速度大幅度提高。另外,借助仿射变换直接计算出参考图像中各样本点的刚体位移及由变形引起的位移的近似值,从而确定了其在目标图像中的大概位置,省去了对刚体位移的重复搜索计算,使粗搜索的子区范围极大的缩小,从而粗搜索的搜索时间得到大幅度减小,并且减小了误识别的几率,提高了识别质量。在仿射变换预定位法的基础上,本文还将仿射变换应用于对迭代过程中包含位移及其导数信息的参数向量赋初值,从而得到多种新的迭代向量赋初值方法。本文将新的赋初值方法与旧的赋初值方法作了详细的比较,仿真实验结果表明,利用反算得到的仿射变换系数进行赋初值,可以提高效率和测量精度。进一步,本文将数字散斑相关方法已有的技术、基于仿射变换的预定位方法及迭代赋初值方法整合起来,编制了一套界面友好、简单易用的多功能数字图像相关测量软件。该软件提供了几种搜索范围的设定方法,具有位移场、应变场及泊松比的测量功能,还可以进行仿真图像的制作。最后,在王怀文论文工作[131]的基础上进一步分析了低维材料断裂中的尺度效应问题。介绍了用数字散斑相关方法测量断裂韧性JC的原理和实验技术。分析了不同厚度的铜箔材料(厚度范围是0.02mm～1mm)的断裂韧性JC随试件厚度t的变化规律,着重从裂尖单位面积的颈缩功、单位面积的分离功、微观断裂特征和应力三轴度等方面讨论了断裂韧性随着厚度变化的成因。
张佩泽[2]2016年在《鲁棒数字图像相关法及其在应变测量中的应用研究》文中进行了进一步梳理汽车开发涉及到材料选择、零件结构强度分析以及整车性能测试等过程。针对其中力学性能相关的测试,传统接触式测试手段,如应变计、引伸计等测量方式,无法测量小尺寸试件,对于大变形测量也失效,并且只能获得有限的局部平均数据。数字图像相关法作为一种新兴的非接触式测量手段,将材料表面的变形测量转化为材料表面灰度区域特征的匹配问题,具有测量对象广泛、测量精度高、可测量全场变形等优点,在材料力学性能测试中得到了广泛应用。目前数字图像相关法的研究主要围绕提高该算法的精度和扩展算法的应用范围这两方面,基于此,本文的主要研究内容分述如下:(1)变形参数可控的仿真散斑图为算法分析提供有效手段。本文提出基于反向映射法的变形散斑图生成方法,该方法原理简单易懂,并且易于编程实现。(2)提出基于相关熵准则的鲁棒数字图像相关法。对于形函数无法准确描述非连续变形或成像系统噪声引起的灰度偏差,通过相关熵准则中的核宽参数自动定位区域匹配时的大灰度偏差点,并给予较小的权值,从而控制大偏差点对匹配计算的负面影响,提高计算精度。(3)针对应变场的计算,本文首先对鲁棒数字图像相关法计算得到的位移场进行平滑,基于正则化方法惩罚位移场噪声项,后对该平滑后位移场进行差分,从而获得更加平滑的应变场分布。(4)将鲁棒数字图像相关法应用到实际变形测量中。对于连续变形,将鲁棒数字图像相关法测量结果与引伸计结果进行了对比,验证连续变形测量的有效性;对于非连续变形,利用鲁棒数字图像相关法测量含孔碳纤维试件孔洞周围应力集中变形、含孔碳纤维试件单向拉伸断裂后裂缝周围变形以及致密孔板变形,验证了该方法应用于非连续变形测量的有效性。本文的研究成果提高了传统数字图像相关法的计算精度,并扩大了该方法在材料非连续变形测量领域的应用,进一步完善了算法的理论体系和应用范围。
赵健[3]2014年在《数字散斑相关方法及其在工程测试中的应用研究》文中提出数字散斑相关方法作为一种全场位移和应变测量方法,在理论方面得到不断发展和完善的同时,在工程应用方面也开展了大量的工作。但目前的方法在求解效率和测量精度以及使用的通用性方面还存在一些不足。为了更好地满足工程测试要求,本文对现有的数字散斑相关方法进行了进一步的研究与改进,论文的主要研究内容和创新点如下。本文针对现有的整像素逐点搜索算法对数字散斑相关方法搜索效率的影响,提出了一种基于连续性变形假设的邻近域搜索算法。该算法首先通过逐点搜索法确定参考子区Ω在变形后图像中的目标子区Q’的位置后,根据连续性变形假设,只需要在目标子区Ω’附近的一个较小区域搜索即可,故只需要对第一个参考子区进行全场逐点搜索,其余子区都可以小范围搜索,结果可大幅提高搜索效率。针对传统的基于灰度梯度的亚像素位移求解算法中采用的灰度不变假设对位移求解精度的影响,将灰度线性变化引入基于梯度的亚像素位移算法。该算法假设变形前后图像内同一点的灰度由于光强波动而发生线性变化,引入灰度变化系数λ,应用最小二乘迭代得到亚像素位移,解决了传统梯度法由于光强变化引起的测量误差问题。同时,定性地从图像噪声、亚像素插值误差和形函数误差三个方面分析了基于梯度的数字散斑相关测量方法的测量误差,得到位移误差标准差的数学表达式。在影响数字散斑相关位移求解精度的因素中,除了算法误差外,还包括散斑图质量、镜头光学失真等外界因素。为了提高散斑图质量进而提高数字散斑相关测量精度,本文提出一种新的模拟二值散斑图,其可以在保证散斑颗粒随机分布的同时通过判别散斑颗粒的位置与尺寸,避免出现传统模拟散斑图散斑颗粒过稀或过密的情况。该方法为模拟散斑图的实现提供了一条新思路。在人工散斑制作方面,本文将碳粉热转印技术引入散斑制作,该方法通过热压原理将设计打印好的随机散斑图样转印在试件表面,具有能够控制散斑颗粒的大小及分布密度和可重复性等优点,避免了传统喷涂散斑操作中由于人工经验不足造成的误差,为人工散斑的制作提供了一条新的途径。针对镜头光学失真对数字散斑相关测量精度的影响,本文在已有镜头畸变参数估计算法的基础上,采用Harris法对标定模板的特征点进行亚像素提取,并同时考虑镜头的径向与切向畸变,对数字散斑相关测量试验中所使用的CMOS镜头进行了非线性畸变系数估计与校正。通过试验验证了镜头畸变校正对数字散斑相关位移测量的重要性。在数字散斑相关方法的应变求解中,传统的位移微分过程会放大位移场中所包含的噪声。为了提高应变求解精度,本文将有限元思想引入数字散斑相关应变场的计算,提出了一种基于四边形单元的应变计算方法。首先,利用数字散斑相关方法获得的位移场建立4节点和9节点四边形单元,通过对应的状态方程计算出对应节点的位移值,然后反插值计算出对应单元内每个点的应变进而求得应变场。最后,通过无疵和含孔试件的拉伸试验,验证了本文提出的算法能够有效地提高应变计算精度。为了证明本文提出的改进数字散斑相关方法在工程应用中的有效性和适应性,以三个典型的工程测试问题为例进行了讨论。应用实例一是与温控试验箱结合建立了非接触变温变形测量系统,用该系统测量了45号钢在20℃～200℃温度范围内的全场热变形和热膨胀系数。应用实例二是在断裂力学中的应用,通过木材单边裂纹拉伸试验,得到了落叶松的复合型应力强度因子和裂尖塑性区尺寸。应用实例三是在蠕变力学中的应用,结合自行设计的机械式蠕变试验机对45号钢的室温蠕变进行测量,得到了不同应力水平下的全场应变和蠕变应变-时间曲线。以上实例验证了本文所提出的改进的数字散斑相关方法应用于工程测试的可行性,表明了该方法的实用性和适应性。
张成斌[4]2016年在《形态与形态小波降噪技术及其在位移测量中的应用》文中研究说明形态分析与形态小波分析技术是数字图像处理的重要核心技术,随着形态分析与形态小波分析理论研究的不断深入和应用范围的不断扩大,出现了一些亟待解决的问题。如数字空间中结构元素分解难问题,使得形态分析只能使用有限的结构元素表达有限的图像几何信息;形态滤波器降噪性能低问题,使得形态滤波只能对低密度噪声图像降噪;形态小波自适应提升难问题,使得形态小波分析技术的理论和应用难以拓展。因此,开展形态分析与形态小波分析技术研究具有非常重要的学术意义和广泛的应用价值。形态分析与形态小波分析技术都具有图像几何特征描述能力,常用于具有特殊几何特征的噪声图像降噪。数字散斑干涉位移测量技术是一种基于数字图像的全场、非接触、高精密测量技术。然而,在实验中获取的散斑干涉条纹图像往往含有大量的散斑噪声,这将直接影响到测量结果的准确度和精确度,因此,干涉条纹图像降噪一直是散斑干涉位移测量中重要的研究课题。散斑噪声干涉条纹图像具有周期性、方向性和亮暗相间等条纹形态特征。因此,根据噪声图像的形态特征,利用形态分析与形态小波分析技术研究图像降噪问题对散斑干涉位移测量具有非常重要的意义和广泛的应用。本文论述了形态分析、形态小波分析的研究现状,对形态结构元素分解、脉冲噪声图像降噪、散斑噪声干涉条纹图像降噪、形态小波自适应提升及其应用等问题进行了分析研究。本文的主要研究工作和成果如下:1.针对形态结构元素在数字空间中分解畸变性和分解难问题,提出了基于周期线的凸结构元素分解定理及其推论,并证明了分解定理的充分性和必要性。2.针对脉冲噪声图像降噪问题,提出了自适应形态滤波方法、改进量子衍生形态滤波方法、开关形态-均值滤波方法和开关中-均值滤波方法,并提出了逐步开关和双层开关自适应滤波模型,仿真验证了所提出降噪模型的有效性。3.针对形态分析在散斑干涉位移测量中的应用问题,提出了高斯噪声干涉条纹图像二值导向降噪模型,并提出了散斑噪声干涉条纹图像的导向形态降噪方法,实验验证了所提出降噪方法的有效性,可实现对密集散斑干涉条纹图像的位移信息提取,并通过理论分析与散斑干涉位移测量结果对比,验证了结果的准确性。4.结合变异形态学,提出了变异形态小波变换,以及最大和最小提升变异形态小波变换,提出了基于变异形态小波变换的脉冲噪声图像降噪方法,并提出了基于形态小波变换的散斑噪声干涉条纹图像降噪方法,可实现对密集干涉条纹图像的位移信息提取。
张怀清[5]2009年在《数字散斑相关方法及其在混凝土损伤断裂方面的应用研究》文中进行了进一步梳理数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM)是20世纪80年代以来随着光电子技术、数字图像处理和计算机等新技术的发展,形成发展起来的光测力学新方法。由于其不需要光学干涉条纹处理、光路相对简单、精度高、适用测试的对象范围广、测量环境要求低等优点,DSCM在机械、土木、材料、医学等诸多领域获得了广泛地应用,并有效地推动了其科学发展。本文主要围绕DSCM实验系统的实现及其应用进行了研究。对实现DSCM和提高精度的亚像素位移搜索的相关系数拟合插值法、基于微区统计特性的梯度算法(简称梯度算法)、牛顿-拉普森迭代算法、灰度梯度迭代算法的具体实现过程进行了论述分析,深入研究了牛顿-拉普森迭代算法并对其进行了改进。利用数值模拟的散斑图像对四种亚像素算法的计算速度和精度进行了研究。结果表明本文所改进的牛顿—拉普森迭代方法计算精度较高,梯度算法计算速度较快。本文对牛顿-拉普森法的改进包括两个方面:一是在相关系数求偏导的过程中提出了行之有效的简化方法,保证了精度;二是将亚像素搜索的梯度算法应用到牛顿迭代法的迭代初值估计中,加快了收敛速度。开发了功能优良、界面友好的DSCM计算软件,可以进行位移场计算,基于有限元的位移场数据平滑,应变计算等功能。测量了有机玻璃三点弯曲梁的变形,实验验证了DSCM实验系统的精度和可靠性。实现了数字散斑相关方法的实际应用。实验测量了铸铁、混凝土预制裂纹三点弯曲梁的损伤断裂过程,CCD摄像机实时采集到实验中从加载到裂纹产生及扩展、最后失稳断裂的全过程散斑场。根据DSCM分析结果,给出了铸铁裂纹张开位移及混凝土断裂过程中裂纹尖端局部位移场和应变场演化过程。为深入研究含裂纹体的准脆性材料、混凝土等结构损伤断裂的破坏过程以及裂纹传播规律,建立断裂准则,探讨防止准脆性材料结构断裂破坏的措施,提供了一个有效的实验方法。
高建新[6]1989年在《数字散斑相关方法及其在力学测量中的应用》文中指出本文从变分原理与图象识别原理出发,对数字散斑相关方法作了新的理论阐述。在此基础上,一方面将原有的相关迭代法予以推广,提出了相关分析法这一广义的数字散斑相关方法,通过变形形态的分析与综合,既简化了相关方法的实施过程,又实现了变形场的直接全场测量。另一方面,将相关迭代法进一步简化,提出了相关搜索法,提供了测量刚体变形(刚体转动和移动)和大应变场的简捷而有效的新方法。此外,还对相关方法的相关函数、测量的灵敏度、可靠性等作了系统的分析,绐出了最佳的相关函数,指出了进一步提高测量灵敏度、可靠性等的途径。 在应用方面,本文对流场(层流与涡流)、离面变形(与投影散斑法相结合)、锻件大变形场等宏观力学问题进行了测量,得到了较好的结果。同时对高倍率扫描电镜照片(一般的与含裂纹的)作了初步的测量实验,证实了利用相关方法解决细观变形场测量的可行性,为细观力学研究提供了独特的定量测量方法。
杨新伟[7]2008年在《白光数字图像频域分析法测量三维位移的研究和应用》文中研究指明白光数字图像频域分析法的二维测量技术现已日益成熟,特别是相移法的引入,实现了全自动测量。但是该方法还没有实现三维位移与变形的测量,尤其是大变形的测量。本论文结合立体摄影术、摄像机标定方法和白光数字图像频域分析法,首次提出了利用白光数字图像频域分析法测量物体三维位移与变形的实验方法,把该方法应用于动态、大变形的测量。首先,本论文提出了结合白光数字图像频域分析法原理,立体摄影术原理和Tsai摄像机标定方法三者来测量三维位移与变形的实验方法,并根据白光数字图像频域分析法全自动测量的优点,提出了三维位移测量方法中的位移投影法。用平移实验和四周固支,中心受集中力的薄板的离面位移测量实验验证两种方法的正确性。实验数据表明,误差在允许的范围之内。其次,本论文提出了利用白光数字图像频域分析法标定CCD摄像机测量系统的实验方法。利用具有随机斑点特征的模板,结合白光数字图像频域分析法和三维精密调节架来标定CCD摄像机的实验方法,并实现该方法的三维测量。利用四周固支,中心受集中力的薄板的离面位移测量实验验证了该方法的可行性。最后,本论文将三维位移的测量方法应用到实际测量中,分别测量了薄壁圆筒压缩变形,橡胶管受内压时的变形和特殊工程材料III型裂纹尖端应力强度因子。三个实验的结果表明了该方法适合测量动态变形,大变形和小区域位移。对该方法的精度和一些影响位移测量的因素如图像大小,拍摄角度,离焦,镜头畸变等进行了分析,探讨了方法的适用范围。
周海芳[8]2016年在《基于数字散斑相关方法的面内微位移测量研究》文中指出数字散斑相关方法通常又被称作数字图像相关方法,它是一种非接触、高精度、无损伤、全场测量的计算机辅助位移测量方法,已经被成功地应用到了实验力学及其它科研领域,现在正朝着高温、生物、微观、新型材料检测等领域进发。但目前该方法在整像素快速定位和亚像素精确求解上还存在一定的不足,因此本文主要研究如何进一步提高整像素的定位速度,并对亚像素位移测量算法的优缺点进行讨论,以更好地满足实际工程测量的需求。首先,简要介绍了散斑的形成原理,并解释了散斑图可以进行微位移测量的原因,推导了物体位移变形公式,讨论了常用相关系数的特性,最终确立了本文的数字散斑相关方法模型。然后,介绍了一种新颖的基于群体智能的布谷鸟搜索算法,对该算法的高效性进行了分析,针对其存在的不足引入了非均匀变异算子、粒子群算法、高斯扰动来对布谷鸟搜索算法中的随机步长和位置更新策略进行改进,并用四种不同的标准测试函数对改进后算法的性能进行了检验;鉴于改进后布谷鸟搜索算法的高效性,本文将其引入到了数字散斑相关方法领域中,介绍了该算法测量位移时的原理,讨论了不同参数对其计算效率的影响,并将其与已有整像素相关搜索算法的性能进行了全面对比。最后,对物体发生刚体平移、单向拉伸和刚体旋转这三种不同应变状态进行了模拟,同时对常用的四种亚像素位移测量算法在不同应变状态下的计算精度和算法稳定性进行了对比分析,发现了Newton-Raphson法在复杂环境下的性能最佳,并将本文所提的整像素相关搜索算法与其相结合,对毛玻璃进行了微位移测量,证实了本文所提观点在具体实验中的可行性与高效性。
唐遂[9]2007年在《数字散斑相关算法的比较及其在双显微系统中的应用》文中进行了进一步梳理对位移和应变的测量是力学测量中的重要任务。数字散斑相关法(DSCM)是一种精确的测量物体位移场的计算机辅助测量方法。其基本思想是计算运动或变形前后所采集物体表面的两幅散斑图像的互相关系数或互相关函数值，找出互相关系数或互相关函数值的最大值所对应的点，从而求出物体表面测点的位移和应变。首先，本文介绍了数字散斑相关方法的发展及在工程应用、固体力学问题研究以及材料性能分析等领域的应用。详细介绍了数字散斑相关方法的基本原理及数字散斑相关方法的各种相关搜索方法，并且阐述了模拟散斑图在检验算法优劣方面的优点及本文采用的模拟散斑图的生成方法。其次，介绍了相关系数插值法、相关系数拟合法、基于图像的梯度法和基于相似函数的梯度法这四种目前最常用的DSCM亚像素算法，并用Matlab语言编写了它们的实现程序，然后用模拟散斑图对它们进行了比较分析。再次，将改进的十字搜索法与基于相似函数的梯度法相结合用于双显微数字散斑测量系统，并将其应用于有机玻璃的弹性模量测量实验。在这一部分，首先验证了算法的精确性与准确性，然后通过零漂实验与刚性位移实验，测试了系统的灵敏度，最后将弹性模量的测量结果与电测的结果比较，得到了令人满意的结果，并对其进行了误差分析。
方明磊[10]2014年在《双目视觉测量的数字散斑相关匹配方法研究》文中提出随着制造业的快速发展，材料或结构件在各种载荷作用下的三维变形及形貌测量的研究在材料测试、质量控制、逆向工程等领域具有十分重要的意义。近年来，视觉测量方法由于其非接触性、速度快、集成性好及测量稳定等优点而日益受到人们的重视。数字散斑相关方法具有非接触、高精度等优点，已经被作为一种变形测量的有效手段应用于实验力学、各种工程方面及其他科研领域，因此本文将这种高效实用的测量方法应用于曲面变形的测量。针对曲面变形的测量问题，本文将数字散斑相关方法用于匹配图像对应点，并结合双目视觉测量系统，将该视觉方法用于薄板曲面的变形量的测量。本文对相关内容进行以下四个方面的研究：首先，以摄像机成像模型为基础，分析双目视觉测量系统的模型及其极几何关系，推导左右摄像机内部参数和结构位置参数的标定过程，并通过标定实验评价参数标定精度；其次，建立数字散斑相关方法的数学模型，分析几种常用的亚像素相关搜索方法的具体求解形式，以高斯函数作为光强分布函数生成计算机模拟散斑图像，比较各亚像素相关算法在模拟散斑图像发生平移时的计算精度；然后，考虑实际成像过程中环境因素引起的灰度值改变，提出基于非线性灰度改变模型的数字散斑相关方法，并运用计算机模拟散斑图像和实验中的实际散斑图像，对三种灰度模型的灰度变化敏感性、散斑匹配精度和效率进行比较。最后，进行实际薄板曲面变形测量实验，验证本文曲面变形测量方法的可行性和测量精度。本文的研究工作对实现曲面变形的非接触测量具有一定的实际意义。
参考文献：
[1]. 图像变换技术在数字散斑相关方法中的应用研究[D]. 张志锋. 天津大学. 2005
[2]. 鲁棒数字图像相关法及其在应变测量中的应用研究[D]. 张佩泽. 南京航空航天大学. 2016
[3]. 数字散斑相关方法及其在工程测试中的应用研究[D]. 赵健. 北京林业大学. 2014
[4]. 形态与形态小波降噪技术及其在位移测量中的应用[D]. 张成斌. 南京航空航天大学. 2016
[5]. 数字散斑相关方法及其在混凝土损伤断裂方面的应用研究[D]. 张怀清. 山东理工大学. 2009
[6]. 数字散斑相关方法及其在力学测量中的应用[D]. 高建新. 清华大学. 1989
[7]. 白光数字图像频域分析法测量三维位移的研究和应用[D]. 杨新伟. 天津大学. 2008
[8]. 基于数字散斑相关方法的面内微位移测量研究[D]. 周海芳. 中北大学. 2016
[9]. 数字散斑相关算法的比较及其在双显微系统中的应用[D]. 唐遂. 昆明理工大学. 2007
[10]. 双目视觉测量的数字散斑相关匹配方法研究[D]. 方明磊. 吉林大学. 2014
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