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。

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。

双平面镜辅助多视角数字图像相关方法的研究进展及应用

双平面镜辅助多视角数字图像相关方法(multi-view digital image correlation,MV-DIC)是DIC技术用于全景或双表面形貌和变形测量的新分支。传统的MV-DIC需要两套或多套同步的双目3D-DIC系统,而双平面镜辅助MV-DIC仅需要一套常规3D-DIC系统和两个平面反射镜,其系统成本低和易于实现等优点使其在常规尺寸试样的全景/双表面变形测量任务中可完全替代前者。本文介绍了作者近期在双平面镜辅助MV-DIC研究中取得的新进展,包括两种新型的双平面镜辅助MV-DIC系统和一种基于荧光散斑的平面镜反射变换标定方法。最后介绍了双平面镜辅助MV-DIC在含缺陷蜂窝合金板面内压缩、手机跌落以及管道高速振动双平面/全景变形测量中的应用。

高温数字图像相关法变形测量中玻璃介质误差校正

为了校正玻璃介质在高温变形测量中引起的测量误差,本文将玻璃介质作为相机标定模型的一部分,基于摄影测量技术和数字图像相关法,提出一种复杂环境下的双目相机标定方法,将其应用在高温变形测量中。首先,针对复杂环境下图像质量差引起的标定困难问题,采用带畸变校正的相机成像模型,通过捆绑调整的相机标定方法完成双目相机标定,提高了标定成功率和稳定性。其次,针对复杂环境下双目相机标定精度低的问题,分析镜头焦距、环境光干扰和玻璃与相机距离等因素对标定结果的影响,给出最佳标定参数,使得标定重投影误差由0.832个像素减少到0.132个像素。最后,采用有玻璃介质的测量环境,比较标定时有无玻璃两种情况下的测量误差,结果表明:本文方法能大幅减少测量误差。试验结果表明,该方法能够有效减少高温环境下玻璃介质导致的位移场测量误差,X,Y和Z轴位移场平均测量误差分别减少70.16%,76.51%和40.05%。本文方法能够实现复杂环境下相机高精度标定,标定稳定性好,是实现高温变形准确测量的有效途径。

基于单高速相机3D-DIC的涡轮叶片全场振动测量

采用成本较低、结构紧凑且使用便捷的单高速相机三维数字图像相关方法(single-camera high-speed three-dimensional digital image correlation,简称SCHS 3D-DIC)对涡轮叶片的振动特性进行试验研究。首先,介绍了测量装置和原理,以悬臂铝板为对象开展验证试验,结果证明了该测量系统的准确性与有效性;其次,开展了叶片的全场振动特性测量,得到了其三维形貌、模态特性、全场位移与应变分布,获得了叶片在振动载荷作用下的高应变区域位置及应变分布特点。研究表明,SCHS 3D-DIC方法相比常规双高速相机3D-DIC方法具有更高的视场利用率,适合于细长型的涡轮叶片的振动测量试验。

自标定多视角三维数字图像相关测量方法及其应用

三维数字图像相关方法具有全场、非接触和观测尺度易调节等优势,是目前科学研究和工程实践中应用广泛的变形场测量手段.在某些工业和国防领域,为了实现对大型复杂结构的全方位三维变形测量,常常需要使用多台摄像机从不同角度进行拍摄.由于现场条件限制,这些实验场景中经常难以精确地布置用于相机标定的特殊靶标或标记,这给相机成像参数标定、统一多视角下相机的坐标系、将各个视角下的测量数据有效拼接带来了重大挑战.本研究发展了一种自标定多视角三维数字图像相关测量方法,其利用待测结构自身纹理信息,以基于运动恢复结构算法的自标定方法,解算得到所有相机在世界坐标系中的内外部成像参数,然后结合多视角三角化方法获得世界坐标系中的三维变形场测量结果.本文介绍了自标定多视角三维数字图像相关方法的原理.通过高精度6自由度平台驱动的圆筒平移、旋转实验,以及气囊放气过程变形实验验证了方法的有效性.分析和实验结果表明自标定多视角三维数字图像相关方法在测量时无需进行繁琐的标定操作和坐标系统一操作,可显著简化测量流程,同时还可避免传统方法中多个双目系统拼接接缝和重叠问题,因此本文方法尤其适用于大型复杂工程结构的现场变形测量.

单相机高温三维数字图像相关方法

高超声速飞行器热防护材料和结构在地面考核试验中高温变形的准确测量一直是困扰相关工程技术人员的测试技术难题之一。建立了基于单个普通相机/紫外相机和组合式平面反射镜相结合的单相机高温三维数字图像相关(3D-DIC)测量系统,该系统采用高亮度单色光照明(蓝光/紫外照明)和带通滤波成像(蓝色/紫外滤波片)相结合的主动光学成像技术克服高温测量过程中的热辐射干扰问题。首先,采用面内和离面平移实验验证了“主动成像”单相机3D-DIC系统的位移测量精度。然后,利用建立的蓝光单相机3D-DIC系统测量了不锈钢和氧化铝陶瓷试验件不同温度下非直接受热面(后表面)的全场变形,实验测得的材料热膨胀系数与航空材料手册参考值一致。最后,利用建立的紫外单相机3D-DIC系统测量了不锈钢材料直接受热面(前表面)的全场变形,测得材料热膨胀系数同样与参考值接近。

基于平面镜成像的单相机数字图像相关三维全景测量

针对普通单相机数字图像相关(DIC)系统仅能测量目标面内变形信息的问题,本文提出了一种采用单相机DIC系统实现三维全景测量的方法,即:根据多平面镜成像原理,被测目标的前后表面成像在一个共同的视场内,两个光路分别成像在两个平面镜中,将单相机扩展为4台虚拟相机,实现三维全景测量。为了更好地完成虚实像转换,实验之前对平面镜表面进行三维重建,分别采用动态、静态实验对该方法的可行性及精度进行验证。结果表明:在动态拉伸测试中,4个子区域有着相近的变化趋势,工程应变普遍分布在0.0125左右,且位移精度较高;在静态实验中,对决策币的前后表面进行三维重建,重建结果与决策币形貌相吻合。

基于数字图像相关的水下螺旋桨三维变形测量

提出了一种基于三维数字图像相关(3D-DIC)技术的船用螺旋桨3D变形测量方法。测量系统由双目立体相机、闪光灯和同步装置组成,采用空泡水筒对螺旋桨进行加载。首先,用基于极线约束的自标定方法对系统的外部参数进行标定,以获得桨叶表面的3D位移分布。然后,对重构的桨毂部分进行点云配准,得到变形后螺旋桨叶根部点云的平移向量和旋转矩阵,以消除桨毂位置差异导致的刚体位移。最后,构建了空气-玻璃-水三种介质的折射光路,对3D重构的物点坐标进行折射修正,得到空泡水筒中桨叶的真实3D形貌。实验结果表明,用本方法对空泡水筒中螺旋桨的变形情况进行测量,可得到螺旋桨叶片在固定相位下的全场3D位移分布,为船用螺旋桨的变形测量提供了一种可行的非接触、全场测量方案。

飞行器内部区域应变场非接触测试技术

为解决石英灯遮挡包围加热下的大型结构外表面或结构内部应变梯度较大等复杂应力区域高温应变场非接触式测量问题,利用数字图像相关方法和单相机三维成像原理,结合热防护系统与光路系统一体化设计,形成能够放置于结构内部的耐高温小型化数字图像相关测试设备,该设备能够对温度不超过1300℃的目标面进行三维变形场及应变场的测量,已用于舱段结构热试验局部蒙皮破坏过程测量中,为飞行器结构破坏分析和模型验证提供依据。

抓取过程中的手部运动变形特征

目的基于多相机数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法研究人手在抓取运动中的动态变形特征。方法搭建连续型四相机DIC系统,测量抓取过程中手背皮肤的表面应变,再通过皮肤、关节、骨骼和肌肉之间的联系,间接掌握手部肌肉的变形规律。结果测量中等圆柱抓取、横向捏取、食指伸展抓取以及强力球体抓握4种抓取姿态,发现不同抓取姿态下手背表面不同位置的应变增幅不同,其中最大主应变范围为0.1~0.3。通过分析可以得到手部各肌肉群在不同抓取姿态下的运动特点。结论该方法具有非接触、全场化、结果直观等特点,为抓取过程中动态变形的在体测量提供了一种新途径。

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。

大型结构高精度三维动态变形测量应用进展

大型结构全周高精度三维动态变形测量对大型或超大型结构的力学性能研究有着重大意义。三维数字图像相关作为一种结构简单、非接触、精度高的全场变形测量技术,可以为大型结构变形测量提供有效的测量手段。首先介绍三维数字图像相关测量的基本原理。在大型结构多相机全周变形测量方法中,将介绍大尺度散斑制作、大视场三维标定、多相机系统坐标统一、相机外参实时标定等关键技术的研究工作。最后,针对土木工程领域与航空航天领域的实际需求,介绍大型结构高精度三维动态变形测量的应用,包括盒式结构地震模拟振动台试验测量、悬索穹顶结构连续坍塌试验全周高速变形测量、运载火箭舱段荷载试验全周变形测量。大型结构全周高精度三维动态变形测量将为大型建筑结构抗震性能分析、大型结构力学建模和破坏机理研究提供可靠的实验分析手段。

远程多点三维实时运动测量仪

基于图像和视觉的非接触运动跟踪是目前光测力学中一个活跃的研究领域,在科研和工程测量方面都得到了广泛的应用。本文基于立体视觉原理介绍了一种远程多点三维实时运动测量仪,该系统由2个可独立工作的测量站构成,每个站具备完整的高速图像采集、距离测量、姿态感知、运动控制和数据处理功能。为了实现远程测量,站点之间通过网线或者无线传输的方式进行通信和数据交互,形成"主站+辅站"的协作测量模式。在三维计算上,利用场景特征实现双站相机的自动标定,并基于高效的数字图像相关原理进行立体匹配和时序跟踪,实现了多点三维运动的实时测量。通过室内刚体平移实验评估了该测量系统的精度;对实际风电叶片运动轨迹的测量,证明了该测量系统在远程大视场测量中的可行性。

BFRP混凝土圆柱破坏全周监测与可靠性研究

该文运用360°全周变形测量系统,跟踪玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)包裹混凝土圆柱的破坏与变形。环向布置的8个相机组成4套三维数字图像相关(3D-DIC)子系统,离散化测量位于系统中央具有大曲率、大变形的BFRP混凝土圆柱。采取不同的硬件控制方式,实现八相机同步测量。通过确定系统测试范围、比较3D-DIC的应变计算结果与应变片数值,对该系统全周监测的可靠性进行研究。在BFRP包裹的混凝土圆柱抗压性能实验中,对圆柱任意位置的变形和破坏进行监测。结果表明:360°全周变形测量系统能够有效地监测BFRP包裹的混凝土圆柱任意位置的破坏,实现大变形测量。

空间结构形变的多视点高精度测量方法

为了实现对复杂卫星结构多关键区域形变的灵活高精度测量,提出了一种基于多相机三维数字图像相关(3DDIC)的微小形变整体测量方法。建立双目3D-DIC子系统以获得各关键区域的高精度形变场。结合光束平差优化和同名点3D重构方法完成对子系统的位姿外部标定。根据标定参数拼接子系统测量数据,得到全局形变场。在实验室条件下用卫星蜂窝结构的热形变实验测量得到多安装面的整体形变场和测量误差,结果表明,本方法对系统的整体位移测量误差为0.96μm±0.45μm/m,满足高精度、测量范围灵活可变的测量需求,且对重叠视场和离散视场均具有良好的适用性,为空间环境下卫星结构的稳定监测提供了可靠的测量方法。

基于返回映射的铝合金激光焊缝的弹塑性参数反演

激光焊接局部高温会退化航空铝合金的力学性能,降低航空铝合金加筋壁板结构的承载能力。基于铝合金激光焊接件焊缝附近在单轴拉伸载荷下的全场位移数据,本文提出一种用于等向强化弹塑性应力增量更新的单变量返回映射方法,并将这种应力更新策略应用于非线性虚拟场方法中,结合应变场数据反演了距离焊缝不同位置子区处的弹塑性参数,建立了各个子区材料在弹塑性阶段的应力-应变关系。经反演实验结果显示,激光焊接接头局部区域的力学性质明显弱化,热影响区的塑性应变累积较快,是激光焊缝弹塑性力学性能退化最严重的区域。