数字图像相关测量的误差分析及其改进措施

本文对数字图像相关测量方法的测量误差进行了系统分析，并对该方法的实验技术进行了研究，提出了通过实验技术消除和抑制误差的有效措施。

基于一阶及二阶灰度梯度的散斑图质量评价方法

散斑图质量对数字图像相关(DIC)方法的测量精度具有重要的影响。以平均灰度梯度这一传统的散斑图质量评价参数作为基础,提出了一种新的评价参数——平均一阶及二阶灰度梯度商,该参数同时考虑了一阶和二阶灰度梯度。从整体上来说,一阶灰度梯度的曲面比较光滑,而一阶及二阶灰度梯度商的曲面比较粗糙。采用Zhou等人提出的方法制作了80张模拟散斑图,对这些模拟散斑图的传统参数和提出参数进行了计算。结果表明:当散斑半径相同时,随着散斑数量的增加,两种参数均先增加,后减小;当散斑数量一定时,二者均有一个峰值;散斑半径越大,提出参数的峰值越大,而传统参数的峰值越小。对提出参数的峰值所对应的4张散斑图进行了多次连续平动,并使用DIC方法测量了测点的水平位移。结果表明,在提出参数越大的散斑图上测点的水平位移误差越小,在一定程度上验证了提出参数的正确性。

基于一阶及二阶DIC方法的常应变剪切带的测量误差分析

制作了水平和倾斜的常应变剪切带,使用数字图像相关方法(DIC)对剪切带内、外的位移场和应变场进行了测量,分析了形函数、子区尺寸及测点间距对测量结果的影响。结果表明:在剪切带边界附近,一阶或二阶DIC方法的位移误差限均较大,这是因为这些区域的子区覆盖了一部分剪切带;子区尺寸越大,或测点距离剪切带边界越近,位移误差限越大;一般对于剪切带边界附近测点,二阶DIC方法比一阶DIC方法的位移误差限小;随着测点间距的增加,一阶或二阶DIC方法的剪切带的法向剪应变坐标曲线由陡峭变得平缓,剪切带宽度逐渐增加。

数字图像相关方法在实验力学教学中的应用

数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法以其非接触、高精度、全场变形测量等优点,在力学、航空、航天、土木工程、生物医疗等多个领域呈现出广阔的应用前景。将DIC方法引入课堂,以板件拉伸试验为例,通过DIC方法和有限元仿真给学生呈现拉伸变形的基本过程及切应力和滑移线等力学概念,并将DIC方法测试结果和传统的应变电测法及有限元仿真分析结果进行了对比,使得教学过程更具思辨精神,极大激发了学生的学习兴趣,取得了良好教学效果。

基于视觉的折射误差校正在位移测量中的研究

非常温环境中,保温装置的光学玻璃给摄影测量引入了玻璃折射误差。为了解决折射误差对位移测量精度影响,通过折射光路分析得到偏移误差模型,并结合曲面拟合法提出校正方法。实验表明,折射误差只与玻璃参数(折射率和厚度)和拍摄距离有关,且校正后的测量方法可以有效地改善玻璃折射影响,提高位移测量精度。

基于散斑图像梯度域的数字图像相关盲去模糊方法

针对复杂测量环境或高动态测量过程中出现的运动模糊问题,提出了一种灰度稀疏先验与参考图像梯度域先验相结合的散斑图像盲去模糊方法。该方法以灰度直方图峰值的L 0范数与参考图像梯度域分布建立优化函数正则项,使用二次分裂方法估计清晰图像,再以交替迭代的方式进行卷积核细化。在模糊核估计完成后,使用Richardson-Lucy非盲去卷积方法完成散斑图像的复原。实验结果证明:所提出的散斑图像盲去模糊方法与针对自然图像与文本图像的经典方法相比,获得了更优的图像去模糊效果,并提高了数字图像相关测量精度与鲁棒性。

增量数字图像相关方法的误差分析及应用考量

增量数字图像相关方法(digital image correlation, DIC)常应用于变形后图像中被测物体出现大变形、环境光变化剧烈以及采用激光散斑追踪变形等容易发生图像退相关的场景。增量DIC充分利用局部图像序列的相关性,通过更新参考图像计算增量变形,再进行累加以获得整体变形,可解决采用固定参考图像的传统DIC方法在出现图像退相关时计算失效的问题。但是,由于DIC计算变形时存在系统误差,在增量计算以累加增量位移的过程中会导致误差累积。为实现更准确高效的增量DIC分析,需明确这一误差的累积规律并提出抑制误差的方法。本文通过模拟和真实实验研究了采用不同增量策略的增量DIC方法在不同场景下的误差累积规律。结果显示:为减少参考图像更新带来的累积误差,应采用条件增量计算策略以尽量减少参考图像的更新次数;同时,自适应参考图像子区平移策略和图像高斯低通预滤波方法可以显著降低插值带来的系统误差,应与增量DIC方法配合使用。

基于现代测试技术的危岩力学性能实验研究

为研究喀喇昆仑公路(中国段)区域周边的边坡危岩的力学性能,利用光学数字图像相关法和应变电测法结合万能试验机对采于喀什地区的褐红砂岩、褐灰砂岩、片麻岩和灰绿板岩试件分别进行三点弯曲受力和单轴压缩受力状态下的实验研究。获得所研究岩样随时间的应变变化曲线、应力-应变曲线以及单轴压缩时随着载荷增加的位移量。从褐红砂岩与片麻岩试件的三点弯曲实验得出褐红砂岩强度大于片麻岩强度,从灰绿板岩试样与片麻岩试样单轴压缩实验中得出灰绿板岩强度大于片麻岩强度,同时观测部分岩样裂纹发展及断口形貌。通过一系列实验研究和分析,丰富这一地域岩石力学性能的研究内容,可为边坡危岩附近公路的岩土工程施工及防灾减灾提供参考依据。

猴子玩具空翻360°站稳的实验测量

对一种能空翻360°站稳的猴子玩具进行了实验测量。在实验测量中,用悬挂法测量了质心位置,复摆法测量了转动惯量,拉伸法测量了弹簧刚度。此外,还用数字图像相关法对猴子玩具的运动过程进行了测量。结果表明,通过实验测量结果与理论分析的相互印证,能更好地阐述猴子玩具运动的力学机理。该实验项目的开展有助于培养学生的实验和科研兴趣。

基于图像跟踪的低维材料实时应变测量方法

为了实时得到低维材料的应变,提出了一种基于数字图像跟踪的低维材料实时应变测量方法。首先,将试件上制作的标志点或试件表面适当的特征点作为跟踪目标,采用改进的适于跟踪测量的图像相关公式,以及根据低维材料变形特点选取相应的匹配模板和搜索区域,实现了实时测量应变所需的两点跟踪;利用双线性插值算法将目标定位在0.01 pixel上的位置,提高了该方法的测量精度。然后分级施加荷载,不仅实时跟踪到目标,而且得到低维材料在相应载荷下的实时应变值,为研究低维材料动态力学特性提供了一种实验方法。通过实验,验证了数字图像跟踪技术完全可以应用于低维材料的实时应变测量,并且适用于不同距离标志点之间的测量,相对误差在5%以内。