數(shù)字圖像相關及其混合法的理論研究與應用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展及新材料、新結構、新工藝的出現(xiàn)，橋梁、建筑、MEMS等高新技術領域中的力學測試問題己成為制約其發(fā)展的重要因素。開發(fā)新的實驗技術、方法與儀器，實現(xiàn)各種材料和結構(從宏觀到微觀)的靜、動態(tài)測試，建立相應的本構模型和可靠度的評判標準，是目前國內(nèi)外學術界與工程界的熱點研究領域。作為一種最活躍也最有生命力的光測力學實驗方法，數(shù)字圖像相關方法(DICM)以其簡單、無損、全場、非接觸、高精度、自動化程度高等優(yōu)點已被成功應用于

2、科學研究和工程實際的各個領域。鑒于此，本論文以DICM為研究平臺，系統(tǒng)地開展了DICM及其混合法的理論研究，在此基礎上建立了簡單適用的三維及動態(tài)在線測試系統(tǒng)，并將研究成果應用于橋梁、建筑、MEMS等高新技術的測試領域中。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鍵技術，進一步發(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法，在此基礎上提出了基于仿射變換的相關迭代法(采用基于全局坐標的位移模式)。數(shù)值模擬和經(jīng)典力學實驗的結果驗證了該迭代方法的可靠性與精度。②在頻域DICM方面，結合經(jīng)典的傅里葉光學與雙曝光散斑照相術，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的分布，可用于快速預分析時的初始定量估計。通過選擇合適的模板大小，利用相乘模式可實時獲取全場的位移分布。③結

4、合空域DICM和頻域DICM各自的優(yōu)點，提出了空域和頻域相結合的混合相關算法。該算法利用頻域DICM作初值估計，后續(xù)優(yōu)化過程中選用空域DICM中的相關迭代法，實現(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以攝像機成像模型為理論基礎，采用數(shù)值模擬與幾何光路分析相結合的方法驗證與推導了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試的基本原理與實現(xiàn)方法

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

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

7、件下膜材的力學參數(shù)及徐變過程中應變隨時間的變化規(guī)律。②基于仿射變換的相關迭代法，開展了鋼管混凝土框架梁柱連接的轉(zhuǎn)角測量與分析實驗，測量了加強環(huán)式連接的彎矩一轉(zhuǎn)角關系，且實驗結果與理論結果吻合。③基于時間序列DICM和高速攝影成像技術，開展了拉索模型動力學參數(shù)識別的實驗研究，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狀態(tài)下的動力學參數(shù)：頻率和阻尼比。④采用雙目立體視覺和DICM的混合法，對靜載作用下的濕噴樁復合地基室內(nèi)模型的土體表

8、面位移進行了測試研究，得到了土體表面三維位移場隨載荷變化的規(guī)律。(2)DIEM及其混合法在MEMS靜、動態(tài)測試領域的應用研究。①基于時間序列DICM和高速攝影成像技術，開展了微陀螺的動力學參數(shù)識別的實驗研究。其中采用頻域DICM提取振動位移信號，采用離散小波變換的方法對信號進行濾波，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計算折疊梁的振型，實驗結果與有限元模擬結果完全吻合。②基于顯微柵線投影相關法，成功測試了壓力