基于图像特征匹配技术的数字图像相关法研究

摘要

数字图像相关法是一种应用现代计算机技术与数字图像处理技术相结合进行受力物体变形测量的非接触式的测量方法，其基本原理是通过对被测物体变形前后表面散斑图像进行相关搜索计算来获得相关的位移及应变信息。数字图像相关法具有非接触性全场测量、硬件设备简便、测量环境要求低、测量快速且精确度高、测量分辨率和测量范围方便调整等优点，经过三十多年的发展与改进已被广泛应用于现代工程测量中。为了使数字图像相关法达到实时、高精度的测量水平，对计其算速度与精度的完善和提高一直是研究工作的重点。
　　影响数字图像相关法计算精度和计算效率的主要因素有:图像采集的硬件环境、相关函数、形函数及相关搜索算法。本文主要从数字图像相关法的理论原理方面，即相关函数、形函数、相关搜索算法等方面研究了提高其计算精度与计算速度的方法。对相关搜索算法的研究是数字图像相关法研究领域中的重点，本文重点对亚像素位移精度测量较高的Newton-Raphson(N-R)法进行了详细研究并就N-R迭代优化的初值估算问题提出了一种基于数字图像特征匹配技术的数字图像相关法，即:首先在变形前后图像中检测出特征点，应用基于特征相似与几何约束的特征匹配算法匹配出变形前后图像的特征点对，并记录点对的坐标;然后使用与匹配点对所在子区相对应的仿射变换来初始估计子区的变形参数，即兴趣点的位移初值估计;最后将估算的位移初值作为N-R迭代法的迭代初值，优化计算出使相关函数取得极值的兴趣点的精确位移值。
　　实验方面，进行了鲤鱼鳞片拉伸变形实验。分别使用基于SURF(Speeded Up Robust Features)、SIFT(scale-invariant feature transform)特征匹配的数字图像相关法及传统的数字图像相关法对采集的样本图像进行测量计算。根据实验结论，本文所提方法更加精准、快速。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 数字图像相关法的研究背景与意义

1．2 数字图像相关法国内外研究概述

1．3 数字图像匹配技术概述

1．4 本文主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要研究内容

第二章 数字图像相关法

2．1 DIC图像采集系统简介

2．2 DIC测量技术基本理论

2．2．1 DIC基本原理

2．2．2 DIC位移形函数

2．2．3 DIC相关准则函数

2．3 DIC的位移相关搜索算法

2．3．1 相关搜索的基本过程

2．3．2 亚像素相关搜索算法概述

2．3．3 N-R迭代法的数值分析原理

2．3．4 基于N-R迭代法的亚像素位移测量算法原理

2．4 本章小结

第三章 数字图像特征匹配技术

3．1 特征匹配技术简介

3．2 SIFT特征向量

3．2．1 构建尺度空间，检测极值点，获得尺度不变性

3．2．2 特征点过滤并进行精确定位，剔除不稳定的特征点

3．2．3 确定特征点方向，生成特征描述符(特征向量)

3．3 SURF源特征向量

3．3．1 SURF特征点提取

3．3．2 SURF特征向量

3．4 特征向量匹配

3．5 本章小结

第四章 基于特征匹配的数字图像相关法

4．1 DIC相关搜索的变形参数初始化概述

4．1．1 传统变形参数初始化方法概述

4．1．2 基于特征匹配的变形参数初始化概述

4．2 基于特征匹配的变形参数初始化

4．2．1 变形参数初始化原理

4．2．2 变形参数初始化方法

4．3 基于特征匹配的DIC原理总结

4．4 本章小结

第五章 实验与分析

5．1 样本图像采集

5．2 基于SURF与SIFT的DIC的对比实验

5．2．1 测量兴趣点位移

5．2．2 实验结果及数据分析

5．3 基于SURF的DIG与传统DIG的对比实验

5．3．1 传统DIC测量兴趣点位移

5．3．2 基于SURF的DIC测量兴趣点位移

5．4 实验结果分析与总结

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况