三维数字图像相关法的关键技术及应用研究

摘要

三维数字图像相关法是一种高效的非接触式的全场光学测量方法。它结合了数字图像相关法和计算机视觉原理，可以准确测量物体表面的三维形貌和变形。相比于实验力学其他几种基于干涉原理的光测方法（如散斑干涉法、云纹法和全息干涉法等），它具有诸多优势，如白光光源，无需隔振，量程大等等。
　　本文从四个方面研究了三维数字图像相关法的关键技术:图像采集、相机标定、图像匹配、三维应变计算。对于图像采集关键技术，首先研制了采集硬件系统，然后从几个方面阐述了在实际实验中图像采集应注意的问题。对于相机标定关键技术，首先介绍了针孔相机的成像模型，并通过模型建立了物理三维空间中点与相机成像平面上点的位置联系。然后，详尽的阐述了相机标定的具体实现步骤，包括(1)单相机参数初值估计;(2)单相机参数迭代优化;(3)三维重建与双相机标定。对于三维应变的计算方法，介绍了通过建立局部坐标系，拟合位移场函数计算得到应变张量的方法。
　　对于图像匹配关键技术，主要通过以下几个方面进行了深入研究:(1)子区匹配对被测物的要求;(2)几种相关函数的数学形式及其适用条件;(3)子区形函数的概念及其零阶、一阶和二阶数学形式;(4)基于空域迭代的亚像素匹配算法，包括优化方法（Gauss-Newton法和Levenberg-Marquardt法）、匹配策略（正向增量型、正向组合型和反向组合型）和迭代收敛准则;(5)几种初值估计和全场匹配的方法以及对它们的改进;(6)图像插值的原理及其具体实现方法;(7)模拟散斑的基本概念、变形施加方法及匹配精度评估方法;(8)对处于计算区域边界、非规则形状子区的处理方法;(9)在图像发生较大变形情况下的增量图像相关方法。(10)提出了一种基于二阶形函数的反向组合型Gauss-Newton算法IC-GN2，阐述了该算法的迭代过程，通过模拟散斑实验和真实实验证明了该算法具有二阶精度和较高的计算效率。
　　最后，本文通过若干个具体的实验，进一步将三维数字图像相关法应用到工程实际中，以解决各种载荷下的构件变形测量问题。首先将该方法应用于Portevin-Le Chatelier效应的研究中，获得了PLC带的形貌及运动特征。然后，通过若干个实验力学标准试验，阐述了面对几种实际情况的分析处理方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 三维数字图像相关法的关键技术

1．2．1 相机标定关键技术

1．2．2 图像匹配关键技术

1．3 论文章节安排

第二章 图像采集、相机标定和三维应变计算关键技术

2．1 图像采集系统

2．2 相机模型及标定方法

2．2．1 小孔相机成像模型

2．2．2 单相机标定—初值估计

2．2．3 单相机标定—迭代优化

2．2．4 三维重建与双相机标定

2．3 三维应变计算

2．4 本章小结

第三章 图像匹配关键技术研究

3．1 子区匹配

3．2 相关函数

3．3 子区形函数

3．4 基于空域迭代的亚像素匹配算法

3．4．1 Gauss-Newton方法与Levenberg-Marquardt方法

3．4．2 反向组合型匹配策略

3．4．3 收敛准则

3．5 初值估计与全场匹配

3．6 图像插值

3．7 匹配误差评估方法

3．7．1 模拟散斑

3．7．2 施加变形与误差评估方法

3．7．3 算法性能评估

3．8 边界处理

3．9 大变形测量

3．10 基于二阶形函数的反向组合型Gauss-Newton法

3．11 本章小结

第四章 三维数字图像相关法在实验力学中的应用

4．1 三维数字图像相关法在Portevin-Le Chatelier(PLC)效应研究中的应用

4．1．1 PLC效应

4．1．2 实验设置

4．1．3 拉力—变形阶段曲线

4．1．4 累加分析与增量分析

4．1．5 PLC带的形貌及运动特征

4．2 半圆环试件受压实验

4．2．1 实验设置

4．2．2 相关计算及结果

4．3 三点弯曲实验

4．3．1 第一种试件—带缺口平板

4．3．1 第一种试件的相关计算结果

4．3．3 第二种试件—梁

4．3．4 第二种试件的相关计算结果

4．4 悬臂梁试件在弯曲实验

4．4．1 实验设置

4．3．1 相关计算结果

4．5 带孔圆柱试件拉伸实验

4．5．1 实验设置

4．3．1 相关计算结果

4．6 圆盘试件在离面加载实验

4．6．1 实验设置

4．6．1 相关计算结果

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果