CN103644858A - 一种三轴试验三维变形重构和测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种三轴试验三维变形重构和测量的方法，属于土工实验测试技术领域。其特征是采用透明的方形压力室，刻有可追踪标记的特制橡皮膜，采用前后两个数字相机和相应的图像采集控制和处理系统，通过追踪橡皮膜上的角点在图像上位置的变化，并采取一定的假设，获得试样表面橡皮膜上的特征点的空间坐标，并对前后两个相机采集到的图像进行拼接，实现了三轴试验过程中，试样三维变形的测量。与ANSYS有限元软件相结合，得到试样的三维变形网格和三维全表面应变场。本发明的效果和益处是能够从前后两个方向获取三轴试验过程中试样全面的变形特征。能够获得三轴试验中表面特征点的空间位置，实现对试样三维变形的重构，能够获得试样的三维表面应变场的分布。

Description

一种三轴试验三维变形重构和测量的方法

技术领域

本发明属于岩土力学的实验测试技术领域，涉及测试土体、碎石及土石混合体的三轴试样三维变形重构和测量的方法。

背景技术

三轴试验技术是岩土力学中一种最重要的试验技术，被广泛用来研究岩土体材料的强度、应力应变关系和构建本构模型。传统的三轴试验采用力传感器测量作用在试样上的应力，采用位移传感器测量土体发生的应变，给出土体宏观的单值应力应变关系。随着岩土力学研究的深入和发展，人们开始关注土体的应变局部化和剪切带的形成及发展的趋势和变化规律等问题，因此也对三轴试验方法提出了更高的要求。由于传统的三轴仪一般采用位移传感器的方法对试样的变形进行测量，其试验结果只能反映试样整体的变形，不能反映试样的三维和局部变形的特征。三轴试验中试样的三维变形重构和应变的测量对于利用三轴试验研究剪切带和本构模型等问题具有非常大的应用价值，因此有许多学者对传统的三轴试验方法进行改进。如专利CN 1319812A“三轴试验土样变形的数字图像测量方法及设备”。采用透明钢化玻璃方形密封容器和数字图像采集设备和图像处理程序测定试样的轴向和径向变形。该方法能够实现对试样局部变形的测量，但是该设备和方法的缺陷为只能测量圆柱形试样单面的变形，不能实现试样全表面三维变形的测量，更不能实现三轴试验三维变形的重构。

发明内容

本发明的目的是提供一种在三轴试验过程中实现试样全表面变形测量和三维重构的方法，解决现有三轴试验数字图像测量技术只能测量试样单面的径向和轴向变形的局限性，实现对三轴试验中试样变形的三维测量和重构。

本发明的技术方案是：首先，传统的三轴试验圆桶形压力室改为全透明的方形压力室；全透明的方形压力室安装于三轴试验机上；采用印有黑白相间方格的橡皮膜代替传统的无标识橡皮膜，如图2所示。其次，三轴试验机前后各放置一个三角架，数字相机分别安装在三脚架上，放置于试样的前后两面。相机控制和图像采集软件能够实现对两个相机的同步采集，两个相机能同时采集到同一时刻试样前后两个表面的变形图片（图1）。进一步，对采集到的试样前后两个面的图像(包裹在三轴试样表面印有黑白相间方格的橡皮膜)进行提取角点像素坐标的处理工作，同时采用计算机图像处理中边界识别的方法提取试样外所包裹的橡皮膜的边界，如图3所示。要求在安装三轴试样过程中尽量保证橡皮膜上的同一行方格上边和下边的两个角点均分别位于垂直于试样中心轴平面的同一个圆周上，假定在试验过程中试样变形后原来位于同一个圆周的角点仍然位于垂直于试样中心轴平面的同一个圆周上。利用提取的边界和位于同一个圆周角点的像素坐标确定边界点的坐标，边界点是前后两个图像的公共可识别点，如图2所示。建立两个三维坐标系统。以试样初始时的中心轴为Z轴，试样的端部的中心为坐标原点，以试样与相机光轴垂直的方向为X轴，建立空间坐标系OXYZ，如图3所示。以所采集图像像平面的中心O’点为像素坐标的原点，以试样成像平面为X’Z’平面，与成像平面垂直的轴为Y’轴，建立刻度为像素的三维坐标系统O’X’Y’Z’，如图4所示。在做完这些前期的工作后，下一步要进行试样变形的三维重构。首先，在三维像素坐标系统O’X’Y’Z’中重构试样三维变形的图像。通过角点提取，得到角点的X’和Z’像素坐标，根据边界提取，获得角点所在圆周的直径2R’(图6).根据提取的边界和角点坐标，确定边界点的像素坐标。根据点在圆周上满足关系式：X’²+Y’²=R’²,得到所有角点和边界点的Y’坐标。根据这一假定，可得到试样前后表面所有角点和边界点的X’Y’Z’坐标，坐标以像素表示。

在角点的提取过程中，采用了Harris角点提取的方法，并预先设定好角点所可能处于的范围。在边界的提取中，采用了Prewitt因子提取边界的方法。这些方法能给出比较准确的有关信息。

在提取了角点和边界点的完整的坐标后，下一步要对前后两个相机捕捉的图像进行拼接处理的工作。由于前后两个相机得到的图像其X’轴的坐标是相反的，需要将一个相机中得到的X’方向的坐标进行转换，这一转换是通过对其中一个相机采集到图像的角点和边界点的X’坐标取负值实现的。然后根据前后两个图像其边界点为共用特征点，对其中一个图像中的所有坐标进行平移坐标转换，这样前后两个相机采集的角点和边界点的坐标就一致了，从而实现了三轴试样前后表面图像的拼接。

进一步进行三轴压缩试验过程中试样变形的三维重构工作。根据上面所得到角点和边界点的三维像素坐标，采用ANSYS或者其他的软件建立三轴试样的三维变形网格，如图6所示。进一步的，利用ANSYS软件的后处理功能，将三轴试样的表面看做一个壳体，每个角点和边界点的位移作为壳体单元节点的位移约束，就可以绘制出试样表面的三维变形场和应变场，从而实现了三轴压缩试验过程中试样全表面三维应变场的测量和绘制工作。上述工作是在像素坐标为刻度的空间坐标系O’X’Y’Z’中实现的。

在真实空间坐标系OXYZ中三轴试验变形三维重构和变形测量是按照下面的方法实现的。试样的初始状态真实的直径长度与试样初始像平面内直径长度的比值为线性比例因子，比例因子=真实长度/像素长度。根据这一比例因子，计算出真实试样的角点和边界点所在圆周的直径，进一步计算出每一个角点和边界点的真实空间坐标X’,Y’,和Z’。然后结合ANSYS软件可以建立三轴试样的三维变形网格并绘制三轴试样变形的三维表面应变场。

本发明的效果和益处是：一种三轴试验三维变形重构和测量的方法，能够从前后两个方向获取三轴试验过程中试验全面的变形特征。能够获得三轴试验中表面特征点的空间位置，实现对试样三维变形的重构，能够获得试样的三维表面应变场的分布。

附图说明

图1是本发明基于双相机的测量三维变形的测量装置示意图。

图中：1计算机控制采集系统；2三轴仪；3方形三轴压力室；4CCD相机；5三脚架；6试样；7橡皮膜。

图2是发明采用的分布有黑白方格的橡皮膜实物图。

图3是本发明中建立的三轴试样真实的三维空间坐标系统OXYZ图。

图4是本发明中建立的三轴试样成像平面的三维空间坐标系统O’X’Y’Z’图。

图5是本发明中采用图像中边界提取的方法得到的三轴试样的变形边界图。

图6是本发明中利用ANSYS软件得到的三维变形网格图。

图中：(a)初始状态示意图；(b)变形状态示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明实现三维测量的方案包括以下的设备：计算机控制采集系统1，三轴仪2，方形三轴压力室3，两台CCD相机4，两台三脚架5，三轴试样6，刻有黑白方格的橡皮膜7，方格大小为7mmx7mm。三轴仪为南京土壤仪器厂生产的TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪。方形压力室由有机玻璃材料做成，壁厚2.0cm,边长为11.0cm。CCD相机采用大恒图像生产的DH-HV3151UC相机，像素分辨率为2048×1536。镜头为Computers公司生产的最大焦距为16mm可调焦镜头。具体实施步骤描述如下：首先，在试样外边套上橡皮膜7，注意使橡皮膜同一行方格的上边的角点位于同一个高度，然后套有橡皮膜的试样安装到三轴仪上面，放上方形的压力室。压力室内充满水，密封好,这些操作与常用三轴试验仪器的操作相似。然后，在三轴压力室前后各放置一台CCD相机(4),CCD相机安装在三角架5上。调整三脚架的高度，使得两个相机处于同一个高度，并都能拍摄到试样，两台相机能够由计算机软件控制实现同时拍摄。三轴压力室内施加既定的围压后，则可以开始三轴压缩试验，试验过程中试样受压产生变形。三轴试验开始，同时计算机图像采集软件控制两台CCD相机进行图像采集。这样就获得了三轴试验过程中试验变形的前后面的图像。

进一步，对采集到的试样前后两个面的图像(包裹在三轴试样表面印有黑白相间方格的橡皮膜)进行提取角点像素坐标的处理工作，同时采用图像中边界识别的方法提取试样外所包裹的橡皮膜的边界。在角点的提取过程中，可以采用Harris角点提取的方法，并预先设定好角点所可能处于的范围。在边界的提取中，可以采用Prewitt因子提取边界的方法。提取后的边界如图3所示。然后根据提取的边界和角点的坐标确定和角点位于同一圆周上的边界点的坐标，如图2所示。在前后采集到的试样的图像上，每一行共提取10个特征点。

进一步，建立两个三维坐标系统。以试样初始时的中心轴为Z轴，试样的端部的中心为坐标原点，以试样与相机光轴垂直的方向为X轴，建立空间坐标系OXYZ，如图4所示。以所采集图像像平面的中心O’点为像素坐标的原点，以试样成像平面为X’Z’平面，与成像平面垂直的轴为Y’轴，建立刻度为像素的三维坐标系统O’X’Y’Z’，如图5所示。在做完这些前期的工作后，下一步进行试样变形的三维重构。首先，在三维坐标系统O’X’Y’Z’中重构试样三维变形的图像。假定，初始每一行方格的上面和下面的两个角点在安装三轴试样时均分别位于垂直于试样中心轴平面的同一个圆周上，试样变形后原来位于同一个圆周的角点仍然位于垂直于试样中心轴平面的同一个圆周上。通过角点和边界提取，得到10个特征点的X’和Z’像素坐标，获得特征点所在圆周的直径2R’，如图3所示.根据点在圆周上满足关系式：X’²+Y’²=R’²,得到特征点的Y’坐标。根据这一假定，可得到试样前后表面所有特征点的X’Y’Z’坐标，以像素表示。

在提取了特征点的完整的坐标后，对前后两个相机捕捉的图像进行拼接处理的工作。由于前后两个相机得到的图像其X’轴的坐标是相反的，需要将一个相机中得到的X’方向的坐标进行转换，通过对X’坐标取负值实现坐标的变换。然后根据前后两个图像的边界点为共用点，对其中一个图像中的所有坐标进行平移坐标转换，这样前后两个相机采集的特征点的坐标就一致了，从而实现了图像的拼接。

进一步进行三轴压缩试验过程中试样变形的三维重构。根据上面所得到的特征点，角点和边界点，的三维像素坐标，采用ANSYS或者其他的软件建立三轴试样的三维变形网格，如图6所示。进一步的，利用ANSYS软件的后处理功能，将三轴试样的表面看作一个壳体，每个特征点的位移作为壳体单元节点(采用ANSYS软件中的52号壳体单位)的位移约束，就可以绘制出试样表面的三维变形场和应变场，从而实现了三轴压缩试验过程中试样全表面三维应变场的测量和绘制工作。上述工作是在像素坐标为刻度的空间坐标系O’X’Y’Z’中实现的。

在真实空间坐标系OXYZ中三轴试验变形三维重构和变形测量是按照下面的方法实现的。试样的初始状态真实的直径长度与试样初始像平面内直径长度的比值为线性比例因子。例如真实长度为39.1mm,像素长度为200像素，则比例因子为39.1/200(mm/像素)。根据这一比例因子，计算出每一个特征点，边界点和角点，的真实空间坐标X’,Y’,和Z’。然后结合ANSYS软件可以建立三轴试样的三维变形网格并绘制三轴试样变形的三维表面应变场。

Claims (4)

1.一种三轴试验三维变形重构和测量的方法，其特征在于采用两个CCD相机分别从方形压力室的前后观测记录三轴试验中试样变形的试验设置；假定试样变形前位于垂直于试样中心轴平面内的同一圆周上的特征角点在变形后仍然位于垂直于试样中心轴某一平面内的同一圆周上；建立两套坐标系统，以试样初始时的中心轴为Z轴，试样的端部的中心为坐标原点，以试样与相机光轴垂直的方向为X轴，建立空间坐标系OXYZ，以所采集图像像平面的中心O’点为像素坐标的原点，以试样成像平面为X’Z’平面，与成像平面垂直的轴为Y’轴，建立刻度为像素的三维坐标系统O’X’Y’Z’；利用边界提取的方法确定试样的圆周直径；采用边界和角点提取相结合的方法确定边界点的坐标；根据前后相机获得的试样前表面和后表面共用一个边界点的方法进行试样前后表面的三维拼接，基于三维坐标系统O’X’Y’Z’；利用不同时刻由图像测量方法获得的特征点的位移和ANSYS有限元软件相结合进行三轴试验三维变形的重构和三维表面应变场的绘制工作；利用线性比例的方法实现从三维坐标系统O’X’Y’Z’到真实三维空间坐标OXYZ的变换。

2.根据权利要求1所述的一种三轴试验三维变形重构和测量的方法，其特征还在于对前后相机获得的试样前表面和后表面共用一个边界点进行三维拼接时，首先对其中一个表面所提取的特征点的坐标进行X坐标值取负值的处理，特征点包括角点和边界点，；并进一步根据试样前后表面的图像公用边界点的坐标值应该一致，对其中的一个表面取得的特征点的坐标进行坐标平移变化的处理，从而实现试样前后表面图像的三维拼接。

3.根据权利要求1所述的一种三轴试验三维变形重构和测量的方法，其特征在于根据线性比例的方法实现从三维坐标系统O’X’Y’Z’到真实三维空间坐标OXYZ的变换，根据试样的真实直径和图像上按照边界提取方法确定的试样直径的像素长度，确定出线性比例因子。

4.根据权利要求1所述的一种三轴试验三维变形重构和测量的方法，其特征还在于根据不同时刻由图像测量方法获得的特征点的位移采用有限元中软件ANSYS的壳体单元实现三轴试验三维变形的重构和三维表面应变场的绘制工作。

Images