CN108535097A - 一种三轴试验试样柱面变形全场测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种三轴试验试样柱面变形全场测量的方法，属于测试计量技术领域，该方法基于二维散斑数字图像相关技术的图像测量方法基础上，在单目相机图像测量系统条件下，针对三轴试验空间圆柱体试样，提出了一种新的图像畸变修正算法，实现对三轴试验试样柱面表面感兴趣区域的全场变形测量，大大的提高了测量精度。本发明的效果和益处是：无需采用成本高的三维图像测量系统，仅需单目相机就能够获取三轴试样表面变形信息，测量成本低。发明中引入了散斑数字图像相关方法，与传统的离散的角点等示踪标志方法相比，能有实现全场的变形测量，在土工样品和实际工程中的有推广和应用意义。

Description

一种三轴试验试样柱面变形全场测量的方法

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，涉及土力学抗震研究中三轴试验试样表面变形场的测量，尤其是一种散斑数字图像测量条件下实现非接触式曲面变形场的测量方法。

背景技术

许多巨大而复杂的岩土工程也随之涌现，土体在动力作用下的稳定和变形问题变得越来越重要，特别是由地震、风载荷和海浪等不同形式的振动载荷所引起的地基失效、基础的失稳以及变形等问题急需解决，而对于这些复杂的土动力学问题的研究主要是通过实验室内模拟试验来进行。

实验室内的模拟试验通常借助于三轴试验仪完成，为了便于试验通常将三轴试验试样制作成圆柱体，试样外面包裹橡皮膜研究土体的强度和变形特性。试样表面变形测量技术是三轴试验测试过程中尤为关键的技术之一。近年来，数字图像处理和分析技术已经成为土木工程试验测试一种重要的手段。基于数字图像测量方法的土工三轴试验试样变形测量系统的发展主要分为两个阶段:一是通过边缘检测方法来跟踪试样的边界，进而拟合出试样的轮廓曲线来对体积变形进行计算。二是通过对三轴试验试样表面离散的角点测量和来分析试样全表面径向和轴向的分段平均应变。但在三轴试验试样中离散的角点等示踪标志方法主要设置稠密的示踪标志，其难度大导致的岩土细观局部应变难以定量研究以及无法满足高应变梯度区的要求等，具有无可避免的缺陷。

为了提高测量精度，并能够实现全场测量。该发明采用散斑数字图像相关方法作为三轴试验试样变形的测量方法。数字图像相关方法是一种光学全场测量技术，用来确定在各种荷载作用下物体表面的面内的位移场和应变场信息。数字图像相关方法通过处理变形前后被测对象表面的数字图像直接获得位移和应变信息。与通过角点识别等传统的测量方法相比，具有试样散斑制作简单、全场变形测量、测量尺度范围广以及操作方便等突出的优点。但是在二维数字图像相关方法对被测物体的变形状态提出了要求：被测物体表面应是一个平面或近似为一平面。目前，在三轴试验中所采用的单目相机数字图像测量系统中，只是针对圆柱形的三轴试验试样实体表面正投影图像的变形进行分析，而一般性的三轴试验试样为近似标准的空间圆柱体，忽略了对试样正常拍摄条件下产生的图像规则畸变的处理。为了打破对被测试样表面为近似平面这一局限，而又避免在三维数字图像相关方法的计算复杂度以及高成本的缺点。针对面内局部小扭曲变形的土工三轴试验试样，提出了一种新的柱面图像畸变修正方法。

发明内容

本发明的目的提供一种经修正的土工三轴试验试样柱面变形的全场图像测量方法，解决了目前采用离散的角点等示踪标记方法设置稠密的示踪标记难度大导致的岩土细观局部应变难以定量研究的问题，并利用曲面展开原理修正了因近似圆柱体的三轴试验试样曲面表面正投影成像所造成的散斑纹理失真问题，提高了测量数据的稳定性和精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

在考虑现有单目相机图像测量系统的硬件条件下，为了能够捕获试样表面全场变形信息，而又避免在三维散斑图像相关方法的计算复杂度，提出一种基于二维散斑图像测量原理对三轴试验试样表面变形场信息测量的新方法。考虑到三轴试验试样为近似的空间圆柱实体，而由单目摄像机采集的图像数据是三维试样表面散斑纹理在其对应圆柱面切平面的投影图。在不考虑镜头畸变的前提下，通过分析柱体试样曲面表面成像模型，试样试验图像可以利用柱面反投影算法进行展开，并结合插值运算来恢复失真的散斑纹理。

一种三轴试验试样柱面变形全场测量的方法，该方法修正了三轴试样柱面散斑图像应正投影成像造成的图像畸变，提高测量精度；并通过散斑数字图像相关方法，获取试样表面感兴趣区域全场的变形信息，对岩土细观局部应变研究分析具有重要的意义，具体包括以下步骤：

步骤1、制备散斑试样

实验前，对包裹三轴试验试样的黑色乳胶膜外表面喷涂上随机的散斑信息，形成散斑试样。

步骤2、搭建单目相机散斑图像测量系统并对试样变形图像进行采集

利用单目相机图像测量系统记录加载过程中的三轴试验试样散斑图像，并经由图像采集卡传送到计算机里存储。

基于数字散斑相关方法的单目相机图像测量系统主要由图像采集卡、通用计算机、CMOS传感器、图像处理软件和散斑分析软件等组成。

步骤3、标定三轴试验试样图像尺寸

根据标定块，对采集的三轴试验试样的散斑图像进行尺寸标定。

步骤4、获取三轴试验试样中轴线位置

利用Canny边缘检测算法，分别提取三轴试验试样散斑图像左边缘、右边缘轴向位置坐标X₁、X₂，柱体三轴试验试样中轴线的轴向位置坐标为

步骤5、根据柱面图像畸变修正方法，修正柱面散斑图像畸变

根据提出的柱面图像畸变修正方法，以步骤4得到轴向位置坐标为所在的中轴线为基准呈对称方式展开三轴试验试样圆柱面散斑图像。并对其进行行插值运算，还原三轴试验试样表面图像实际散斑特征。

步骤6、利用散斑数字图像相关方法对散斑图像进行处理分析

在上述基础上利用二维散斑图像相关方法以及步骤2获取的尺寸标定结果，计算三轴试验试样位移场和应变场数据。

本发明的效果和益处是：该方法与传统的追踪角点标记测量方法相比，数字图像相关方法的测试结果可以反映由试样感兴趣区域表面上的场信息，记录试样的变形过程更为详细、准确，在试样局部化变形分析中的具有明显优势。此外，提出了一种基于柱面反投影算法恢复试样柱面表面散斑信息的方法，仅仅单目相机就能够为试验研究提供了更准确的数字图像信息。因此，该发明在土工试样表面场检测中有重要应用价值。

附图说明

图1是基于散斑图像相关方法的三轴试验图像测量系统图；

图2图柱体透视投影模型；

图3三轴试验试样中轴线示意图；

图4为柱面投影图与平面图之间的几何关系；(a)为X坐标轴方向坐标变换原理；(b)为Y坐标轴方向坐标变换原理图图。

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。

试验中，选用弹性体作为算法验证试样。

测定方法具体如下：实验前，需对包裹试样的黑色乳胶膜外表面喷涂上随机大小不均的白漆点，制备散斑试样，利用散斑随机信息来表征土样表面各个区域的变形。采用CMOS相机对散斑试样变形图像进行采集。试验前，固定三脚架上的相机，需要调高、对准和调焦，确保试样表面成像清晰。采用定焦拍摄并使焦点位于圆柱形三轴试验试样的中心母线上，相机的光轴与三轴试验试样表面近似垂直，不会对试样柱面的对称展开造成影响。图像数据经由图像采集卡处理后传送到计算机里存储。将获得的试验图像结果进一步通过图像分析处理以及柱面展开算法修正畸变，利用散斑数字图像相关方法便可以得到土样试样的变形场数据。

图像畸变修正具体方式：

三轴试验的研究对象是圆柱形的空间实体，并主要分析其曲面表面的变形情况。而由单目摄像机采集的图像数据是三维试样表面散斑纹理在其对应圆柱面切平面的投影图。三维柱体曲面在投影为二维平面的过程中，不可避免地会发生散斑纹理的失真。而且，柱面投影成像是导致试验误差最主要的因素之一。

为了方便研究单目相机柱面曲面投影成像特点，建立如图2所示的投影模型。柱面透视投影是一个线性过程，相机视角内试样柱面表面三维空间像点P′沿其与投影中心F形成的射线FP′线性地映射到投影成像平面像点P上。相机采集到的投影成像图像数据在X轴和Y轴方向各有着不同规律的畸变。试验中采用是定焦镜头相机，三轴试样表面不同母线方向(Y轴方向)像点物距不同，故试样同一X轴方向表面像点成像后会产生不同程度的Y向偏移畸变，且随着远离摄像机的中轴线畸变越严重。此外，三轴试样X轴方向个横截面成像数据点因此而存在非线性散斑像素点丢失。

首先，通过Canny边缘检测算子识别散斑试样图像边缘来获取试样中心轴位置坐标，三轴试验试样中轴线如图3所示。本文采用的图像畸变修正模型是沿三轴试样实体的中轴线所建立。为了确保三轴试样的数字图像沿径向呈轴对称展开修正成像畸变，则需要获取三轴试样中轴线的径向位置坐标，即X轴向位置坐标。通常情况下，在三轴试样发生小变形过程中，试样中轴线位置不存在明显偏移现象。首先，利用Canny边缘检测算法，分别提取试样散斑图像左边缘、右边缘轴向位置坐标X₁、X₂，柱体三轴试验试样中轴线的轴向位置坐标为在试样左、右边缘检测过程中，采用基于Canny算子的边缘检测方法。基于Sobel算子、Prewitt算子、Roberts算子等常用的边缘检测方法虽然计算速度较快，但Canny算子在抗噪能力以及边缘定位精度方面具有更好的优势。

然后，以步骤4得到轴向位置坐标为所在的中轴线为对称轴，呈对称方式按照柱面反投影算法，将三轴试验试样实景图像映射到试样的圆柱坐标系上，展成二维图像进行显示。柱面反投影算法原理，如图4所示。在不考虑镜头畸变的前提下，并保证实景图像的中心在圆柱体三轴试验试样正视图的垂直中心线上。假设实景图像的上任意像素点为P(x,y)，像素点P在投影成像坐标系下的坐标为(x-W/2,y-H/2)。其中，反投影映射到柱面上相应的像素点为P(x',y')，W、H分别为图像的宽度和高度。

根据图4，由几何关系，可知：

x′＝(x-W/2)×θ+W/2 (1)

y′＝(y-H/2)×cos(θ)+H/2 (2)

其中：θ＝arctan((x′-W/2)/r),r代表三轴试验试样半径。由于柱面畸变修正方法的公式中存在反三角函数运算，像素点P(x,y)坐标经过柱面坐标系映射后，所获得的新像素点P(x',y')的坐标可能为非整形，需要通过双线性插值进行平滑处理。

最后，对修正后的散斑图像进行数字图像分析。选取初始状态为0s的试样图像作为参考图像，对散斑感兴趣区域进行分析。在数字相关计算时，选择大小为33pixel×33pixel正方形计算子区，子区窗口步数为2pixel。实施散斑图像相关方法的主要步骤是利用非线性优化方案，以达到较高的亚像素精度和更好的匹配结果值。该方法追踪变形前后两幅散斑图像中像素的对应灰度值，在预先定义的感兴趣区域中提取被测量物体表面位移、应变信息。基本原理是：在参考图像中设置一个围绕中心像素点的方形子集(2M+1)×(2M+1)，M为整数，搜索和跟踪目标图像对应的目标子集。为了估计两个子集之间的相似程度，在大多数情况下，零均值归一化差异平方和(ZNSSD)相关系数被优先考虑，主要是因为它具有良好的鲁棒性和对照明波动不敏感的优势。相关函数ZNSSD的表达形式如下：

其中：f(x_i,y_j)代表参考图像的参考子集坐标处(x_i,y_j)的灰度值，g(x′_i,y′_j)表示当前图像的目标子集坐标处(x′_i,y′_j)的灰度值；f_m和g_m以及分别定义的参考点和当前子集点的平均灰度值,其定义分别如下：

本发明方法通过修正三轴试样柱面散斑图像应正投影成像造成的图像畸变，提高了测量精度。并通过散斑数字图像相关方法，获取了试样表面感兴趣区域全场的变形信息，对岩土细观局部应变研究分析具有重要的意义。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种三轴试验试样柱面变形全场测量的方法，其特征在于，该方法能够修正三轴试样柱面散斑图像应正投影成像造成的图像畸变，提高测量精度；并通过散斑数字图像相关方法，获取试样表面感兴趣区域全场的变形信息，包括以下步骤：

步骤1、制备散斑试样

实验前，对包裹三轴试验试样的黑色乳胶膜外表面喷涂上随机的散斑信息，形成散斑试样；

步骤2、搭建单目相机散斑图像测量系统并对试样变形图像进行采集

利用单目相机图像测量系统记录加载过程中的三轴试验试样散斑图像，并经由图像采集卡传送到计算机里存储；

基于数字散斑相关方法的单目相机图像测量系统主要由图像采集卡、通用计算机、CMOS传感器、图像处理软件和散斑分析软件组成；

步骤3、标定三轴试验试样图像尺寸

根据标定块，对采集的三轴试验试样的散斑图像进行尺寸标定；

步骤4、获取三轴试验试样中轴线位置

利用Canny边缘检测算法，分别提取三轴试验试样散斑图像左边缘、右边缘的轴向位置坐标X₁、X₂，柱体三轴试验试样中轴线的轴向位置坐标为

步骤5、根据柱面图像畸变修正方法，修正柱面散斑图像畸变

根据提出的柱面图像畸变修正方法，以步骤4得到轴向位置坐标为所在的中轴线为基准呈对称方式展开三轴试验试样圆柱面散斑图像；并对其进行行插值运算，还原三轴试验试样表面图像实际散斑特征；

步骤6、利用散斑数字图像相关方法对散斑图像进行处理分析

在上述基础上利用二维散斑图像相关方法以及步骤2获取的尺寸标定结果，计算三轴试验试样位移场和应变场数据。