CN108871944A - 一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面局部应变及其均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面局部应变及其均匀性的方法属于土工试验技术领域，基于小型三轴试验仪实现，利用外置高速工业相机，对散斑处理后的三轴试样表面进行试验全过程拍摄，采集全过程图像数据；利用PS对试验图像进行预处理，并截取试样全面场矩形图像中的部分图像作为计算条带，利用DIC图像处理技术计算每一个计算区块的区域数据，最终得到各计算区块的中心点实际位移。根据得到的各计算区块的中心点实际位移，计算局部应变。根据计算所得试样体各局部应变，判别试验过程中试样体总体应变发展均匀性。本发明采用的设备装置简单、试验操作方便并能够减小试验过程中对试样的干扰，同时又能够准确测量试样各局部应变的方法。
Description
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及土工动态三轴试验试样应变发展均匀性的测量方法，尤其涉及一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面变应变及其均匀性的方法。
背景技术
在砂土动态三轴试验中，由于刚性试样帽和底座与试样之间存在摩擦力约束，在试样受力加载过程中，试样端部受力与中间部分不一致，从而导致试样体整体的应变发展不均匀。同时，在动态加载过程中，由于加载频率、渗透系数等因素影响，导致试样整体应变的发展不均匀。目前，一般传统的动态三轴试验设备，采用外置位移计，测量精度低，其安装位置决定了测量结果中必然要包含加载杆、内外置力传感器、试样帽、滤纸和透水石间的变形,还包含它们之间及其与试样之间的初始接触挤压变形，用其测量结果计算试样整体的平均应变，这显然是不准确且是不合理的。
目前，很多学者就上述问题上做了相关的研究，一般都是采用在压力室内部或者直接在试样体上安装一定量的局部位移计，测量试样体某些局部的应变，使用较多的方法：直线位移传感器(LVDT)、悬臂式局部位移计(Cantilever－LDT)、局部位移计(LDT)等。但是这些传感器的设置，均会在试样体上设置接触设备，由于这些附加设备的存在，影响试验的进行和测量，主要的影响有：一是，在试验加载过程中，传感器的引入会干扰试样体应变的发展，无论是轴向应变还是径向应变，都会受到扰动；二是，动态加载过程中，应变发展较为迅速，径向应变的发展会干扰局部位移计的测量准确性和精度；三是，对于变形发展至较大的情况时，这类方法测量是不准确的，对于大变形的试验工况，这类方法是不适用的；四是，局部位移计的测量设置，只能测量某些局部的应变情况，不能对试样的全面场进行各部位的局部测量，导致测量不够全面准确；五是，由于需要采用大量的设备，导致试验设备结构复杂，试验操作难度加大，试验成本增加。
由此可见，目前亟需一种不影响试样应变发展，又能全面准确测量试样各局部变形的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术和方法的缺点和不足，提供一种设备装置简单、试验操作方便并能够减小试验过程中对试样的干扰，同时又能够准确测量试样各局部应变的方法，解决了试样体动态情况下全表面各局部变形测量的难题、动态情况下试样体大变形测量的难题以及判别加载频率，制样方法等对试样应变发展均匀性影响的难题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面变应变及其均匀性的方法，该方法通过高速工业相机拍摄试样上印制的散斑来跟踪模拟试样的变形过程，而后利用先进的数字图像处理技术-DIC对所拍摄的散斑图像进行分析，获取试样体整体各个局部的变形，试验过程操作难度低，后期图像处理技术成本低，分析结果有效性和可信度高，测量过程不会扰动试样，同时还可以进行径向应变等其他参数的分析。该方法基于试验装置实现，试验装置包括小型三轴仪1、高速工业相机8、电脑9等。具体包括如下步骤：
(1)采用小型三轴仪1设备制备试样6。
(2)对乳胶膜5进行散斑处理。
(3)对试样6进行安装、通气、饱和、固结，并连接好加载装置。
(4)架设外置照明设备，对试样6进行光照设置。使试样表面光照均匀，其表面散斑更加清晰，轮廓线更加分明，提高图像质量。
(5)架设高速工业相机8。
(6)同时触发加载程序和图像采集程序，进行试验。
(7)获取试验数据及试验图像，并进行后处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)散斑图像处理技术首次应用在动态三轴全表面应变测量及应变均匀性判别。该测量方法不需要另外设计和研制对试样体进行全面局部测量的设备，利用高速工业相机和现有常规小型三轴仪就可以进行全表面局部变形的测量。
(2)该测量方法操作步骤简单，避免了外置传感器对试样变形的干扰，实时保存散斑图像，利于在试验结束后重新观察和分析整个试验过程。同时，在试验过程中避免了只针对试样体某些局部进行应变测量的局限性。
(3)本发明针对保存的散斑图像，利用先进的数字图像处理算法可以精确地测量试样体局部的轴向变形和径向变形，此方法不仅适用于小变形测量还适用于大变形测量，为应变标准的选取提供了准确可靠的方法和测量手段，推动了土动力学和砂土液化研究的发展，具有良好的推广价值。
附图说明
图1是试验设备及采集设备图。
图2是试验设备及试样体散斑图像。
图3是图像处理技术选取范围原理图。
图4是DIC图像处理技术算法原理图。
图5是试验用料级配曲线图。
图6是各计算区块11中心点位移值时程曲线图。
图中：1小型三轴仪；2连接轴；3试样帽；4透水石；5乳胶膜；6试样；7试样底座；8高速工业相机；9电脑；10高速数据采集线；11计算条带；12计算区块；13参考子区；14目标子区。
具体实施方式
以下结合实例，对本发明进行详细说明：
一种利用数字图像处理技术测量三轴试样动态全表面变应变及其均匀性的方法，基于小型三轴试验仪1实现，试验装置包括高速工业相机8、电脑9和高速数据采集线10。具体包括以下步骤：
(1)采用小型三轴仪1试验设备，按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规试验方法制备三轴试样6，利用砂土完成本实施例试验，砂土级配如图5所示。
(2)利用喷漆(黑色和白色)对乳胶膜5进行表面全场散斑处理。先喷制均匀黑底，晾干后，再随机喷制白色散斑。黑色底层使成像清晰，边缘明显，使得乳胶膜5与背景反差明显，使试样6与其周边部分的灰度值在边缘位置有明显跃迁，满足阶跃边缘的条件；黑底白斑对比度高，灰度值差别大，易于后期图像分析，提高测量精确度。
(3)按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规试验方法对试样6进行安装。试样6顶部与底部分别放置透水石4，并在试样6外部套置乳胶膜5，将试样6放置于试样底座7上，安置试样帽3，绑扎乳胶膜5，完成安装。通气，饱和，固结，并将连接轴2与液压加载系统连接。
(4)架设外置辅助照明设备，对试样体进行光照设置。使试样体表面光照均匀，使试样体表面散斑更加清晰，试样体轮廓线更加分明，提高图像质量。
(5)架设高速工业相机8，并采用高速数据采集线10将其与电脑9连接，调节高速工业相机8的镜头，对试样体进行对焦，调整曝光率。同时，调试图像采集程序，设置采集参数包括采集图像像素、采集帧率。
(6)同时触发加载程序和图像采集程序，高频采集全过程试验图像至试验结束，获取试验图像。
(7)利用PS对试验图像进行预处理，获取试样6全面场矩形图像(如图3)；截取沿长轴方向中心线左右各15°弧长范围内图像，称之为计算条带11。对计算条带11进行分层处理，将条带平均分为L层(本实施例中分为20层)，具体层数根据实际情况确定，共获得L块计算区块12，通过相关算法程序获各计算区块12灰度值数据，利用DIC图像处理技术分析计算每一个计算区块12的区域数据，以其中一块为例(如图4)，计算过程如下：
将一个计算区块12分成N块方形区域，每个方形区域称为参考子区13，以其中一个参考子区13为例，该参考子区13的中心点为P(X0,Y0)，除中心点外任一点Q(X,Y)，该参考子区13的像素为(2M+1)*(2M+1)，M可以根据图片质量(像素高低)合理选取，假设参考子区的变形为线性的。
如图4所示计算原理，一阶形函数系数向量，如公式(1)所示：
则区域内任一点Q点变形后坐标，如公式(2)、(3)所示：
U表示变形前后P点横坐标位移值；V表示变形前后P点纵坐标位移值。
利用临近域搜索算法，寻找目标子区14，利用归一化协方差相关函数计算相关系数极值，经过反复试算迭代计算，找到目标子区14，该目标子区14与上述参考子区13像素信息相同或相近，获得中心点P(X',Y')坐标，利用引入灰度变化的基于梯度的亚像素位移算法计算出该子区中点位移。利用上述方法，可以求得N块参考子区13中心点的位移D，对求得各参考子区13位移D，利用公式(4)计算最终该计算区块12的中心点位移S。
其中，S表示某一计算区块12中心点实际位移；N表示参考子区13的个数；Di表示某参考子区13中心点实际位移。
按照上述计算过程，可以得到各计算区块12的中心点实际位移。计算结果如图6所示，本实施例中共计20块计算区块12及相应的各区块中心点位移时程曲线。
(8)根据步骤(7)得到的各计算区块12的中心点实际位移，由公式(5)计算局部应变：
其中，ε表示应变值；S1、S2表示相应局部的计算区块12中心点的实际位移；H是两局部中心点初始位置相对位移。
依据试样体6各局部应变，判别其整体应变发展均匀性。
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)
1.一种利用数字图像处理技术测量三轴试样动态全表面应变及其均匀性的方法，其特征在于，该方法基于小型三轴试验仪(1)实现，散斑图像处理方法首次应用在动态三轴全表面应变测量及应变均匀性判别，不需外置传感器，避免其对试样变形的干扰，且能够精确测量试样体局部的轴向变形和径向变形，该方法具体包括以下步骤：
1)采用小型三轴仪(1)制备三轴试样(6)；
2)对乳胶膜(5)进行表面全场散斑处理；
3)试样(6)顶部与底部分别放置透水石(4)，并在试样(6)外部套置乳胶膜(5)，将试样(6)放置于试样底座(7)上，安置试样帽(3)，绑扎乳胶膜(5)，完成安装；对试样(6)进行通气、饱和、固结，将连接轴(2)与液压加载系统连接；
4)架设外置辅助照明设备，对试样(6)进行光照设置，使试样(6)表面光照均匀；
5)架设高速工业相机(8)，并采用高速数据采集线(10)将其与电脑(9)连接，调节高速工业相机(8)的镜头，对试样(6)对焦后调整曝光率；同时，调试图像采集程序，设置采集参数；
6)同时触发加载程序和图像采集程序，高频采集全过程试验图像至试验结束，获取试验图像；
7)利用PS对试验图像进行预处理，获取试样(6)全面场矩形图像，截取沿长轴方向中心线左右各一定角度的弧长范围内的图像作为计算条带(11)；对计算条带(11)进行分层处理，将条带平均分为L层，获得L块计算区块(12)，并得到各计算区块(12)的灰度值数据，利用DIC图像处理技术分析每一个计算区块(12)的区域数据；
其中一个计算区块(12)的计算过程如下：
将一个计算区块(12)分成N块方形区域，所述方形区域的快数根据测量部位和测量精度要求选取，每个方形区域称为参考子区(13)，其中一个参考子区的中心点为P(X0,Y0)，除中心点外任一点Q(X,Y)，该参考子区(13)的像素为(2M+1)*(2M+1)，M根据图片质量选取；方形区域内任一点Q点变形后坐标，如公式(2)、(3)所示：
其中，U表示变形前后P点横坐标位移值；V表示变形前后P点纵坐标位移值；
利用临近域搜索算法，寻找目标子区(14)，利用归一化协方差相关函数计算相关系数极值，经过反复试算迭代计算，找到目标子区(14)，该目标子区(14)与上述参考子区(13)像素信息相同或相近，获得中心点P(X',Y')坐标，利用引入灰度变化的基于梯度的亚像素位移算法计算出该子区中点位移；用上述方法，可以求得N块参考子区(13)中心点的位移D，对求得各参考子区13位移D，利用公式(4)计算最终该计算区块12的中心点位移S；
其中，S表示某一计算区块12中心点实际位移；N表示参考子区13的个数；Di表示某参考子区13中心点实际位移；
按照上述计算过程，可以得到各计算区块12的中心点实际位移，计算结果如图6所示，本实施例中共计20块计算区块12及相应的各区块中心点位移时程曲线；
8)根据步骤7)得到的各计算区块(12)的中心点实际位移，由公式(5)计算局部应变：
其中，ε表示应变值；S1、S2表示相应局部的计算区块(12)中心点的实际位移；H是两局部中心点初始位置相对位移。
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