CN110044291A - 一种相机阵测量局部变形的方法 - Google Patents

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邵龙潭
于起峰
夏平心
郭晓霞
王东明
邵龙海
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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

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Abstract

本发明公开了一种相机阵测量局部变形的方法，实现试样正面的整体变形场测量的主相机和实现试样背面局部区域测量的相机阵组成；所述主相机的镜头是短焦距；所述相机阵是由N*M个相机组成的相机阵，相机的轴心线相互平行，每个相机的配装长焦距镜头且像素相等，该相机阵的拍摄视野等同于主相机的拍摄视野；所述试样正面印有m*n行方格，并作为主相机的识别特征本发明对研究材料的破坏过程跟踪、应变场分析、不均匀变形分析具有重要意义。本发明对研究材料的破坏过程跟踪、应变场分析、不均匀变形分析具有重要意义。

Description

一种相机阵测量局部变形的方法
技术领域
本发明属于实验力学测量技术领域，涉及一种相机阵测量局部变形的方法。
背景技术
对于一般材料的力学实验而言，通常是测得不同荷载下的试样整体变形，然后计算试样的强度及其他相关力学参数。测量试样的整体变形用于力学参数分析是一种平均分析，基于试样均质并均匀变形的假设，这对于均质的线弹性材料屈服前变形来说是有意义的。然而，实际上很多材料的剪切破坏往往是从一点开始发展并逐渐贯通而形成剪切破坏。如何捕捉破坏点(破坏源头)对更精细准确的研究材料的力学性质显得尤为重要，而且对于变形不均匀的材料来说研究局部变形对其力学性质具有重要意义。跟踪破坏点或试样局部处的变形就是在整个试样上收索并确定破坏点或局部的位置，然后对定位点实时跟踪和信息记录。
测量试样的应变场的方法有很多，随着光测实验力学的发展，非接触、全场应变的测量技术，如数字全息、散斑干涉、数字图像相关(digital image correlation,DIC)等，已经发展得较为成熟且被广泛应用于各个科学领域。与数字全息、散斑干涉等方法相比，数字图像相关具有设备更加简单、对测量环境的要求更低、测量范围更广的优点。在定位点的收索过程中，如果对试样的所有区域点逐一筛选判定则带来巨大的计算量，导致不能实时计算更新计算结果。当筛选出定位点后，需要提高相机测量的像素当量以提高对定位点处的变形测量精度。提高相机的像素当量在硬件和软件上均可实现，当相机像素一定时，减小拍摄视野即可提高测量的像素当量，当收索算法提高到亚像素单位时也可提高像素当量。
本发明在光学测量技术和计算机图像处理的基础上，试样正面采用摄像机拍摄占据较大区域的标记块以实现整体变形场测量和定位点位置坐标的判定，背面采用相机阵的方式缩小拍摄视野提高像素当量以实现对定位点的放大测量，提高测量分辨率和精度，然后利用数字图像相关法计算视野内的应变场。同时，相机阵所拍摄的图像不需要做图像拼接，彼此独立，分别代表试样不同位置的局部变形，结合正面整体变形应变场并对破坏点或局部定位，则能对应出背面的阵列相机的拍摄视野(即拍摄视野最大限度包含定位点区域)，剩余其他相机的拍摄视野作为辅助参照对比。
发明内容
1、本发明的目的
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种相机阵测量局部变形的方法。
2、本发明所采用的技术方案
一种相机阵测量局部变形的方法，该测量方法由实现试样正面的整体变形场测量的主相机和实现试样背面局部区域测量的相机阵组成。所述主相机的镜头是短焦距，拍摄视野较大；所述相机阵是由N*M个相机(现以4*2相机阵为例)组成的相机阵，相机的轴心线相互平行不相交，每个相机的像素相等并配装长焦距镜头，该相机阵的拍摄视野等同于主相机的拍摄视野。
所述试样正面印有m*n行方格(现以8行4列方格为例)，并作为主相机的识别特征。主相机配合亚像素角点识别跟踪算法记录方格上每个角点的坐标信息，得到角点的位移后，根据角点位移数据用基于四节点等参元的有限元方法完成试样全表面应变场和整体应变的计算，实时监测试样的竖向应变、横向应变，得到试样的全表面变形信息，在进行对比各区域的应变大小时，即可定位出试样的破坏点或破坏源的位置。所述试样背面喷涂随机散斑(也可用材料自身的随机纹理)，相机阵中的所有相机同时拍摄并保存图像。得到试样破坏点的位置后，选取对应相机阵中的相机所拍的图像进行数字图像相关法的后处理运算。其原理及过程为：以初始状态下的试样表面的散斑图像作为参考图像，然后以被记录下加载后的散斑图像作为目标图像进行对比，由于图像中每一个像素点都记录了相应物点的灰度信息，通过基于区域的灰度匹配算法可以计算出所拍摄视野的感兴趣区域内所有点的位移和应变。为对比分析试样破坏点附近区域的变形行为，可根据需要选取相邻相机拍摄的图像作后处理运算。由于相机阵中的每个相机都拍摄一套变形图像，可有需的选取局部区域进行更高精度的变形分析，且主相机已经记录了试样的整体应变场信息不需要对所有相机的图像进行后处理，也不需要对相机阵中每个相机拍摄的图像进行图像拼接。而且，相机轴心线彼此垂直于试样表面，每个相机拍摄的图像均不需要做图像坐标变化。
采用上述测量方法，包括以下步骤：
第一步，调整主相机并安装试样，当试样正面的识别特征方格全部进入图像视窗并清晰成像时；调整相机阵的位置使主相机的轴心线对齐相机阵的中心，且保证轴心线均垂直于试样表面。微调各焦距并清晰成像于视窗完成试样准备；
第二步，同时启动各相机，开始对识别特征识别，人为选取定位效果最好的图像作为参考图像并保存，开始实验测量；根据主相机得到的整体应变场数值，判断破坏点或破坏源区域位置。
第三步，选取相机阵对应相机拍摄的图像进行后处理计算，可按需分析相邻相机拍摄的图像进行对比分析。
本发明的有益效果为：本发明拍摄试样正面测量整体应变场，拍摄试样背面测量局部区域应变场。结合整体应变场判定试样破坏点或局部区域的位置，然后对应出相机阵中相机拍摄的区域，实现破坏点高精度高准确性的变形过程跟踪。本发明引入相机阵拍摄，不需要对各相机拍摄图像坐标变换，不需要做图像拼接。只对破坏点处拍摄的图像做后处理运算，计算量小。本发明对研究材料的破坏过程跟踪、应变场分析、不均匀变形分析具有重要意义。
附图说明
图1为试样变形测量原理示意图。
具体实施方式
现结合说明书附图进一步说明本发明中各个系统配合使用的方法；
一种新型万能材料试验机，其组成主要包括动力传动系统、变形测量系统、夹具与载荷测量系统。动力传动系统是试验机常规系统，使用方法不详细介绍。变形测量系统使用步骤如下：
第一步，调整主相机并安装试样。当试样正面的识别特征方格全部进入图像视窗并清晰成像时；调整相机阵的位置使主相机的轴心线对齐相机阵的中心，且保证轴心线均垂直于试样表面。微调各焦距并清晰成像于视窗完成试样准备；
第二步，同时启动各相机记录数据。开始对识别特征识别，人为选取定位效果最好的图像作为参考图像并保存，开始实验测量；根据主相机得到的整体应变场数值和各区域像素坐标位置，可通过对应相机阵中相机采集的图像，利用数字图像相关法得到更高变形分辨率和精度的局部变形信息，对比整体与局部变形行为。
夹具与载荷测量系统使用时包含以下步骤：
第一步，根据实验材料特性粗略判断夹持力。控制不同的气缸压强值，标定出实验材料的最佳夹持力，并维持恒定。
第二步，同步采集载荷数据，并优选分析。开始试验时，大小量程载荷传感器同时记录数据，分析小应力变化时，采用小量程载荷传感器采集的数据，分析大应力变化时，小量程以内的数据用小量程载荷传感器采集的数据替换大量程载荷传感器采集数据。
实现试样正面的整体变形场测量的主相机和实现试样背面局部区域测量的相机阵组成；
所述主相机的镜头是短焦距，拍摄视野较大；所述相机阵是由N*M个相机(现以4*2相机阵为例)组成的相机阵，相机的轴心线相互平行不相交，每个相机的像素相等并配装长焦距镜头，该相机阵的拍摄视野等同于主相机的拍摄视野；所述试样正面印有m*n行方格(现以8行4列方格为例)，并作为主相机的识别特征。主相机配合亚像素角点识别跟踪算法记录方格上每个角点的坐标信息，得到角点的位移后，根据角点位移数据用基于四节点等参元的有限元方法完成试样全表面应变场和整体应变的计算，实时监测试样的竖向应变、横向应变，得到试样的全表面变形信息，在进行对比各区域的应变大小时，即可定位出试样的破坏点或破坏源的位置。所述试样背面喷涂随机散斑(也可用材料自身的随机纹理)，相机阵中的所有相机同时拍摄并保存图像。得到试样破坏点的位置后，选取对应相机阵中的相机所拍的图像进行数字图像相关法的后处理运算。其原理及过程为：以初始状态下的试样表面的散斑图像作为参考图像，然后以被记录下加载后的散斑图像作为目标图像进行对比，由于图像中每一个像素点都记录了相应物点的灰度信息，通过基于区域的灰度匹配算法可以计算出所拍摄视野的感兴趣区域内所有点的位移和应变。为对比分析试样破坏点附近区域的变形行为，可根据需要选取相邻相机拍摄的图像作后处理运算。由于相机阵中的每个相机都拍摄一套变形图像，可有需的选取局部区域进行更高精度的变形分析，且主相机已经记录了试样的整体应变场信息不需要对所有相机的图像进行后处理，也不需要对相机阵中每个相机拍摄的图像进行图像拼接。而且，相机轴心线彼此垂直于试样表面，每个相机拍摄的图像均不需要做图像坐标变化。

Claims (3)

1.一种新型万能材料试验机测试方法，其特征在于：
实现试样正面的整体变形场测量的主相机和实现试样背面局部区域测量的相机阵组成；
所述主相机的镜头是短焦距；所述相机阵是由N*M个相机组成的相机阵，相机的轴心线相互平行，每个相机的配装长焦距镜头且像素相等，该相机阵的拍摄视野等同于主相机的拍摄视野；所述试样正面印有m*n行方格，并作为主相机的识别特征；
步骤1、调整主相机并安装试样
当试样正面的识别特征方格全部进入图像视窗并清晰成像时；调整相机阵的位置使主相机的轴心线对齐相机阵的中心，且保证轴心线均垂直于试样表面，微调各焦距并清晰成像于视窗即完成试样准备；
步骤2、同时启动各相机记录数据
步骤2.1、开始对识别特征识别，选取参考图像并保存，开始实验测量；
步骤2.2、主相机配合亚像素角点识别跟踪算法记录方格上每个角点的坐标信息，得到角点的位移后，根据角点位移数据用基于四节点等参元的有限元方法完成试样全表面应变场和整体应变的计算，实时监测试样的竖向应变、横向应变，得到试样的全表面变形信息；
步骤2.3、根据主相机得到的全表面变形信息和各区域像素坐标位置，通过对应相机阵中相机采集的图像，利用数字图像相关法得到变形分辨率和精度的局部变形信息，对比整体与局部变形行为。
2.根据权利要求1的新型万能材料试验机测试方法，其特征在于还包括夹具与载荷测量系测试步骤：
步骤1、根据实验材料特性粗略判断夹持力，控制不同的气缸压强值，标定出实验材料的最佳夹持力，并维持恒定；
步骤2、同步采集载荷数据，并优选分析，开始试验时，大小量程载荷传感器同时记录数据，分析小应力变化时，采用小量程载荷传感器采集的数据，分析大应力变化时，小量程以内的数据用小量程载荷传感器采集的数据替换大量程载荷传感器采集数据。
3.根据权利要求1的新型万能材料试验机测试方法，其特征在于，人为选取定位效果最好的图像作为参考图像并保存。
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