CN111336942A - 一种三维应变变形测量的拍摄方法 - Google Patents

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范立峰
孙宇航
张云寒
王德华
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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
    • G—PHYSICS
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    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
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Abstract

本发明公开了一种三维应变变形测量的拍摄方法，实现该方法的设备包括高速摄像机、照明设备、平面镜、计算机四种硬件设备和DIC分析软件设备；计算机搭载同时搭载DIC分析软件，高速摄像机通过USB插孔与计算机连接并与特定的高速摄像机图像分析软件进行匹配，照明设备、平面镜按计算位置独立摆放。高速摄像机用以采集试验过程物体表面的散斑情况，照明设备用以在高速摄像机采集物体表面散斑情况是提供照明。平面镜共两面，两平面镜规格相同，底部设置旋转支座，便于调节两平面镜之间的夹角。计算机搭载数字图像相关方法软件程序与图片剪切程序，便于后期的匹配运算和图片的截切处理；DIC分析软件用以对图像进行匹配分析。

Description

一种三维应变变形测量的拍摄方法
技术领域
本发明是一种用于三维应变变形数字测量的拍摄方法。具体是将传统三维应变变形的数字测量手段进行优化，传统三维应变变形的数字测量需要同时架设两台高速摄像机对同一物体进行拍摄，后经同时处理两组高速摄像机所拍摄的照片得到应变变形。本发明提供一种新颖的拍摄方法，在仅使用一台高速摄像机的基础上得到两组所需处理的照片。
背景技术
传统应变变形数字测量分析系统(DIC技术)是一种光学非接触式三维变形测量系统，用于物体表面形貌、位移以及应变的测量和分析，并得到三维应变场数据，测量结果直观显示。
该系统采用两个高精度摄像机实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，利用数字图像相关算法实现物体表面变形点的匹配，根据各点的视差数据和预先标定得到的相机参数重建物面计算点的三维坐标；并通过比较每一变形状态测量区域各点的三维坐标的变化得到物面的位移场，进一步计算得到物面应变场。新的散斑系统集成了动态变形系统与轨迹姿态分析系统，在散斑计算的同时对于物体表面特殊点的位移变化和轨迹姿态进一步分析计算。通过设置种子点，追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量。
DIC技术使用的摄像机价格往往也十分昂贵，而实现三维应变变形数字测量则需要同时架设两台高速摄像机，极大的增加了成本。因此，本发明提供一种新的拍摄方法，只需要一台高速摄像机，同时拍摄观测物体的两个面，得到所需要的两组照片。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于三维应变变形数字测量的拍摄方法。具体是利用平镜面成像原理，在平面镜形成与拍摄物体等大的虚像，再用高速摄像机拍摄两个镜面中的观测物体，得到观测物体两个不同方向的照片。后对照片进行剪切处理，间切成两组尺寸相同的图片，标记为m方向和n方向。将图片导入DIC分析软件中得到应变场。
一种用于三维应变变形数字测量装置，包括高速摄像机、照明设备、平面镜、计算机四种硬件设备和DIC分析软件设备；计算机搭载同时搭载DIC分析软件，高速摄像机通过USB插孔与计算机连接并与特定的高速摄像机图像分析软件进行匹配，照明设备、平面镜按计算位置独立摆放。
高速摄像机用以采集试验过程物体表面的散斑情况，照明设备用以在高速摄像机采集物体表面散斑情况是提供照明。平面镜共两面，两平面镜规格相同，底部设置旋转支座，便于调节两平面镜之间的夹角。计算机搭载数字图像相关方法软件程序与图片剪切程序，便于后期的匹配运算和图片的截切处理；DIC分析软件用以对图像进行匹配分析。
传统高速摄像机的拍摄方法是将两台高速摄像机，呈60度角架设在观测物体前t米处(根据待测物体的体积与摄像机的规格设定)，在拍摄物体正面做散斑处理，标记一点为种子点，同时拍摄待测面上散斑的位移变化过程，所得的两组图片导入DIC分析软件中，通过计算得出整个物体的应变场。
本方法根据平面镜成像原理，使拍摄物体不同的待测面成像在两个规格相同的平面镜上，摄像机同时拍摄两面平面镜中物体的位移变化过程，将拍摄的照片通过图片剪切软件剪切为尺寸相同的两组照片，分别导入DIC分析软件中，进而得到应变场。
镜面成像原理：平面镜中的像是由光的反射光线的延长线的交点形成的，所以平面镜中的像是虚像。虚像与物体等大，距离相等。像和物体的大小相等，所以像和物体对镜面来说是对称的。
为保证平面镜所成像与传统方法直接拍摄所的图像为待测物的同向且等大的面，需要满足入射光线长度与反射光线长度之和等于t米。在被观测物体待测面前x米处放置两面平面镜，夹角为z度，在观测物体背面后y米处放置一台高速摄像机，摄像机拍到的是待测物体在镜中的等大且的虚像。
x、y、z需要满足以下要求：
Figure BDA0002447317060000021
Figure BDA0002447317060000022
且x、y＜t，120°＜z＜180°。
由上式可知，当给定一个x值，便可求出y与z的值，及当确定物体与平面镜的距离时，便可通过上式得出高速摄像机到物体的距离，以及两个平面镜的夹角，才能保证本方法与传统方法拍摄效果相同。
技术方案操作步骤：
S1技术方案准备：对试块待测面进行散斑处理，白漆为底黑漆为斑(以便S7DIC软件分析处理)。将高速摄像机接入计算机，与高速摄像机软件进行匹配，计算机中搭载DIC分析软件。准备规格相同的两面平面镜、两个照明灯，平面镜下安装可旋转底座。准备量角器、米尺、刻度尺等辅助测量工具。
S2传统方法测量t值：在实验台上固定试块，运用传统方法，根据试块尺寸调节高速摄像机到试块的距离，使得计算机中能清晰的呈现试块待测面的散斑，测量二者距离t。
S3计算：指定高速摄像机与待测试块距离y，将y、t带入上述公式，求出x值和z值。
S4根据计算结果固定设备位置：在距待测物y米处假设高速摄像机，x米处放置两面平面镜，待测面朝镜面，反面朝高速摄像机，在距离镜面固定距离对称架设两个照明灯(位置可根据实际光线情况设定)。
S5调整设备：调整平面镜底座，将连镜面呈z对称摆放，使待测面在镜中呈对称等大的像，以便真实反映待测面运动情况；调整照明灯，使两镜面中的光线强度相同，防止后续DIC分析处理时由于光线不同造成的误差影响。
S6拍摄图像：通过高速摄像机记录待测物变形过程，并采集待测物的图片；
S6图片处理：运用图片处理程序对待测物的图片进行剪切处理。
S7 DIC软件分析处理：选择合适的DIC分析软件，搭载合适的相关性计算公式，对剪切处理后的待测物图像进行数字化分析处理，并输出最终的处理结果。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术优势：
(1)DIC技术往往用于测量物体瞬时破坏的应变变化情况，如裂缝的出现与开展，需要结合高速摄像机使用。为达到三维测量的效果，需要运用两台高速摄像机，其成本很高。本方法操作过程只需要一台高速摄像机，节约成本；
(2)当观测物体体积较大，例如大型钢结构的失稳破坏、砌体墙的破坏等，相机与观测物体的距离也会较大，实验所需的拍摄场地随之增大。运用这种新的拍摄方法可极大的减小实验场地面积。
(3)当采用传统方法时，需要两个人控制不同相机，且不能保证相机的同步性，导致实验误差。本方法相机只需一人控制，节省人力的同时保证两组图片的同步性，使拍摄更加精确。
附图说明
图1是传统应变变形数字测量分析系统的拍摄方法。
图2是本发明所采用的应变变形数字测量分析的拍摄方法。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
传统高速摄像机的拍摄方法是将两台高速摄像机1和高速摄像机2，呈60度角架设在观测物体3前5米处。同时拍摄物体散斑面位移变化过程，两组图片导入DIC软件中，通过计算得出整个物体的应变场。
本方法具体操作分以下步骤：
S1技术方案准备：对试块待测面进行散斑处理，白漆为底黑漆为斑。将高速摄像机接入计算机，与高速摄像机软件进行匹配，计算机中搭载XTDIC分析软件。准备规格相同的两面平面镜、两个照明灯，平面镜下安装可旋转底座。准备量角器、米尺等辅助测量工具。
S2传统方法测量t值：在实验台上固定试块，运用传统方法，根据试块尺寸调节高速摄像机到试块的距离，测量二者距离5m。
S3计算：指定高速摄像机与待测试块距离y＝2.36m，通过计算得x＝1.23m、z＝140.4°
S4根据计算结果固定设备位置：在距待测物2.36米处假设高速摄像机，1.23米处放置两面平面镜，待测面朝镜面，反面朝高速摄像机，在距离镜面固定距离对称架设两个照明灯(位置可根据实际光线情况设定)。
S5调整设备：调整平面镜底座，将连镜面呈140.4°对称摆放；调整照明灯，使两镜面中的光线强度相同。
S6拍摄图像：通过高速摄像机记录待测物变形过程，并采集待测物的图片；
S6图片处理：运用图片处理程序对待测物的图片进行剪切处理，将图片剪切成尺寸相同的两组。
S7计算单位像素尺寸：单位像素真实尺寸＝待测物体真实尺寸/像素尺寸。
S8 DIC软件分析处理：对剪切处理后的待测物图像导入XTDIC软件进行数字化分析处理，得出待测物三维应变结果。XTDIC软件分析采用的相关性计算公式：
Figure BDA0002447317060000051
式中：C——参考图像子区与目标图像子区的相关系数；f(x,y)——参考图上坐标(x,y)点的灰度：
Figure BDA0002447317060000052
——参考图子区域的平均灰度；g(x′,y′)——目标图上坐标为(x′,y′)的灰度；
Figure BDA0002447317060000053
——目标子区域的平均灰度。
操作过程需要的注意事项：
(1)y的取值(待测物与高速摄像机的距离)可根据实验室的实际情况调整。
(2)对于体积较大的待测物如砌体结构，可用毛笔进行黑斑的标记；对于体积较小的待测物，可制作散斑模具进行散斑。散斑过程要满足以下要求：黑斑尺寸均匀，不能出现特别大或特别小的斑点；黑斑形状各异，且分布均匀；待测物变形过程，所散斑要跟随待测面同步移动，不能出现颜料剥、褶皱等现象。
(3)平面镜根据待测物的大小选取合适的尺寸，两镜面对称且垂直放置，待测面位于角平分线上；照明灯对称摆放，保证两镜面采光相同。
本方法所使用的高速摄像机型号、平面镜型号、设备间的距离、数字处理计算方法都可根据实际情况进行更换。总之，本方法具有操作简单、经济、精确等优点。

Claims (4)

1.一种用于三维应变变形数字测量装置，其特征在于：包括高速摄像机、照明设备、平面镜、计算机四种硬件设备和DIC分析软件设备；计算机搭载同时搭载DIC分析软件，高速摄像机通过USB插孔与计算机连接并与特定的高速摄像机图像分析软件进行匹配，照明设备、平面镜按计算位置独立摆放。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维应变变形数字测量装置，其特征在于：高速摄像机用以采集试验过程物体表面的散斑情况，照明设备用以在高速摄像机采集物体表面散斑情况是提供照明；平面镜共两面，两平面镜规格相同，底部设置旋转支座，便于调节两平面镜之间的夹角；计算机搭载数字图像相关方法软件程序与图片剪切程序，便于后期的匹配运算和图片的截切处理；DIC分析软件用以对图像进行匹配分析。
3.根据权利要求1所述的一种用于三维应变变形数字测量装置，其特征在于：根据平面镜成像原理，使拍摄物体不同的待测面成像在两个规格相同的平面镜上，摄像机同时拍摄两面平面镜中物体的位移变化过程，将拍摄的照片通过图片剪切软件剪切为尺寸相同的两组照片，分别导入DIC分析软件中，进而得到应变场；
为保证平面镜所成像与传统方法直接拍摄所的图像为待测物的同向且等大的面，需要满足入射光线长度与反射光线长度之和等于t米；在被观测物体待测面前x米处放置两面平面镜，夹角为z度，在观测物体背面后y米处放置一台高速摄像机，摄像机拍到的是待测物体在镜中的等大且的虚像；
x、y、z需要满足以下要求：
Figure FDA0002447317050000011
Figure FDA0002447317050000012
且x、y＜t，120°＜z＜180°。
4.利用权利要求1所述装置进行的一种用于三维应变变形数字测量方法，其特征在于：该方法的测量步骤如下，
S1技术方案准备：对试块待测面进行散斑处理，白漆为底黑漆为斑(；将高速摄像机接入计算机，与高速摄像机软件进行匹配，计算机中搭载DIC分析软件；准备规格相同的两面平面镜、两个照明灯，平面镜下安装可旋转底座；准备量角器、米尺、刻度尺辅助测量工具；
S2测量t值：在实验台上固定试块，根据试块尺寸调节高速摄像机到试块的距离，使得计算机中能清晰的呈现试块待测面的散斑，测量二者距离t；
S3计算：指定高速摄像机与待测试块距离y，求出x值和z值；
S4根据计算结果固定设备位置：在距待测物y米处假设高速摄像机，x米处放置两面平面镜，待测面朝镜面，反面朝高速摄像机，在距离镜面固定距离对称架设两个照明灯；
S5调整设备：调整平面镜底座，将连镜面呈z对称摆放，使待测面在镜中呈对称等大的像，以便真实反映待测面运动情况；调整照明灯，使两镜面中的光线强度相同，防止后续DIC分析处理时由于光线不同造成的误差影响；
S6拍摄图像：通过高速摄像机记录待测物变形过程，并采集待测物的图片；
S6图片处理：运用图片处理程序对待测物的图片进行剪切处理；
S7 DIC软件分析处理：选择DIC分析软件，搭载相关性计算公式，对剪切处理后的待测物图像进行数字化分析处理，并输出最终处理结果。
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