CN113280740A - 一种透明土体的动态位移场重建试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明土体的动态位移场重建试验装置及其试验方法，装置包括设置在光学平台上的透明容器、激光器装置和图像采集系统，其中，所述透明容器内放置透明土试样，所述透明土试样内置入荧光示踪粒子；所述激光器装置照射透明土试样以形成光学待测切面；所述图像采集系统用于对所述光学待测切面的图像进行采集，记录所述荧光示踪粒子的运动轨迹；所述激光器装置为可移动激光器；计算机，与所述图像采集系统信号连接。本发明装置由双平面激光装置依次按需移动扫描，可以获得相对复杂模型试验过程中的动态土体三维位移场，可以完整反映土体在试验过程中的变化情况。

Description

一种透明土体的动态位移场重建试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及土力学试验技术领域，特别涉及一种透明土体的动态位移场重建试验装置及其试验方法。

背景技术

土体变形测量是土力学试验中重要的内容。传统试验方法囿于土体不透明的性质，往往只能得到土体表面的变形情况，难以获得土体内部的变形情况。为此国内外学者进行了诸多研究，提出了很多解决办法。但这些解决办法往往属于接触式测量，会对土体的变形行为产生一定影响，造成对试验结果的干扰。试验高昂的费用也限制了这些方法的广泛的应用。

随着数字图像处理技术的发展以及光学技术的应用，利用人工合成透明土结合数字图像技术进行土体内部变形测量的透明土试验技术得到了较广泛的应用。该技术因其非接触测量的特性与较高的测量精度，具有广泛的应用前景。此方法在获取透明土试样完整三维变形场方面存在多种解决方法，但大多具有局限性，且因为模型试验多种多样，单一系统试验装置往往难以满足要求。在图像处理方面，单一图像在没有数据库作为先验知识对模型进行约束的情况下，无法实现三维重建。多视角采集则需要搭建相机矩阵，成本较高。

专利CN109374856B采取可移动激光源与可移动相机相互配合的方式，进行图像采集工作，但涉及的试验过程属于准静态，即试验分步骤进行且待土体稳定后进行图像采集与三维位移场的重建工作，无法获得试验过程中土体的精细位移变化情况与速度，在面对过程相对较快且步骤单一的模型试验时难以满足图像信息的采集要求；

另有专利CN105758324A采用固定激光源与相机配合可移动长方体透明容器进行图像采集工作，但此种方式在遇到需要大型加载设备的试验时无法使用，大型加载设备无法跟随长方体透明容器一同运动。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种透明土体的动态位移场重建试验装置及其试验方法，本发明装置可以获得相对复杂模型试验过程中的动态土体三维位移场，进行试验进行过程中土体的动态位移变化，可以完整反映土体在试验过程中的变化情况，应用于大部分过程相对较快的模型试验，例如中途不能停止的试验过程。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种透明土体的动态位移场重建试验装置，包括设置在光学平台上的透明容器、激光器装置和图像采集系统，其中，

所述透明容器内放置透明土试样，所述透明土试样内置入荧光示踪粒子；

所述激光器装置照射透明土试样以形成光学待测切面；

所述图像采集系统用于对所述光学待测切面的图像进行采集，记录所述荧光示踪粒子的运动轨迹；

所述激光器装置包括两组，分别是水平放置在所述透明容器一侧用以形成法向为y向的可移动光学待测切面的第一组激光器装置和竖直放置在所述透明容器另一侧用以形成法向为z向的可移动光学待测切面的第二组激光器装置：

所述第一组激光器装置包括：第一数控电动支架、安装在所述第一数控电动支架上且可在第一数控电动支架上移动的第一激光器和第二激光器；

所述第二组激光器装置包括：第二数控电动支架、安装在所述第二数控电动支架上且可在第二数控电动支架上移动的第三激光器和第四激光器；

计算机，与所述图像采集系统信号连接。

所述图像采集系统包括两台成像平面正交的CCD相机。

所述透明容器为有机玻璃容器。

所述透明容器的形状为长方体，长方体形透明容器的两个正交面上分别设有控制点阵。

还包括暗幕，所述暗幕用以包裹整个光学试验所需部分。

本发明进一步公开了一种基于所述透明土体的动态位移场重建试验装置的试验方法，

所述第一数控支架在程序控制下带动第一激光器、第二激光器在第一数控支架上稳定移动，所述第二数控支架在程序控制下带动第三激光器和第四激光器在第二数控支架稳定移动，四个上述激光器匀速扫描照射透明土试样形成稳定移动的光学待测切面；

所述图像采集系统按照程序进行对光学待测切面的图像采集工作，记录荧光示踪粒子的运动轨迹；

所述计算机内利用GeoPIV软件分别分析图像采集系统所获得的位移场，并采用插值与向量合成将两正交方向的位移场合成为完整的三维位移场。

所述图像采集系统包括两台成像平面正交的CCD相机，采用两侧光源交替照明的形式，同时配合启动CCD相机交替工作，即一侧光源与一面相机对应同时工作，另一组进入待机状态。

激光器扫描速度与图像采集有如下对应关系：假设第一激光器在第一数控电动支架上移动轨迹①的完成时间为t1，则认为整个循环扫描过程的扫描周期为t1，在t1时间内相机的拍摄间隔定为Δt，以水平放置的第一组激光器装置为例，设轨迹①中第一激光器移动速度为v1，则v1*t1等于长方体透明容器y方向边长，t1周期内共采集N=t1/Δt张图像，其中，第n张图像对应y坐标为v1*n*Δt，即y=v*n*Δt处的平面，0≤n≤N；整个试验过程中所有采集间隔时间为t1的图像设为一组，完成y方向平面内向量的构建；

同理，另一侧第一组激光器装置按照相同时间间隔t1扫描，相机拍摄间隔Δt’满足k*Δt’=Δt，k为正整数，选取按照长方体透明容器z方向与y方向边长比值确定，一般k=1，以v2匀速运动，满足v2*t1等于长方体透明容器z方向边长，其余过程与前述相同，得到z方向平面内的向量构建；

将得到的所有法向为y向与法向为z向的平面向量进行整合并用插值算法即可得到三维位移向量场，至此试验目的达成。

有益效果：

1.本发明只需要两台相机，不需要按照特定角度等条件在特定位置部署多个相机进行图像采集，可高效稳定地完成完整试验过程中的三维图像采集，无需搭建复杂的相机阵列。

2.本发明通过GeoPIV进行图像批量处理，对处理结果使用用简单的线性插值与向量合成原理可快速获取高精度三维模型。

3.本发明装置结构较简单，可通过数控系统编程实现自动化操作。

4.本发明装置可以获得相对复杂模型试验过程中的动态土体三维位移场。

5.本发明装置无需长方体透明容器所在试验台与相机的移动，最大程度保证了可应用试验的广泛性与试验的稳定性。

附图说明

图1是第一CCD相机6与对应的第一组激光器装置的工作示意图；

其中，1是透明容器，2-01是第一激光器，2-02是第二激光器；3是第一数控电动支架，4-01是第三激光器，4-02是第四激光器，5是第二数控电动支架；

图2是第二CCD相机与对应的第二组激光器装置的工作示意图；

其中，6是第一CCD相机，7是第二CCD相机；

图3是第一组激光器装置的结构示意图；

图4是第二组激光器装置的结构示意图；

图5是本发明数控电动支架程序面板示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1

本实施例公开一种透明土体的动态位移场重建试验装置，包括布置在光学平台上的透明容器1、激光器装置和图像采集系统。

参见图1，所述透明容器1为上端敞口且内部中空的长方体，规格为30cm×30cm×50cm。所述透明容器1中布置有透明土试样，所述透明土试样内置入荧光示踪粒子。

本实施例1中，所述透明容器1采用透明有机玻璃容器。

本实施例1中，所述激光器装置包括两组，分别是设置在所述透明容器1一侧的第一组激光器装置和设置在所述透明容器1另一侧的第二组激光器装置：

所述第一组激光器装置包括：第一数控电动支架3、安装在所述第一数控电动支架3上且可在第一数控电动支架3上移动的第一激光器2-01和第二激光器2-02；

所述第二组激光器装置包括：第二数控电动支架5、安装在所述第二数控电动支架5上且可在第二数控电动支架5上移动的第三激光器4-01和第四激光器4-02。

如图3和图4所示，在程序控制下，第一激光器2-01和第二激光器2-02在第一数控电动支架上按照①②③的顺序匀速稳定移动，第三激光器4-01和第四激光器4-02在第二数控电动支架上按照④⑤⑥的顺序匀速稳定移动，多个激光器匀速扫描照射透明土试样形成稳定移动的光学待测切面。②③阶段和⑤⑥阶段为过渡阶段，形成两个光源连续扫描的状态。

所述第一CCD相机6和第二CCD相机7按照程序进行对光学待测切面的图像采集工作，记录荧光示踪粒子的运动轨迹。

计算机中利用GeoPIV软件分别分析两相机图像所获得的位移场，并采用插值与向量合成将两正交方向的位移场合成为完整的三维位移场。

所述可移动激光源组具体工作方式为：

透明容器1左、右两侧各一个数控电动支架，每个数控电动支架上放置两个激光器，数控电动支架可通过旋转让两个激光器交替完成匀速扫描以保证光源扫描的覆盖率。

光源扫描速度与相机的图像采集开关有对应关系，一个完整的光源扫描周期内相机保持打开状态，此过程由程序自动控制。具体对应关系为：设激光器在第一数控电动支架上移动轨迹①的完成时间为t1，则认为整个循环扫描过程的扫描周期为t1，在t1时间内相机的拍摄间隔定为Δt，以水平放置的第一组激光器装置为例，轨迹①中激光器移动速度为v1，则v1*t1等于长方体透明容器y方向边长，t1周期内共采集N=t1/Δt张图像，其中，第n（0≤n≤N）张图像对应y坐标为v1*n*Δt（即y=v*n*Δt）处的平面，整个试验过程中所有采集间隔时间为t1的图像设为一组，完成特定y方向平面内向量（x、z坐标系中的位移向量）的构建；

同理，另一侧激光源组按照相同时间间隔t1扫描（相机拍摄间隔Δt’满足k*Δt’=Δt，k为正整数，选取按照长方体透明容器z方向与y方向边长比值确定，一般k=1），以v2匀速运动，满足v2*t1等于长方体透明容器z方向边长，其余过程与前述相同，得到特定z方向平面内的向量（x、y坐标系中的位移向量）构建；将得到的所有法向为y与法向为z的平面向量进行整合并用插值算法（时间空间均进行插值工作）即可得到三维位移向量场，至此试验目的达成。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，为了保证图像采集质量，所述图像采集系统包括暗幕，所述暗幕按需搭建，包裹所有光学所占空间部分即可。

实施例3

本实施例与实施例1和实施例2的区别在于，所述透明容器1的正面与底面外壁上设置有控制点阵，所述控制点阵为位于试验箱表面用于进行图像校对的预设参考点阵列，可用贴纸的形式完成，设置参考点阵列可以一定程度提高计算精度。

本发明数控电动支架程序面板如图5所示。

左上角的三个窗格用于拍摄的时间设置，根据设置的时间数控电动支架会调整速度以保证一个图像采集周期内完成规定次数的片光源扫描工作。

“保存设置”按钮用于记录设置，“读取设置”按钮用于读取先前的时间设置。

三角按钮用于启动整个图像采集系统，方块按钮用于终止系统。

右上角两个显示窗口分别可以显示第一CCD相机与第二CCD相机采集到的图像，显示窗口下方的箭头可以用于翻页查看。

右下角“插值”与“合成”按钮用于图像采集完成之后的图像分析与处理工作，计算结果在按钮旁边的显示窗口中显示。

Claims (8)

1.一种透明土体的动态位移场重建试验装置，包括设置在光学平台上的透明容器、激光器装置和图像采集系统，其中，

所述透明容器内放置透明土试样，所述透明土试样内置入荧光示踪粒子；

所述激光器装置照射透明土试样以形成光学待测切面；

所述图像采集系统用于对所述光学待测切面的图像进行采集，记录所述荧光示踪粒子的运动轨迹；

其特征在于，所述激光器装置包括两组，分别是水平放置在所述透明容器一侧用以形成法向为y向的可移动光学待测切面的第一组激光器装置和竖直放置在所述透明容器另一侧用以形成法向为z向的可移动光学待测切面的第二组激光器装置：

所述第一组激光器装置包括：第一数控电动支架、安装在所述第一数控电动支架上且可在第一数控电动支架上移动的第一激光器和第二激光器；

所述第二组激光器装置包括：第二数控电动支架、安装在所述第二数控电动支架上且可在第二数控电动支架上移动的第三激光器和第四激光器；

计算机，与所述图像采集系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的透明土体的动态位移场重建试验装置，其特征在于，所述图像采集系统包括两台成像平面正交的CCD相机。

3.根据权利要求1所述的透明土体的动态位移场重建试验装置，其特征在于，所述透明容器为有机玻璃容器。

4.根据权利要求1所述的透明土体的动态位移场重建试验装置，其特征在于，所述透明容器的形状为长方体，长方体形透明容器的两个正交面上分别设有控制点阵。

5.根据权利要求1所述的透明土体的动态位移场重建试验装置，其特征在于，还包括暗幕，所述暗幕用以包裹整个光学试验所需部分。

6.一种基于权利要求1~5中任一所述透明土体的动态位移场重建试验装置的试验方法，其特征在于，

所述第一数控支架在程序控制下带动第一激光器、第二激光器在第一数控支架上稳定移动，所述第二数控支架在程序控制下带动第三激光器和第四激光器在第二数控支架稳定移动，四个上述激光器匀速扫描照射透明土试样形成稳定移动的光学待测切面；

所述图像采集系统按照程序进行对光学待测切面的图像采集工作，记录荧光示踪粒子的运动轨迹；

所述计算机内利用GeoPIV软件分别分析图像采集系统所获得的位移场，并采用插值与向量合成将两正交方向的位移场合成为完整的三维位移场。

7.根据权利要求6所述的透明土体的动态位移场重建试验装置的试验方法，其特征在于，

所述图像采集系统包括两台成像平面正交的CCD相机，采用两侧光源交替照明的形式，同时配合启动CCD相机交替工作，即一侧光源与一面相机对应同时工作，另一组进入待机状态。

8.根据权利要求6所述的透明土体的动态位移场重建试验装置的试验方法，其特征在于，激光器扫描速度与图像采集有如下对应关系：假设第一激光器在第一数控电动支架上移动轨迹①的完成时间为t1，则认为整个循环扫描过程的扫描周期为t1，在t1时间内相机的拍摄间隔定为Δt，以水平放置的第一组激光器装置为例，设轨迹①中第一激光器移动速度为v1，则v1*t1等于长方体透明容器y方向边长，t1周期内共采集N=t1/Δt张图像，其中，第n张图像对应y坐标为v1*n*Δt，即y=v*n*Δt处的平面，0≤n≤N；整个试验过程中所有采集间隔时间为t1的图像设为一组，完成y方向平面内向量的构建；

同理，另一侧第一组激光器装置按照相同时间间隔t1扫描，相机拍摄间隔Δt’满足k*Δt’=Δt，k为正整数，选取按照长方体透明容器z方向与y方向边长比值确定，一般k=1，以v2匀速运动，满足v2*t1等于长方体透明容器z方向边长，其余过程与前述相同，得到z方向平面内的向量构建；

将得到的所有法向为y向与法向为z向的平面向量进行整合并用插值算法即可得到三维位移向量场，至此试验目的达成。

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