CN115511881B - 一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，属于实验力学、非接触式全场位移测量、数字图像相关方法领域，相关性调谐法为在数字图像相关法和数字体相关法中计算子区间相关性时，将相关性的计算式与调谐函数进行点乘，调谐函数具有如下特征：单峰、平顶范围可变函数；函数平顶范围随参数变化而变化；具有与子区相同的维度；该调谐函数峰值位于子区中心处，越远离中心的点调谐函数值越小。本发明的方法使用调谐函数对子区间相关性进行调谐，可以有效缓解由于子区位移映射函数与子区变形间的匹配误差导致子区间相关性欠佳的问题，最终提高数字图像相关法和数字体相关法的位移及应变计算精度。
Description
技术领域
本发明涉及实验力学、非接触式全场位移测量、数字图像相关方法，具体涉及一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法。
背景技术
在航空航天、建筑桥梁等诸多领域中，保证结构可靠性永远是第一要务。随着科学技术的发展，能够在结构发生不可逆损伤之前，对其施以控制修缮，成为诸多科学家的重要目标。而由实验力学提供的材料响应载荷表征的测量结果，对于完善设计，改进结构以及监测损伤都具有丰富的指导意义。位移与应变，作为实验力学重要参量，对于分析模型力学特性、验证基础假设及特征识别等都具有举足轻重的作用。面对日益复杂的测量需求，传统的位移应变测量方法就显得捉襟见肘。与此同时，有限处位移应变测量结果远不能胜任复杂模型的分析工作。并且针对各种测量条件的约束，能够实现全场应变及非接触式测量的新兴测量技术应运而生。
能够进行全场测量的不同方法，各有其准确性及适用性优势。而又能够同时满足非接触测量条件的数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC），由于其较低的实验成本及数据采集过程相对简单等优势已被广泛用于实验力学中，其对测量环境和隔振要求较低，普适性强，广泛应用于各种工程和学科领域，如航空航天、生物医疗等。将二维数字图像相关法扩展至三维，称之为数字体相关法Digital Volume Correlation，DVC），该技术可与DIC共享技术发展成果。
传统的DIC中，需要预先假设子区内的变形场，通常由一阶位移映射函数表示。这种位移映射函数可以有效描述均匀变形场，但与非均匀变形场之间会存在匹配误差，导致最终计算的位移与应变结果不准确。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，该方法使用具备调谐特性的函数对子区间相关性进行调谐，可以有效缓解由于子区位移映射函数与子区变形间的匹配误差导致子区间相关性欠佳的问题，最终提高数字图像相关法和数字体相关法的位移及应变计算精度。
本发明是这样实现的：
一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，其特征在于，所述的相关性调谐法是指，在数字图像相关法和数字体相关法中计算子区间相关性时，将相关性的计算式与调谐函数进行点乘，该调谐函数不同参数的一维形状具有如下特征：（1）单峰平顶函数；（2）具有与子区相同的维度；（3）该调谐函数峰值位于子区中心处，越远离中心的点调谐函数值越小；（4）该调谐函数值可随参数变化而变化。所述的调谐函数为单峰平顶函数，能根据不同参数值调整其平顶范围；在均匀变形场处，平顶范围为[50%-100%]，可实现轻度调谐作用；在非均匀变形场处，设其平顶范围为[0-50%），可实现重度调谐作用；平顶范围可变特性能保证数字图像相关法和数字体相关法对于不同变形场的测量灵活性。
所述的相关性调谐法具体步骤为：搭建数字图像相关测量系统，获取试件变形前的参考图像及变形后的变形图像；根据预期试件变形情况，选择调谐函数参数为固定值或自适应值；对子区相关性进行调谐；根据调谐后的相关性，使用数字图像相关法计算各计算点的位移及应变。
所述的调谐函数包括但不限于如下两种举例形式：
对于二维数字图像相关法而言，调谐函数形式为：
（1）
（2）
对于三维数字体相关法而言，调谐函数形式为：
（3）
（4）
其中，
F 1,
F 2,
F 3,
F 4为调谐函数值，
x,
y,
z为参考子区内以子区中心为原点的横纵坐标，
M为子区半径，
D 1,
D 2,
D 3为
x,
y,
z方向的待定系数。
进一步，调谐函数待定系数的确定方法为：待定系数可根据预估试件变形情况设为固定值或自适应值。调谐函数待定系数设为固定值的方法为：在实施数字图像相关法及数字体相关法时，若试件加载情况已知，可有效预估试件变形，则为各子区预设固定的调谐函数待定系数值。 调谐函数待定系数设为自适应值的方法为：在实施数字图像相关法及数字体相关法时，若试件加载情况复杂，不能有效预估试件变形，则计算各子区内位移映射函数与子区变形的匹配误差，根据各子区的匹配误差值对各子区设置自适应的调谐函数待定系数值。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
本发明的方法使用调谐函数对子区间相关性进行调谐，该调谐函数为单峰平顶函数，可以根据不同参数值调整其平顶范围。在均匀变形场处，其平顶范围较大，可实现轻度调谐作用。在非均匀变形场处，其平顶范围较小，可实现重度调谐作用。这种平顶范围可变特性可以保证数字图像相关法和数字体相关法对于不同变形场的测量灵活性。这种平顶可变调谐功能可以有效缓解由于子区位移映射函数与子区变形间的匹配误差导致子区间相关性欠佳的问题，最终提高数字图像相关法和数字体相关法的位移及应变计算精度。
附图说明
图1为本发明一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法的一维调谐函数不同参数曲线；
图2为本发明一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法的实施例中参考图像及参数值；
图3为本发明一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法的实施例中计算应变场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法是指，在数字图像相关法和数字体相关法中计算子区间相关性时，将相关性的计算式与调谐函数进行点乘，该调谐函数不同参数的一维形状如图1所示：该调谐函数具有如下特征：（1）单峰平顶函数；（2）具有与子区相同的维度；（3）该调谐函数峰值位于子区中心处，越远离中心的点调谐函数值越小；（4）该调谐函数值可随参数变化而变化。
该调谐函数包括但不限于如下两种举例形式：
对于二维数字图像相关法而言，调谐函数形式为：
（1）
（2）
对于三维数字体相关法而言，调谐函数形式为：
（3）
（4）
其中，
F 1,
F 2,
F 3,
F 4为调谐函数值，
x,
y,
z为参考子区内以子区中心为原点的横纵坐标，
M为子区半径，
D 1,
D 2,
D 3为
x,
y,
z方向的待定系数。
所述的方法具体步骤为：
步骤一、搭建数字图像相关测量系统，获取试件变形前的参考图像及变形后的变形图像；步骤二、根据预期试件变形情况，选择调谐函数参数为固定值或自适应值；步骤三、对子区相关性进行调谐；步骤四、根据调谐后的相关性，使用数字图像相关法计算各计算点的位移及应变。
以下列举具体的实例进行叙述本发明的方法：
本实施例使用中心带孔的拉伸试件算例进行计算，选用公式（1）作为调谐函数。参考图像及调谐函数参数值如图2所示。最后应变计算结果如图3所示，可见正应变为双对称分布，切应变为双反对称分布，符合试件受力情况。
具体实施步骤如下：
步骤一：在参考图像上以5个像素的间隔布置计算点，每个计算点的计算子区大小为71×71；
步骤二：选择公式（1）作为调谐函数，参数值如图2所示；
步骤三：对子区相关性进行调谐；
步骤四：使用数字图像相关法计算各计算点的位移及应变；
步骤五：画应变云图；
结果发现，正应变为双对称分布，切应变为双反对称分布，符合试件受力情况。
最后应当说明的是，以上实施方案仅用以说明本发明的实现方式而非对其限制；人们应该理解，对该发明的实施过程进行修改或者部分算法过程进行同等替换，而不会脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围内。
Claims (5)
1.一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，其特征在于，所述的相关性调谐法为在数字图像相关法和数字体相关法中计算子区间相关性时，将相关性的计算式与调谐函数进行点乘，所述的调谐函数为单峰、平顶范围可变函数；所述的调谐函数平顶范围随参数变化而变化；所述的调谐函数具有与子区相同的维度；所述的调谐函数峰值位于子区中心处，越远离中心的点调谐函数值越小；所述的调谐函数为单峰平顶函数，能根据不同参数值调整其平顶范围；
在均匀变形场处，平顶范围为50%-100%，可实现轻度调谐作用，所述的范围包含端点值50%以及100%；
在非均匀变形场处，设其平顶范围为0-50%，可实现重度调谐作用，所述的范围包含端点值0；平顶范围可变特性能保证数字图像相关法和数字体相关法对于不同变形场的测量灵活性；
所述的相关性调谐法具体步骤为：搭建数字图像相关测量系统，获取试件变形前的参考图像及变形后的变形图像；根据预期试件变形情况，选择调谐函数参数为固定值或自适应值；对子区相关性进行调谐；根据调谐后的相关性，使用数字图像相关法计算各计算点的位移及应变。
2.根据权利要求1所述的一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，其特征在于，所述的调谐函数包括但不限于如下两种形式：
对于二维数字图像相关法而言，调谐函数形式为：
（1）
（2）
对于三维数字体相关法而言，调谐函数形式为：
（3）
（4）
其中，F 1, F 2, F 3, F 4为调谐函数值，x, y, z为参考子区内以子区中心为原点的横纵坐标，M为子区半径，D 1, D 2, D 3为x, y, z方向的待定系数。
3.根据权利要求2所述的一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，其特征在于，所述的调谐函数待定系数的确定方法为：待定系数根据预估试件变形情况设为固定值或自适应值。
4.根据权利要求3所述的一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，调谐函数待定系数设为固定值的方法为：
在实施数字图像相关法及数字体相关法时，若试件加载情况已知，能有效预估试件变形，则为各子区预设固定的调谐函数待定系数值。
5.根据权利要求3所述的一种数字图像相关和数字体相关中的相关性调谐法，调谐函数待定系数设为自适应值的方法为：在实施数字图像相关法及数字体相关法时，若试件加载情况复杂，不能有效预估试件变形，则计算各子区内位移映射函数与子区变形的匹配误差，根据各子区的匹配误差值对各子区设置自适应的调谐函数待定系数值。
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