CN1458528A - 一种新的工程结构与材料变形测量技术 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可用于工程结构与材料变形进行高精度测量的特征点分析与识别技术。这种新的工程结构与材料变形测量技术采用光源、CCD摄像机、三维移动台和控制计算机与分析识别系统。在被测物体表面制作或者选取数个能描述结构变形的‘特征点’，通过CCD摄像机获取物体变形前后或不同变形时刻特征点的图像，摄取的视频信号传入控制计算机并形成数据文件。由‘特征点’相关系数判断准则来实现被测物体变形的测量。本发明的优点是可用于工程现场测试，对被测物本身和引起被测物变形的原因没有特别的限制，而且能够用于各种材料力学机械性能的测量，如弹性模量、泊松比、塑性与强度极限、断裂韧度、应力强度因子等。

Description

一种新的工程结构与材料变形测量技术

                              技术领域

本发明涉及一种光力学图像分析领域中工程结构与材料变形的测量技术。

                              背景技术

对工程领域结构或者材料表面在某种原因作用下所产生的变形进行测量，是很多工程领域都可能遇到的问题。常用的方法是电测量与机械测量，这两种方法都属于接触式的点测量方法。目前应用最多的是电测量，通过引线做近距离测试，此方法除了对变形的大小程度有一定的限制外，也不能用于刚体的位移测量。近年来，光学测试技术发展很快，如干涉类光学方法，这类方法对实验环境有较高的要求，如要求防震条件、需要条纹处理等。另一类是利用光学图像识别技术，如数字散斑相关方法(Sutton MA，McNeill SR，Helm JD，and Chao YJ(2000)，Advances in two-dimensional andthree-dimensional computer vision，P.K.Photomechanics，Topics in Applied Physics，77，323-372)等。与电测量相比，此方法具有非接触、光路简单且避开了条纹处理等优点，但是，该方法的数学基础是基于小变形理论，对于较大的变形测量不适用。上述方法在工程领域应用方面都具有一定的局限性，到目前为止，尚缺乏在大的变形范围内(包括小变形、有限变形、大变形、刚体变形等)能够方便、准确地测量工程领域结构或者材料变形的技术。

                              发明内容

本发明的目的是提供一种可用于工程领域结构与材料变形的测量技术，该技术能够对被测物体由于某种因素而引发的变形及变形过程进行有效的光学测量。

本发明通过建立一套完整的、基于光力学及图像处理的特征点识别技术来达到此目的。这种新的工程结构与材料变形测量技术采用光源(1)，CCD摄像机(2)，三维移动台(3)和控制计算机与分析识别系统(4)。在被测物体表面制作或者选取数个能描述结构变形的‘特征点’，调整光源(1)和CCD摄像机(2)以得到高质量的特征点视频信号，调整三维移动台(3)使被测物体的法向垂直于CCD摄像机(2)的轴线。由CCD摄像机(2)摄取物体变形前后或不同变形时刻的特征点图像，摄取的视频信号传入控制计算机(4)，经模数转换成数据文件并存于计算机中。通过建立在相关原理基础上的计算机特征点分析与识别系统，可实现被测物体变形的测量。即由‘特征点’相关系数准则得到工程结构或者材料的变形量。该技术以被测物体表面的自然特征点或者人工特征点为识别对象，在变形过程中，通过图像采集系统对物体表面的识别对象进行跟踪采集，由计算机图像分析与识别技术进行变形分析，从而实现被测物体的变形或者变形过程进行测量。

                             附图说明

图1是本发明的测试设备装置图。图中1—光源；2—CCD摄像机；3—三维移动台；4—控制计算机。

图2是本发明的计算程序流程图。

                              实施方式

变形信息的载体是特征点，首先要在被测物表面提取或备制特征点。

以下结合附图1叙述该技术的测量过程。调整光源(1)和CCD摄像机(2)以便得到清晰的特征点视频信号，调整三维移动台(3)使被测物体的法向垂直于CCD摄像机(2)的轴线。在物体变形前，由CCD摄像机摄取物体表面的特征点图像，摄取的图像传入控制计算机(4)，并且由计算机中图像采集卡的模数转换成为数字图像，存在计算机中形成数据文件。在检测过程中各仪器设备均不可移动，随着物体的变形，此图像采集系统记录了物体在不同变形时刻的表面图像。在变形前的图像中选定一个以特征点为中心的子区域，作为测量的参考子区，记为f。然后，在变形后的散斑场中寻找与参考子区相对应的那个子区，记为g。即寻找特征点变形后的位置。只要找到了二者之间的对应关系。就可以提取此特征点的变形量。

为了判断所找到的特征点是否是测量所想找到特征点，用数学模型来衡量这两个特征点相似程度的标准，这个标准选用g与f的互相关系数即： $C=\frac{\mathrm{\Σ}(f_i(x,y)-\stackrel{\‾}{f})\·(g_i(x^{*},y^{*})-\stackrel{\‾}{g})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(f_i(x,y)-\stackrel{\‾}{f})}^2\·\mathrm{\Σ}{(g_i(x^{*},y^{*})-\stackrel{\‾}{g})}^2}}$ 式中(x，y)和(x^*，y^*)分别是两个子区中任一点的坐标，f(x，y)和g(x^*，y^*)分别是子区中那一点的灰度值， f和 g分别是子区f和g中各点灰度值的平均值。子区中任一点(x，y)和(x^*，y^*)之间的关系可由下式来表示

                          x^*＝x+u

                          y^*＝y+v

相关系数反映了两个子区间的相似程度，相关系数等于1为完全正相关，等于0为完全不相关。一般相关系数取极大值时，二者是对应的，即求解相关系数的极大值，可实现变形量的提取。

上述的计算过程可通过标记点分析与识别软件来完成。计算程序流程如图2。由流程图可以清楚看出测试过程，将不同时刻的图像读入软件后，通过粗—细搜索过程，得到特征点变形后的位置，从而得到特征点的变形信息。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1、本发明可用于工程现场测试，对被测物本身和引起被测物变形的原因没有特别的限制，如测试对象可为材料试件、工程结构，致使被测物变形的原因可为力载荷、温度、湿度等，因此应用领域宽。

2、本发明在较大的变形范围内具有较高的测试精度。仿真实验表明，在真实应变为：(a)ε1_x＝0，ε1_y＝0；(b)ε_1x＝0.25，ε_1y＝0.1；(c)ε_1x＝0.5，ε_1y＝-0.2的情况下，测试结果为：(a)ε_1x＝0，ε_1y＝0；(b)ε_1x＝0.2510，ε_1y＝-0.1005；(c)ε_1x＝0.5119，ε_1y＝-0.1965。

3、本发明能够用于各种材料力学机械性能的测量，如弹性模量、泊松比、塑性与强度极限、断裂韧度、应力强度因子等。

Claims (1)

1.一种新的工程结构与材料变形测量技术，采用光源(1)，CCD摄像机(2)，三维移动台(3)和控制计算机(4)，其特征在于在被测物体表面制作或者选取数个能描述物体变形的‘特征点’，调整光源(1)和三维移动台(3)并使被测物体的法向垂直于CCD摄像机(2)的轴线，由CCD摄像机(2)摄取物体变形前、后或不同变形时刻特征点的图像，摄取的信号传入控制计算机(4)并形成数据文件，由‘特征点’相关系数判断准则实现被测物体变形的测量。

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