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数字图像相关方法辅助的视频运动放大改进方法及其在位移测量中的应用

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实验力学 2023年第5期38卷 625-633页

作者：丁彤田垄中国地质大学(北京)数理学院北京100083

视频运动放大(Video Motion Magnification,VMM)方法因其能放大视频中的微小运动,而受到工程测量领域的广泛关注。当放大微小运动的视频时,若VMM方法中的时域滤波器参数设置不恰当,放大后的视频容易产生图像伪影和噪声。为了克服传统方... 详细信息

视频运动放大(Video Motion Magnification,VMM)方法因其能放大视频中的微小运动,而受到工程测量领域的广泛关注。当放大微小运动的视频时,若VMM方法中的时域滤波器参数设置不恰当,放大后的视频容易产生图像伪影和噪声。为了克服传统方法中需要手动设置滤波器参数的缺点,提出一种由数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法辅助的VMM改进方法。该方法的主要思想是由DIC方法计算图像位移并由此分析出运动主频,然后将VMM方法中的时域滤波器参数设置在包含该运动主频的较窄区间范围内。这种参数设置方法可保证放大后的视频中保留图像细节且无明显伪影。室内多频运动实验以及室外单频运动实验的结果表明,本文所提出的方法不需要反复手动设置参数试错,可直接获得清晰的运动放大后视频,并可进一步实现微小运动的位移测量。

关键词：视频运动放大数字图像相关时域滤波器参数设置位移测量

数字图像相关法焊接热影响区应变原位测量及应力计算

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机械工程学报 2019年第17期55卷 29-34页

作者：宋育林白旭东陈小奇陈善本陈华斌上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室上海200240

提出了焊接热影响区全场高温应变在线测量及评价方法,设计了一种新型具有抗高温烧损、随机分布特征的散斑点阵。为解决焊接电弧强弧光干扰问题,采用脉冲激光辅助光源和近红外窄带滤光系统获取清晰焊缝热影响区散斑图像。针对焊接热影响... 详细信息

提出了焊接热影响区全场高温应变在线测量及评价方法,设计了一种新型具有抗高温烧损、随机分布特征的散斑点阵。为解决焊接电弧强弧光干扰问题,采用脉冲激光辅助光源和近红外窄带滤光系统获取清晰焊缝热影响区散斑图像。针对焊接热影响区焊接变形复杂性,开发了基于二阶形函数与双三次插值的反向组合型Gauss-Newton算法,获得焊接热影响区全场高温应变场。建立多维应力、应变空间加载规律的弹塑性增量本构关系,定量求解焊接热影响区的残余应力分布。结果表明,所研制的焊接全场高温应变视觉测量系统,为焊接接头全场高温应变测量及可靠性评估提供了高效、准确的表征手段。

关键词：焊接热影响区数字图像相关原位测量残余应力

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数字图像相关方法及在损伤断裂方面的应用

数字图像相关方法及在损伤断裂方面的应用

作者：叶航宇山东理工大学

学位级别：硕士

在变形测量方法中,三维数字图像相关方法由于具备非接触性、低环境敏感性且实验装置简单等优点被广泛应用在工程测量中。已有的三维数字图像相关系统主要有两类:双相机系统和单相机系统。传统双相机成像系统在观测狭小空间时存在盲区,... 详细信息

在变形测量方法中,三维数字图像相关方法由于具备非接触性、低环境敏感性且实验装置简单等优点被广泛应用在工程测量中。已有的三维数字图像相关系统主要有两类:双相机系统和单相机系统。传统双相机成像系统在观测狭小空间时存在盲区,分光装置与单相机相结合的成像系统会降低图像分辨率,彩色工业相机对光源的要求较高。在实际工程应用中,常用的相关算法更适合于测量连续变形体。对于非连续变形,直接计算会出现虚假应变。为此,本文发展了一种共轴双相机三维数字图像相关方法以实现狭小空间内的全场变形测量,提出了逆序分区和基于应变片导向的偏导径向基算法以实现非连续变形时的高精度应变计算。主要研究内容如下:1、将相机和分光棱镜相结合,组成共轴双相机三维测量系统。建立了该系统的光路模型,介绍了其在测量变形时的具体步骤。在刚体位移实验中,将共轴方法和传统双相机方法的测量值分别与实际位移值进行对比,共轴方法的相对误差在2%以内。在形貌重建实验中,共轴方法的测量结果与传统双相机相比,绝对误差在0.04 mm以内。结果表明,共轴双相机三维测量系统满足精度要求,可以用于实际测量。2、提出了一种基于图像匹配的逆序分区计算方法。选择最终变形图像作为参考图像,将采集到的图像从后到前依次计算位移。在参考图像中选择两个或两个以上沿裂纹边界的感兴趣区域。每个区域逆序计算时的位移场通过相减就可得到正向位移分布,再将所有区域求和,就得到了最终位移场。此外,还发展了基于应变片导向的偏导径向基算法获得应变分布。根据应变片数据求出形状参数,然后基于偏导径向基算法进行应变计算,获得应变场。通过铝合金梁的四点弯实验验证了两种算法的有效性和准确性。将所提出的算法应用于计算铸铁梁裂纹尖端的应变分布,计算结果进一步验证了其在处理非连续变形中的适用性。3、采用共轴三维数字图像相关方法测量了四种不同的蜂窝结构（带面板和不带面板）在准静态压缩下芯材内壁的全场应变分布。主要分析了其在受到面外压缩载荷作用时的力学行为,并将外部侧壁与内部侧壁的应变分布进行对比。采用复合材料整体失效的理论模型成功地预测了四种结构的抗压强度。通过有限元计算模拟了变形过程,与实验数据吻合良好。同时,将共轴双相机三维测量系统与超中心镜头相结合,将其应用于对管道内壁的缺陷检测上,通过内壁的应变分布确定了管道缺陷的位置,证明其具有良好的实际应用价值。

关键词：数字图像相关共轴非连续变形逆序分区偏导径向基函数

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数字图像相关位移场测量的误差补偿

重庆大学学报 2020年第12期43卷 59-67页

作者：蒋中宁罗远新王勇勤郭平重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械工程学院重庆400044 美国西北大学埃文斯顿IL60208

数字图像相关方法中,位移场测量的误差大小与算法的迭代次数通常成反比,要获得较低的误差,必须增加迭代次数,从而增加了计算量;而非迭代的方法误差相对较大。为解决这一问题,提出了一种基于BP神经网络的误差补偿方法。选择基于非迭代光... 详细信息

数字图像相关方法中,位移场测量的误差大小与算法的迭代次数通常成反比,要获得较低的误差,必须增加迭代次数,从而增加了计算量;而非迭代的方法误差相对较大。为解决这一问题,提出了一种基于BP神经网络的误差补偿方法。选择基于非迭代光流法的位移场测量方法为算法模型,详细分析了该算法本身存在的截断误差,以模拟散斑图的位移测量值及其误差为数据集,用训练好的神经网络误差预测模型对测量结果进行补偿。实验验证结果表明,补偿后的位移测量误差相较原来总体下降了50%左右,测量误差的统计分布也显著下降。

关键词：数字图像相关光流法位移场测量神经网络误差补偿

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数字图像相关技术中插值偏差的理论估计

力学学报 2016年第2期48卷 495-510页

作者：苏勇张青川徐小海郜泽仁程腾中国科学技术大学近代力学系中科院材料力学行为和设计重点实验室合肥230027

数字图像相关测量的普及提出了建立散斑质量评价体系要求,即发展针对不同的数字散斑图能够评估测量精度的标准方法.其中,数字图像相关计算中插值误差引起亚像素位移系统偏差(插值偏差)的估计是评价散斑质量的重要参数,然而至今插值偏差... 详细信息

数字图像相关测量的普及提出了建立散斑质量评价体系要求,即发展针对不同的数字散斑图能够评估测量精度的标准方法.其中,数字图像相关计算中插值误差引起亚像素位移系统偏差(插值偏差)的估计是评价散斑质量的重要参数,然而至今插值偏差与散斑图结构及其插值方法之间的深层机制仍然不明,而且缺乏快速有效的手段估计插值偏差的量级.基于傅里叶方法获得了插值偏差的解析表达式.在满足采样定理的情况下,对其简化得到了插值偏差的带限近似形式和正弦近似形式.插值偏差的正弦近似形式解释了插值偏差随亚像素平移呈正弦形式变化的现象.基于插值偏差的正弦近似公式,提出了决定插值算法用于相关匹配优劣的插值偏差核概念,它表征了插值算法对散斑图特定频率的偏差响应,插值偏差是由插值偏差核与图像功率谱乘积的积分决定的.基于理论分析,提出了一种通过散斑频谱和插值偏差核估计插值偏差的简便有效算法,较之于传统的散斑图平移方法有明显的速度优势.分析了模板大小对估计精度的影响,并通过模拟进行了验证.解释了插值偏差产生的深层机理,解决了长久以来插值偏差难以快速估计的问题.不仅可以用于插值偏差估计,也可以用于插值算法优化,滤波模板选取等问题.对建立散斑质量评价体系,从而制作方便用户的水转印标准散斑也有推动作用.

关键词：数字图像相关插值偏差傅里叶分析

双平面镜双相机数字图像相关技术在三维重建中的应用

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光学学报 2024年第8期44卷 84-93页

作者：李桂华王紫威孙卫庆葛朋祥王浩宇张梅安徽大学电气工程与自动化学院安徽合肥230601 安徽建筑大学机械与电气工程学院安徽合肥230601

三维数字图像相关技术在获取工件表面信息方面有重要应用,针对单相机系统在全场测量中的局限性及多相机系统在全场测量中的复杂性,本文提出一种双平面镜辅助的双相机视觉测量方法,并应用在三维重建中。即:分析像素点到三维点的实际映射... 详细信息

三维数字图像相关技术在获取工件表面信息方面有重要应用,针对单相机系统在全场测量中的局限性及多相机系统在全场测量中的复杂性,本文提出一种双平面镜辅助的双相机视觉测量方法,并应用在三维重建中。即:分析像素点到三维点的实际映射关系,基于公垂线中点法进行目标点三维重构,确定棋盘格标定板角点的三维坐标;分析角点在镜面的虚实对应关系,标定镜面位置方程,得到反射变换矩阵;通过反射变换矩阵完成物面的虚实转换,最终实现三维全场测量。为验证该方法的可行性和可靠性,分别进行了静态实验和动态实验。结果表明:在游戏币静态实验中,其正反轮廓的三维重建效果良好;在五棱铝柱热变形动态实验中,铝柱外侧表面高度变化均值与Ansys软件的仿真结果基本一致,且优于在镜面上喷涂散斑的重建方法,具有较高的精度。

关键词：测量双相机数字图像相关全场测量热变形

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数字图像相关技术的一些进展

中国科学：物理学、力学、天文学 2018年第9期48卷 23-47页

作者：苏勇张青川伍小平中国科学技术大学近代力学系中国科学院材料力学行为和设计重点实验室合肥230027

中国科学技术大学光力学实验室近年来专注于数字图像相关方法的原理研究和应用拓展,有效提升该方法测量精度和计算速度的同时,在数字散斑标准化、二维补偿技术、生物医学工程以及锯齿型塑性屈服等领域取得了一系列研究成果.本文拟对课... 详细信息

中国科学技术大学光力学实验室近年来专注于数字图像相关方法的原理研究和应用拓展,有效提升该方法测量精度和计算速度的同时,在数字散斑标准化、二维补偿技术、生物医学工程以及锯齿型塑性屈服等领域取得了一系列研究成果.本文拟对课题组的研究进展做一个概述:(1)提出了局域变形下形函数误差的理论模型与估计算法,建立了保证测量精度的子区尺寸选取准则;提出了计算速度是传统算法两倍的二阶反向高斯牛顿算法;研究开发了三维数字图像相关高效算法、基于反向迭代算法的左右系列变形图匹配的优化策略,开发出三维数字图像相关通用软件包和硬件系统,为国内高校、研究所和工程单位提供了有效的科研分析方法和工程测量手段.(2)揭示了插值偏差的深层机制并发展了实验测量手段,提出了综合考虑系统误差和随机误差的散斑质量评价标准,建立了散斑尺寸优化的理论模型.(3)发展了基于预标定的二维数字图像相关补偿技术.(4)建立了实时的颅颌面手术导航系统;研发了具有高时空分辨率的脉搏测量系统,推动了传统中医的数字化和科学化.(5)通过高速数字图像相关技术首次观测到剪切带的萌生、演化过程,证明了带外收缩现象的存在;通过相互正交的两套数字图像相关系统首次观察到厚度方向的应变局域化现象.(6)基于数字散斑相关方法实现了振动和应变的高精度实时测量.

关键词：光测实验力学数字图像相关散斑标准化生物医学锯齿型塑性屈服

数字图像相关方法测量芳纶纤维复合材料I型裂纹应力强度因子

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航空材料学报 2015年第2期35卷 90-95页

作者：郝文峰陈新文邓立伟王翔姚学锋北京航空材料研究院航空材料检测与评价北京市重点实验室北京100095 清华大学工程力学系北京100084

将数字图像相关方法用于芳纶纤维复合材料单边裂纹在拉伸载荷作用下的断裂问题研究。介绍数字图像相关方法的基本原理,建立数字图像相关方法中位移场与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。通过搭建数字图像相关方法光学非接触测量系统,试... 详细信息

将数字图像相关方法用于芳纶纤维复合材料单边裂纹在拉伸载荷作用下的断裂问题研究。介绍数字图像相关方法的基本原理,建立数字图像相关方法中位移场与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。通过搭建数字图像相关方法光学非接触测量系统,试验表征含单边裂纹芳纶纤维复合材料试验件在拉伸载荷作用下的全场位移。由数字图像相关方法所得位移场提取不同载荷作用下裂纹尖端应力强度因子,并分析最小二乘拟合项数、数字图像相关计算子区域和步长大小对计算结果的影响。结果表明,增加最小二乘拟合项次和合理选择数字图像相关计算子区域和步长大小可以提高应力强度因子计算精度。

关键词：芳纶纤维复合材料数字图像相关应力强度因子裂纹

数字图像相关测试技术在材料力学实验教学中的应用

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力学与实践 2020年第2期42卷 232-236页

作者：王林赵雅慧合肥学院建筑工程系合肥230061

为丰富实验教学手段和提高教学质量,我们引入了基于数字图像相关的平面应变测试技术并应用于材料力学实验教学。籍由此技术,学生获得了低碳钢和铝镁合金材料在单轴拉伸下的力学性能参数和全场应变等丰富的可视化信息,加深了学生对应变... 详细信息

为丰富实验教学手段和提高教学质量,我们引入了基于数字图像相关的平面应变测试技术并应用于材料力学实验教学。籍由此技术,学生获得了低碳钢和铝镁合金材料在单轴拉伸下的力学性能参数和全场应变等丰富的可视化信息,加深了学生对应变等理论知识的理解,显著调动了学习积极性,培养了他们的科学思维能力。

关键词：数字图像相关单轴拉伸实验教学全场应变