面向对象技术在数字散斑图像相关方法中的应用

论文摘要

数字散斑图像相关方法（DSCM-Digital Speckle Image CorrelationMethod）是对全场位移和应变进行量化分析的光测实验力学方法,它的基本原理是通过比较试件变形前后表面散斑图的变化,来获得位移和应变场。它对实验条件要求较低,又随着近年来计算机技术的飞速发展以及一些更为有效的算法的提出,这项技术获得了更广泛的应用。数字相关计算主要是由图像插值算法、图像匹配算法和最优化算法三部分组成。大部分的科研人员选择MATLAB编写程序,它使用的是脚本语言,简单易学,操作方便,并且带有大量的函数库可供研发人员选用。但运行速度很慢,也不利于更广泛或产品化。也有人用面向过程语言Fortran或C进行开发,由于大部分科研人员没有足够的软件开发经验,所以这类程序可读性差、难以理解、难以维护和扩展,也不可以移植。本文以Visual C++.NET作为开发工具,引入面向对象编程技术,用标准C++开发了数字散斑程序的所有类库,并实现了用于管理运作这些类的程序框架。在此框架中,类之间是松耦合,相关之间独立性很强,使用了函数和运算符重载及类继承,在错误处理问题上,提升成了异常处理机制。如果科研人员要针对三个算法中的某个算法进行研究,那他只需要专注于此算法的实现,对于其他算法,只要知道其功能,而不必要理解它是如何实现的。在具体的编程过程中,由于运算符重载技术的使用,使得算法的程序代码和数学公式在形式上几乎没有区别,科研人员编写和阅读程序代码变成了非常容易的工作。为了程序的易于学习和操作,本文用MFC编写了图形用户界面。MFC是由微软公司提供的计算机类库,稳定可靠,兼容性好。而由于此程序的类库都为标准C++编写,所以,移植到其他的开发环境下甚至其他的操作系统下也是没有问题的。因此程序可以作为数字图像散斑计算的标准,所有的科研人员都可以在此框架下很容易地修改、开发部分或所有的算法,进而能够在很大程度上促进相关人员在程序框架级别上的交流。在功能上,程序也提供了一些很实用的特性:在计算过程中,实时地显示计算结果的相关数据和进度;提供了实时保存计算数据的功能,以防程序意外中止丢失计算结果;在结果文件中,还保存了程序的版本信息、计算时设置的参数信息及计算的起止时间。此程序在木材指接实验的计算中,取得了不错的结果。

论文目录

• 第一章 前言
• 1.1 数字图像相关测量方法及C++的概述
• 1.2 本文的选题和主要工作
• 1.2.1 选题
• 1.2.2 软件架构方面的工作
• 1.2.3 数字图像相关数据处理系统
• 1.2.4 模拟与实验
• 第二章 数字图像系统原理
• 2.1 图像信号的采集
• 2.2 图像的存储
• 2.2.1 位图（BitMap）
• 2.2.2 图像调色板（Palette）的概念
• 2.2.3 灰度图
• 2.3 图像模板匹配
• 第三章 数字图像相关计算
• 3.1 数字图像相关基本原理
• 3.1.1 表征物体的面内变形
• 3.1.2 相关系数
• 3.2 变尺度法-DFP 法和BFGS 法
• 第四章 面向对象语言C++
• 4.1 对象:特性+行为
• 4.2 几个特殊的函数
• 4.2.1 用构造函数（Constructor）确保初始化
• 4.2.2 用析构函数（Destructor）确保清除
• 4.3 运算符重载
• 4.3.1 可重载的运算符
• 4.3.2 非成员运算符
• 4.3.3 重载赋值符
• 4.4 小结
• 第五章 程序框架及功能的介绍
• 5.1 程序类的介绍
• 5.1.1 矩阵类（Matrix）
• 5.1.2 一元三次样条类（CubicSpline）
• 5.1.3 二元三次样条类（BiCubicSpline）
• 5.1.4 图像操作类（DibImage）
• 5.1.5 拟牛顿法类（BFGS）
• 5.1.6 函数类（Function）
• 5.1.7 匹配类（Match）
• 5.1.8 结果类（Result）
• 5.1.9 队列类（Queue）
• 5.1.10 耗时类（Duration）
• 5.1.11 设置类（Setup）
• 5.2 类的实际应用
• 5.2.1 矩阵类（Matrix）与数组在实际应用中的比较
• 5.2.2 一元三次样条类（CubicSpline）的测试
• 5.2.3 拟牛顿法类（BFGS）的测试
• 5.3 程序框架介绍
• 5.4 程序实例的使用介绍
• 5.5 程序精度的验证
• 5.6 小结
• 第六章 散斑程序在力学实验中的应用
• 6.1 木材指形接头介绍
• 6.2 拉伸实验
• 6.2.1 拉伸实验1
• 6.2.2 拉伸实验2
• 6.3 弯曲实验
• 6.3.1 弯曲实验1
• 6.3.2 弯曲实验2
• 6.3.3 弯曲实验3
• 6.4 小结
• 第七章 总结和展望
• 研究生期间完成的论文
• 参考文献
• 致谢