物体内部三维位移场测量算法研究

论文摘要

数字图像相关法是一种发展于二十世纪八十年代的全新的非接触式全场光学测量方法,该方法以试件表面的广义散斑为研究对象,通过研究这些散斑颗粒的运动情况来分析试件的变形规律。作为光测方法与现代光电技术和先进的计算机技术的结合,它具有一些其他传统的光测方法不可比拟的优势,比如较好的测量精度、非接触观测等等。因此,该方法可与各种高空间分辨率的显微观测平台相结合实现各种空间尺度下的变形测量,从而得到了广泛的应用,并且已经在许多科研和工程上取得了许多成果,展示了其广阔的引用前景。但是,由于理论分析的困难,目前的数字图像相关法在实际测量中的有关参数的选择依然缺乏可靠的依据,从而导致该方法在位移的测量精度以及计算速度上还存在一些不足,一些关键问题的技术仍待认识和解决。本文对三维数字图像相关法中的一些关键问题进行了深入的研究和分析,研究内容主要集中在如何提高物体内部变形的三维位移测量精度上,以及如何让三维数字图像相关法更方便的应用于实验测量。研究的主要问题如:(1)如何从理论原理上拓展出新的三维数字图像相关法的亚像素位移测量方法;(2)如何从方法实现上减小三维数字图像相关法运算过程对内存的压力;(3)如何提高三维数字图像相关法的测量精度。最终在理论研究的基础上,实现利用三维数字图像相关法对物体内部变形的三维位移场的高精度测量。本文取得的主要研究成果有:(1)根据具体的实验过程所采集的图像数据,采用人机交互的方法来设定物体内部变形初值估计,根据该估计值来设定三维数字图像相关法的整像素搜索区域,并结合根据实际图像特征设定的计算模版窗口,来决定动态载入内存表征三维体图像的断层图像数量,从一定程度上缓解了三维数字图像相关法对内存的压力;(2)从理论原理角度,在二维数字图像相关法亚像素位移测量的基础上,拓展出了一种基于灰度梯度的三维亚像素位移测量方法;(3)根据拓展的理论原理,实现了三维数字图像相关法,并成功的实现了对泡沫铝材料的模拟实验,取得了较好的测量结果,测量精度也有所提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 数字图像相关法概述
• 1.2.1 二维数字图像相关法
• 1.2.2 三维数字图像相关法
• 1.2.3 数字图像相关方法的应用
• 1.3 本文的研究目的和主要工作
• 第2章 二维数字图像相关法
• 2.1 二维数字图像相关法基本原理及其关键问题
• 2.1.1 二维数字图像相关法的基本原理
• 2.1.2 二维数字图像相关法中的关键问题
• 2.2 相关函数的选取及形式
• 2.2.1 相关函数的选择依据
• 2.2.2 相关函数的形式
• 2.2.3 相关函数的选择
• 2.3 变形初值估计
• 2.3.1 变形初值估计的重要性
• 2.3.2 整像素位移相关搜索
• 2.3.3 人机交互变形初值估计
• 2.4 亚像素位移测量算法研究
• 2.4.1 亚像素位移测量算法概述
• 2.4.2 曲面拟合法
• 2.4.3 基于灰度梯度的亚像素位移测量算法
• 2.5 位移测量精度影响因素
• 2.6 本章小结
• 第3章 三维数字图像相关方法
• 3.1 三维数字图像相关法的关键问题
• 3.2 相关函数拓展
• 3.2.1 相关函数拓展的要性及其选择依据
• 3.2.2 三维数字图像相关法中相关函数的形式
• 3.3 三维数字图像相关法的基本原理
• 3.3.1 整像素搜索
• 3.3.2 初始搜索范围设置及内存分配
• 3.4 三维数字图像相关法的亚像素计算
• 3.4.1 基于拟合法的三维亚像素位移测量算法
• 3.4.2 基于梯度的三维亚像素位移测量算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 物体内部三维位移场测量实验
• 4.1 变形前后物体内部刚体平动位移场测量
• 4.1.1 模拟实验图像来源及图像特征
• 4.1.2 刚体平动实验
• 4.2 三维体图像单向压缩测量
• 4.3 三维体图像单向拉伸测量
• 4.4 本章小结
• 第5章 全文总结和工作展望
• 5.1 论文的主要工作
• 5.2 论文的创新点
• 5.3 下一步研究方向
• 参考文献