（固体力学专业论文）数字标记点图像相关测量方法及其应用研究.pdf

中文摘要 数字标记点图像相关测量方法是现代数字图像处理技术与光洲力学结合的 产物，它是在数字散斑图像相关方法的基础上发展起来的一种应用更加广泛的光 学测试方法。本文以国内外在这一领域内的研究成果为基础，研究了标记点法中 的标记点的形状和大小对相关测量的计算精度和速度的影响，并成功的将谚方法 应用于脊柱生物力学的力学性能的测试以及电镀材料镀层和离子注入的注入崖 对各自基体的残余应力的测量研究。 本文介绍了数字标记点图像相关测量方法的基本原理和实验技术，在此基础 卜又进步研究了标记点的形状和大小对测繁精度的影响。通过对其上做形状为 叉、点、方、星四种不同形式以及不同大小的标记点的有机玻璃拉伸实验，i = j 聚 用二阶泰勒多项式表示位移的子区模式、b 一样条捅值进行亚像素重建、拟牛顿 姥代法进行相关迭代运算的数字标记点图像相关程序进行计算得出标记点形状 越不规则相关计算的糟度越高的结论。标记点大小不是越大越好，也不是越小越 好，而是要适中。太大了，计算量增加；太小了，分辨性坷；好。 本文还成功的将此方法运用到牛的脊柱在加载情况下，脊柱各脊椎段分别1 i 周定、单固定，双固定三种情况下的力学行为的碰用研究中。用标记点图像相关 方法测得脊柱在此类状态下位移、应变、转角等一系列的参数。通过对计。算结果 的分析，发现结果表现出的生理意义对应着临床上的许多病症以及对应的治疗方 法。由此可以看出此方法的正确性和在这领域的应用的可靠性。 最后，本文在对镀层试件的镀层和离子注入试件的离子注入层对彼此各自的 基体的影响而引起的残余应力的研究中，运用标记点进行实验前后的复位，他试 件在实验前后的位置的相对误差减少，并运用此方法列残余应力进行分析，得出 残余应力在试件中的大致分布。为此方法在此领域的研究提供了有力的证据。同 时证明数字标记点图像相关测量方法可以应用于材料残余应力的测量研究，为今 后的变形测嚣和力学性能的研究提供了行之有效的方法。 关键字：数字标记点图像相关脊柱生物力学电镀材料 离子注入技术残采应力 a b s t r a c t d i g i t a ld o t i n gi m a g ec o r r e l a t i o nm e t h o d ( d d i c ) i st h ep r o d u c t i o no ft h em o d e r n d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dp h o t om e c h a n i c s ni s b a s e do nt h ed i g i t a l s p e c k l ei m a g ec o r r e l a t i o n ( d s c m ) m e t h o dw h i c hi s a r t o p t i c a lm e a s u r e m e n to f w h i c hu s a g ei sn a r r o w e rt h a nt h ef o r m e r t h ep a p e ri sf o u n do nt h ed o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s , i no r d e rt os e a r c ht h ei n f l u e n c et ot h ep r e c i s e a n dt h es p e e do f c a l c u l a t i n go v e rt h es h a p ea n dt h es i z e o ft h ed o t i n go ft h em e t h o dt h ep a p e r s u c c e s s f u l l ya p p l i e st h em e t h o dt om e a s u r e m e n to fs p i n eb i o m e c h a n i c sa n dt ot h e m e a s u r e m e n to ft h er e s i d u a ls t r e s sb e t w e e nt h ec o a t i n gm a t e f i a i sc o a t i n gl a y e ra n d t h ei o ni n t e r p e l a t i o n 。si n t e r p o l a t i o nl a y e rt oe a c hf o u n d a t i o n i nt h e p a p e r , n ) m ei m p r o v e m e n t sa n di n n o v a t i o n s a t ep e r f o r m e dt h a tt h e i n f l u e n c et ot h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o nw i t kt h ed o t i n g ，s h a p ea n dd o t i n g s i z ef o u n d e d t h ed i g i t a ld o t i n gi m a g ec o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d ，t h ec o n c l u s i o nw a sd r a w n t h a tt h em o r ei r r e g u i a rt h es h a p eo ft h ed o t i n gi s ，t h eh i g h e rt h ep r e c i s i o no ft h e c a l c u l a t i n g ，t h r o u g ht h es t r e t c he x p e r i m e n to ft h ep o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t ew i t ht h e f o u rk i n d so fd o t i n gs h a p e sa n dd i f f e r e n ts i z e so f 髓d ls u c ha sc r o s s ，d o t ，s q t ；a r e 、 s t a ra n de t c a n dt h r o u 【g ht h ep r o g r a mt oc a l c u l a t ew h i c hu s e dt h et w o - r a t & t a i l o r m u l t i n o m i mi n t r o d u c e dt o s u 嫡d i s p l a c e m e n tm o d e , a n da d o t x e db s p l l n e i n t e r p o l a t i o nt o r e b u i t dt h es u bp i x e l s , a n da p p l i e db f g sm e t h o dt oc o n - e l a t i o n i t e r a t i v ea n da n o t h e rc o n c l u s i o na l s ob er e a c h e dt h a ti ti sn e t t h e rb e t t e rt h a tt h es i z e o ft h ed o t i n gi sl a r g e r , n o ri ti sb e t t e rt h a tt h es i z ei ss m a l l e r , a n dt h es i z ei sb e s tt o m o d e r a t et h eg e n e r o u sc a l c u l a t i o nw i l lb ei n c r e a s e di ft h es i z et o ob i ga n dt h e d i s c r i m i n a t i o nw i l lb ed e c r e a s e do nt h ec o n t r a r y i nt h ep a p e r , t h em e t h o da l s oa p p l i e dt ot h er e s e a r c ho ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o r o ft h ec a t t l es p i n eu n d e rl o a d ，s o m ev e r t e b r a so ft h es p i n eu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h e o r i g i n a ls t a t u sa n dt h es i n g l ef i x e ds t a t u sa n dt h ed i f i x e ds t a t u s u s i n gt h ed d i c p r o g r a m ，as e r i a lo fr e s u l t sw a so b t a i n e d o ft h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r a i na n dr o t a t e a n g l eu n d e rt h es t a t u sa n a l y z i n gt h er e s u i t s ，i ti sf o u n dt h a ts i g n i f i c a t i o n st h er e s u l t s m a n i l e s tc o r r e s p o n d i n gt om a n ym e d i c a ls y m p t o m sa n dt h et h e r a p yt ot h e mt h e a c t u a lo ft h em e t h o da n dt h ea c c u r a c yo ft h em e t h o do fu s i n gt ot h ef i e l d si si n e v i d e n c ef r o mi t f i n a t l y , i nt h ep a p e r , t h ed o t i n gw a sa p p l i e dt or e p o s i t i o no ft h es p e c i m e ne a r l y o rl a t e ri nt h ee x p e r i m e n t ，w h i c hi st h er e s e a r c ho f t h ec o a t i n gm a t e r i a i sc o a t i n gi a y e r a n dt h ei o ni m e r p o l a t i o n si n t e r p o l a t i o nl a y e ri n f l u e n tw i t h e a c hf o u n d a t i o n ，a n di t d e c r e a s et h ee r r o ro ft h er e l a t i v el o c a t i o n sb e f o r eo ra f t e r , a n du s i n gt h em e t h o dt o a n a l y z et h er e s i d u a ls t r e s s ，a n dg e tt h ea p p r o x i m a t ed i s t r i b u t i o n st ot h es p e c i m e n so f r e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hp r o v i d ea s t r o n gp r o o f t ot h em e t h o ds u c c e s s f u l l yu s i n gt ot h e f i e l d a tt h es a m et i m e , i st e s t i f yt h ed i g i t a ld o t i n gi m a g ec o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n t m e t h o dc a l lb ea p p l i e dt ot h em a t e r i a lr e s i d u a ls t r e s s sr e s e a r c h ，a n d p r o v i d ea n e f f e c t i v em 酏h o di nt h ef i e l do fd e f o r m a t i o nm e a s u r ea n dr e s e a r c ho fm e c h a n i c s b e h a v i o r k e yw o r d ：d i g i t a ld o t i n gi m a g ec o r r e l a t i o n ，s p i n eb i o m e c h a n i c s ， c o a t i n gm a t e r i a l ， i o ni n t e r p o l a t i o nt e c h n o l o g y , r e s i d u a ls t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼蠢鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者蚴磁氏签字嗍加职秘月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在角翠密后适用本授权说明) 一虢夏钴鼬名：函童么 签字日期：溯 年，2 月；口目 签字日期：莎邺年r d 月乒目 天津大学硕士论文 第一章前言 第一章前言 1 1 本文研究工作的背景及意义 经过几十年的不断发展，数字图像相关测量方法以其环境要求低、测试方便 准确、应用广泛等优点慢慢被人们认可。近几年来，数字标记点图像相关测量方 法也渐渐已经成为现代光测力学领域引人瞩目的测试方法，其应用领域越来越广 泛。本文先从数字标记点图像相关测量方法入手，主要研究分析方法本身的算法 和实验技术，分析前人算法的优缺点，提出新的改进计算方法，旨在提高计算精 度和计算速度。使这种测量方法适应人们溯量要求的发展。随着社会的发展，生 物力学得到了长足的发展，尤其是在对脊柱这一重要的生理组织的研究中，各种 不同的针对于脊柱病症的外科手术和器械的不断出现和更新，以及对这一病症研 究的不断深入，给脊柱外科带来了巨大的飞跃，将使复杂的脊柱外科手术更加容 易操作，也增加了手术的安全性。近年来，各种新材料和表面工程方面的研究发 展很快，得到越来越多的应用。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出性 能优于基体材料的表面功能性薄膜，其厚度一般为几微米到几毫米，仅为结构尺 寸的几百分之一到几十分之一，却使零件具有了比基体材料更高的耐磨性抗腐 蚀性和耐高温等性能。因此，即使采用性能优异的贵重、稀有元素，也不会显著 提高成本，采用表面工程技术的经济效益和社会效益是相当可观的。电镀和离子 注入方法是其中的两种。电镀是金属电沉积技术之一，是通过电解方法在固体表 面上获得金属沉积层的过程；离子注入是在真空中有一束离子束射向一块固体材 料，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最 终停留在固体材料中的这一过程。其目的都在于改变固体材料的表面特性，改善 外观，提高耐蚀、抗磨损、减摩性能，或制取特定成分和性能的金属覆层，提供 特殊的电、磁、光、热等表面特性和其它物理性能等，而零件内部仍可保持原有 的冶金及机械性能。现代社会是工业飞遮发展的社会，各种新材料、机械层出不 穷。但是，各种新材料的性质不可以用原始的单元素物质性质推断，这就需要力 学工作者对新材料的力学性质进行研究。使材料的性质明了，应用于更广泛的领 域。 蒌堡查茎翌主丝奎 一墨二量煎兰 1 2 数字标记点图像相关测量方法的国内外发展现状 光测力学是研究用光学方法来测量力学量的实验力学的一个分支。上世纪六 十年代从第一台激光器诞生以来，现代光测力学得到了长足的发展。例如：全息 干涉技术可以使产生于物体表面的波长量级的位移通过于涉条纹直观地显示出 来，借助于对干涉条纹地分析可以确定物体表莉地变形分布。到目前为止，在理 论方面已经基本趋于完善，在技术方面通过相移等技术，提高了其灵敏度和精确 度。在许多方面有成功地应用：散斑干涉法可以实现离面位移、面内位移地测量； 蓦于高密度光栅的云纹干涉法与传统的云纹法相比，其灵敏度提高了将近一至1 1 _ 2 个数量级；随着电子技术和计算机图像处理的发展，摄影技术开始取代干板照相， 图像处理逐渐代替了手工处理干涉条纹。由此产生的电子散斑干涉技术已经在工 业测量和无损检测等领域有了许多成功应用：上十世纪束发展起来的基于柜关识 别原理的数字散斑相关方法也已经在理论和应用方面得到了快速的发展。目前 光潮力学己经开始走出实验室，在航空、航天、水利、海洋工程、交通、化工、 建筑等顿域发挥了重要的作用。并且与生物学、化学、以及除力学以外的其他物 理学等学科相交叉，对交叉学科的发展起了积极的作用u 。l 。 以上所述的光力学测量技术都有自己的长处。这些方法在不同的应用范围和 不同的粼试对象中都有不少成功的应用l ，佩同时也存在各自的局限性。对于某 些特殊的材料而言，其厚度方向上的尺寸很小既h ：能在其表面制备光栅，电不 能在上面刻画网格，对其细观尺度上的力学行为进行研究，必须寻求一种合适的 方法。具有非接触性特点的数字标记点图像相关方法可阱满足这种材料的力学行 为的研究。 数字标记点图像相关方法是基于数字图像相关测量方法的原理而提出柬的。 因而它是随着数字圈像相关测量方法的发展而发展的。数字图像相关测量方法是 计算机视觉技术韵一种图像测量方法，是现代数字豳像处理技术与光测力学结合 的产物。数字标记点图像相关方法是一种从物体表断的随机分布的斑点或伪随机 分布的人工散斑场中直接提取变形信息的垒场、非接触的光测方法。与传统的光 测力学方法相比它的优点是原始数据采集方式简单，测量环境要求低，直接测量 位移和碰变两组信息，便于实现测量自动化。数字图像相关测量方法是在8 0 年 代初期由日本的y a m a g u c h i 和美国的p e t e r s 教授、r a n s o n 教授等同时提出的f 5 j 。 其中数字敞斑相关方法是同时由三者独立提出的散斑位移分析方法。它直接从物 体表面的随机斑点或由其引起的散斑场中提取信息，避免了传统酌运点和全场分 析法利用干涉条纹提取信息的不便，其测量景区和灵敏度不受条纹对比度和壶敏 度的影响。数字相关图像测量方法直接利用试件寝面瘦迹( 或人工教斑和激光散 天津大学硕士论文 第一章前言 斑、作为标志，利用图像处理中的数字相关算法计算出试件表面的酝内位移和应 变，具有实验过程和实验设备简单，测试环境要求低，容易实现自动化的优点。 近年来，由于采用光学显微镜和扫描电镜( s e m ) ，大大提高了数字相关方法的空 间分辨力，是以该方法已经开始在细观力学测量领域中得到广泛应用。几十年来， 数字图像相关测量方法已经发展成为实验力学领域中一门很重要的测量方法，无 论是在测试方法的改进与完善方面还是在其应用研究领域都取得了重要的成果。 p e t e r s 教授和r a n s o n 教授所在的s o u t hc a r o l i n a 大学成了这一方面研究的中 心。对数字图像相关测量方法的完善和发展做了许多重要的贡献。1 9 8 3 年，p e t e r s 教授等学者应用数字图像相关方法进行了刚体位移测量方面的应用研究工作1 6 j ， 同年，s u t t o n 等学者提出了粗一细相关搜索方法，对原有的数字图像相关方法做 了简化，这种方法的测量经过只有位移参量，不能直接测得到应变。1 9 8 4 年， z hh e 和s u t t o n 等对二维流速测量进行了应用研究，使该方法的应用领域扩展 了一步。1 9 8 5 年，t cc h u 和r a n s o n 等对数字相关方法得精度进行了实验研究， 完善了这种测量方法得理论。1 9 8 6 年，s u t t o n 等又提出了一种优化搜索法，在不 降低精度的情况下使测试的速度提高2 0 倍左右【”。1 9 8 8 年，s u t t o n 等从理论e 分析了亚像素恢复过程所带来的测量误差，提出了亚像素恢复的合理方法。1 9 8 9 年，r u s s e l 和s u t t o n 把数字相关方法首次用于玻璃纤维复合材料损伤的无损评价 上，为扩大该方法的应用领域作了重要探索1 8 1 ；同年，b r u c k 等采用n e w t o n - - r a p h s o n 迭代算法求解数字相关问题，使数字相关方法的理论更加完善【9 】。数字 图像相关方法的应用范围近几年逐步扩大，解决的问题也越加复杂。1 9 9 3 年l u o 和c h a o 首次提出双摄像机系统测量三维位移的测量方法，解决了用数字相关方 法测量离面位移的问题【l o i ；同年加拿大r y e r s o n 大学的陆桦教授，从统计学的 角度出发，对数字相关图像测量方法对应力集中问题进行了研究| i “。1 9 9 6 年， s u t t o n 等利用数字图像相关测量方法，对弹塑性测量问题的高温测量问题进行了 研究，得到了令人满意的结果，测试温度可达6 5 09 c 。数字图像相关方法还应用 于生物力学上，c a l i f o r n i a 大学的b k b a y 和t s s m i t h 利用此方法测量 、体 的胫骨受力后变形情况。无论在弹性范围内，或弹性范围外，都可以测量微小应 变。1 9 9 7 年，w t o n g 采用自然b 样条数据光滑方法和位移平均法平滑位移场【1 ”， 大大降低了应变的误差。1 9 9 9 年，m a n d w a n d e r 等人研制了一套高温下采用激光 数字散斑非接触测量拉伸应变的方法i t 3 ，原理是通过数字相关技术跟踪激光散 斑，进一步还用到了信号处理的描述和光学协调，可以在高达1 2 0 0 的温度下 测量试件的机械应变和热应变。2 0 0 0 年，b w a t t r i s o 等人推导出了一个数值方 法去限制内相关函数中的系统误差，减小它的影响，并应用于研究拉伸一种薄、 宽钢材料式样时应变区域现象。同年，h l u 等人在其论文中概括精简了数字图 天津大学硕士论文第一章前言 像相关的步骤，使得求二阶位移梯度的近似方法工具化。用精简了的方法去测量 位移一阶和二阶梯度，在二阶位移梯度存在的大变形测量中可以得到更准确的应 变值。大多数情况下，新的精简方法允许数字图像相关方法对一阶位移梯度的精 度维持在0 0 0 0 2 ，对二阶位移梯度达到每像素的0 0 0 0 2 。2 0 0 1 年，p e n g z h o u 和k e n e n t he g o o d s o n 研究了一种新的基于空间梯度运算的迭代方法i l ，并且只 采用变形前后两幅图像的一阶空间导数，并且将这种方法应用于电子包装的热力 学下的诊断。 国内最先进行数图像相关方法研究的是高建新等人【l ”，最开始时只是对这种 方法进行理论分析，并应用导刚体位移测量【l “，但当时的精度和灵敏度都很低。 这些年来这种方法发展非常迅速，1 9 9 5 年高建新总结了相关搜索方法援出了多 用途数字相关测量系统，并在生物力学研究中开始应用1 1 1 1 。徐铸教授在细观测量 方面做了大量理论与应用研究工作，成果卓著。1 9 9 6 年，陈金龙博士提出了数 字散斑加权相关方法，并将它应用于航空材料粘接界面质量的无损检测之中 ”i 。 1 9 9 7 年，计宏伟博士对这一方法又进行了系统分析和理论阐述”，王冬梅也对 实验中的误差和精度提出了新的想法【2 ”。2 0 0 0 年4 月，滕树云，程传福( 山东 师范大学物理系) 在频率域数字散斑相关方法的研究一文中提出一种利用二 维快速傅立叶变换( f f t ) 经频率域匹配滤波实现数字相关运算以提取散斑图携 带位移信息的频率域数字散斑相关方法。该方法因采取快速傅立叶变换、散斑隧 幅、滤波器优化等措旌而减弱了空间与相关方法中不利因素对相关波峰的影响， 提高了相关点定位的时效性和精确性。2 0 0 0 年6 月，苏州大学的龚浩瀚、羞锦 虎、陈大庆在网格数字图像相关方法测量位移场的研究一文中将数字图像相 关方法与老的网格法相结合，给出了一种测量面内位移场的的新方法网格数 字图像相关方法i 实现了高精度的测量，精确度可达o0 0 2 亚像素。在该方法中 网格点采用圆标记点，使该方法特别适用于小线应变位移场的测量。2 0 0 1 年， 潘小山等采用白光数字散斑相关方法研究了岩石的局部化变形1 2 ”，通过实验测定 了煤岩变形的局部化的开始时刻、演化过程及局部化带的宽度，为研究岩石变形 的非均匀化演化过程及岩石的细观本构参数测定打下基础。2 0 0 3 年，王怀文博 士提出了数字标记点法，弗将其应用于对铜箔材料断裂力学实验研究2 “，从而使 要从全场搜索的数字图像相关方法过渡到只需进行局部区域搜索的数字标记点 图像相关方法。 纵观从数字图像相关方法到数字标记点相关方法的发展历程和取得的成果， 可以发现这种方法已经成为现代光测力学领域的一种重要的测试方法，通过不断 改进精度和灵敏度及其计算速度。其应用研究方面，正朝着从常规材料到新型材 料的测量，从弹性问题测量到弹塑性问题的测最，从常温到高温的测量，从宏观 4 天津大学硕士论文 第一牵前言 测量到细观测量的趋势发展。从未来的发展上看，随着计算机技术和图像采集设 备性能的提高，数字图像相关技术的测量精确度和速度也将得到飞速发展，从而 使其应用更加广泛。 1 3 脊柱生物力学 脊柱生物力学的研究历史悠久，过去的个多世纪中，由于影像学、神经生 物学、生物力学及外科技术的发展，给脊柱外科带来了巨大的变化。但真正的大 的进展，起于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 2 年h o l d s w o r t h 首先提出“脊柱两柱模型”， 1 9 8 3 年d e n i s 创立“脊柱三柱理论”，很快在脊柱外科占据统治地位，以后尽管 有许多改进，但这一理论一直是指导临床的基础。众所周知，椎弓根螺钉是根据 “脊柱三柱理论”而设计的，它能有效地将脊柱三柱固定，增强其稳定性。最近， 计算机技术应用到了脊柱的生物力学研究上。k o n g 等报道胸腰椎有限元分析模 型f 2 ”，用以预测脊柱关节面及椎间盘的应力分布状况。未来脊柱外科的发展很可 能直接由计算机重建模型，帮助制定最有效的脊柱外科设计策略，在配合m r i 成像系统完成三维模式进行分析1 2 ”。 脊柱是由多节椎骨通过椎间盘、关节及韧带连接而成，构成人体中轴，具有 传递载荷、保护脊髓、提供三维生理活动等功能。韧带的张力与椎间盘内的压力 保持脊柱内在的平衡，各肌肉保持其外在的平衡。椎间盘的存在，增加了脊柱的 活动范围、弹性力和运动中的缓冲作用，其主要的生物力学性能是对抗压缩力。 腰椎间盘突出症是临床上常见的脊柱疾病。发病部位以腰4 、5 椎间盘、腰 5 骶1 椎间盘多见。临床研究表明：腰椎生理曲度的改变是蜕变所致腰椎力学结 构失衡的结果，它直接介入腰椎闻盘突出症的发生；同时，腰椎间盘突出后，腰 椎力学结构将进一步紊乱，则加重了腰椎生理曲度的减小或变直，甚至出现后凸 或侧弯。在病程进展中，患者为减轻疼痛必然采取弯腰、凸臀、身体前倾这些抗 痛性姿势。如果得不到适当治疗，则会进步因其力学平衡紊乱产生对结构代偿 的需求，从而引起构成脊柱内外支架的骨骼、肌肉、关节、韧带等组织的变化。 脊柱病理性态结构的出现及其定量测量是预测脊柱不稳定的客观依据【2 ”。腰椎排 列异常是腰椎部稳定的有利证明。腰椎间盘突出症是中青年常见病，严重影响日 常生活以及工作。本病的发生与遗传、外伤、劳损等因素有关。腰椎间盘的受力 随内力( 包括体重) 和外力的增加而增加。挤压力的增加使得腰椎间盘变形，导致 腰椎间盘变窄，腰椎间盘内压增加，向四周膨胀，使原有的突出加重；剪切力的 增加则促使腰椎在前后方向发生位移。相邻椎体的位移可以加重腰椎间盘的受 力，从而加重腰椎问盘的损伤。增加负重必然加重腰椎间盘的受力，负重越大， 天津大学硕士论文 第一章前言 腰椎间盘所受到的应力也越大，令一方面，根据杠杆原理，负重量一定时，负重 的重心与椎间盘的距离越远，则力矩越大，腰椎问盘所受到的应力也越大。 脊柱不稳往往导致腰椎出现过度或异常活动，甚至畸形。脊柱压缩性骨折或 爆裂性骨折，破坏了腰椎三柱理论，使得脊柱结构发生不稳定，从力学观点看， 平衡势能转变为不平衡势能，脊柱冈h 度进一步削弱，使得脊柱不稳定而破坏。胸 腰椎爆裂性骨折常常导致脊柱严重失稳和不同程度的神经损害。为使重建脊柱获 得牢固的稳定性、提高植骨融合率，常常需要进行内固定治疗。随着对脊柱解剖 机构和形态的深入研究及临床手术技术的提高，对各种内固定器械的选择要求更 趋完善。 1 4 表面工程 袭面工程是指经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技 术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应 力状态，以获碍所需表面性能的系统工程【2 ”。现代化工业的发展对设备与零部件 表面性能的要求越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件 下，零部件材料的破坏往往自表面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化等，表面的局 部损坏又往往造成整个零件失效，最终导致设备停产。因此，改善材料的表面性 能，能有效地延长其使用寿命。许多国家都致力研究各种提高零件表面性能的新 技术、新工艺，开发出大批实用、先进、高效的表面工程技术。表面工程的最大 优势是能够以多种方法制备出性能优于基体材料的表面功能性薄膜，其厚度一般 为几微米到几毫米，仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之，却使零件具有了 比基体材料更高的耐磨性抗腐蚀性和耐高温等性能。 电镀是金属电沉积技术之一，是通过电解方法在固体表面上获得金属沉积层 的过程，其目的在于改变固体材料的表面特性，改善外观，提高耐蚀、抗磨损、 减摩性能，或制取特定成分和性能的金属覆层，提供特殊的电、磁、光、热等表 面特性和其它物理性能等，而零件内部仍可保持原有的冶金及机械性能。所以， 电镀是一种表面工程技术。电镀是一种电解加工工艺【2 7 瑚】。零件为阴极，电解 质中的金属离子电沉积到零件表面，形成一层均匀、致密的金属薄层，即电镀层。 镀层可以是锌、铜、金、银、镍等单金属，也可以是铜一锡、铜一锌一锡等二元 或三元合金。在一般的情况下镀层仅仅是金属薄层，只有几微米到几十微米的范 围，可以大量节省贵重金属材料。与其他的表面工程处理方法相比，电镀工艺没 各简单、操作条件容易控制，有较大的经济意义。电镀屡中存在残余应力的现象 是不可避免的，残余应力一般分为拉应力与压应力两种，当拉应力过大时，镀层会 天津大学硕士论文 第一章前言 腰椎间盘所受到的应力也越大，令一方面，根据杠杆原理负重量一定时，负重 的重心与椎间盘的距离越远，则力矩越大，腰椎问盘所受到的应力也越大。 脊柱不稳往往导致腰椎出现过度或异常活动甚至畸形。脊柱压缩性骨折或 爆裂性骨折，破坏了腰椎三柱理论，使得脊柱结构发生不稳定，从力学观点看， 平衡势能转变为不平衡势能，脊柱刚度进一步削弱，使得脊柱不稳定而破坏。胸 腰椎爆裂性骨折常常导致脊柱严重失稳和不同程度的神经损害。为使重建脊柱获 得牢固的稳定性、提高植骨融舍率，常常需要进行内圃定治疗。随蕾对脊柱解剖 机构和形态的深入研究及临床手术技术的提高对各种内固定器械的选择要求更 趋完善。 1 4 表面工程 表面工程是指经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技 术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应 力状态，以获得所需表面性能的系统工程口6 i 。现代化工业的发展对设备与零部件 表面性能的要求越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件 下，零部件材料的破坏往往自表面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化等，表面的局 部损坏又往往造成整个零件失效最终导致设备停产。因此，改善材料的表面性 能，能有效地延长其使用寿命。许多国家都致力研究各种提高零件衰面性能的新 技术、新工艺开发出大批实用、先进、高效的表面工程技术。表面工程的晟大 优势是能够以多种方法制各出性能优于基体材料的表面功能性薄膜，其厚度般 为几微米到几毫米，仅为结构尺寸的几百分之一到几十分之一，却使零件具有了 比基体材料更高的耐磨性抗腐蚀性和耐高温等性能。 电镀是金属电沉积技术之一，是通过电解方法在固体表恧上妖得金属沉积层 的过程，其目的在于改变固体材料的表面特性，改善外观，提高耐蚀、抗磨损、 减摩性能，或制取特定成分和性能的金属覆层，提供特殊的电、磁、光、热等表 面特性和其它物理性能等，而零件内部仍可保持原有的冶金及机械性能。所以， 电镀是一种表面工程技术。电镀是一种电解加工工艺口7 。2 。零件为阴极，电解 质中的金属离子电沉积到零件表面，形成一层均匀、致密的金属薄层，即电镀层。 镀层可咀是锌、铜、金、银、镍等单金属，电可以是铜一锡、铜一锌一锡等二， 或三元台金。在一般的情况下镀层仅仅是金属薄层，只有几微米到几p 微米的范 围，可阻大量节省贵重金属材料。与其他的表面工程处理方法相比，电镀工艺没 备简单、操作条件容易控制，有较大的经济意义。电镀层中存在残余应力的珑象 是不可避免的残余应力般分为拉应力与压应力两种，当拉应力过大时，镀层会 是不可避免的，残余应力般分为拉应力与压应力两种，当拉应力过大时，镀层会 天津大学硕士论文 第一章前言 产生开裂现象i 而压应力过大时，则会产生起泡或脱落现象。因此，残余应力的存在 对镀层的质量与性能有很大的影响) 随着材料科学的发展，对电镀层的性能要求越 来越高，对残余应力的研究也越来越受到人们的重视。 离子注入是在真空中将一束离子束射向一块固体材料，离子柬射到固体材料 以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中的这 一过程。离子柬与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用， 入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能 发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能，注入表面能提供 与镀铬相当甚至更优的耐磨和耐腐蚀性。金属离子注入技术是一种由高能金属离 子轰击来改变表面特性的工艺。由于该工艺不产生某种镀层，因此零件的尺寸和 整体性能均保持不变。离子注入技术是近3 0 年来在国际上蓬勃发展和广泛应用 的一种材料表面改性高新技术，此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在 半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的 应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。 作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理 技术难以达到的独特优点：( 1 ) 它是一种纯净的无公害的表面处理技术；( 2 ) 无需 热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和袭面光清度； ( 3 ) 离子注入层由离子柬与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一 个新表耐层，它与基体之间不存在剥落问题；( 4 ) 离子注入后无需再进行机械加 工和热处理。离子注入工艺能将所需元素的离子在几十至几百千伏的电压下注入 材料表面，在零点几微米的表层中增加注入元索的浓度，同时产生辐照损伤，从 而改变材料的结构和各种性能。根据国内外资料分析，离子注入陶瓷材料是对现 有增韧、提高耐磨性途径的补充。 日本东京电机大学的浅冈照夫等人选用尺寸较大的铝离子注入于t i n i 台金 表面，研究其对t i - n i 合金形状记忆特性的影响。国内的研究人员研究了离子注 入陶瓷表面残余应力对其断裂韧度的影响。张光胜等人研究了n 十注入g c r l 5 钢和40 c r 钢表面残余应力的变化及沿层深的分布情况，离子注入使材料表面残 余压应力的增加，有利于改善材料的摩擦学性能旧”。当m o 离予注入a 1 2 0 3 陶瓷 表面时能产生很大的残余压应力，大剂量的注入会使注入层产生非晶化，残余应 力明显释放；若继续增加注入剂量，因受射束热的影响非晶化，表面残余应力又 有新的提高；因此，可以通过对注入剂量及能量控制，来改善a 1 2 0 3 陶瓷表面裂 纹敏感性。n i 离子注入创z 0 3 - z 巾2 陶瓷表面的改性研究，也发现了表面残余应 力对裂纹扩展的抑制作用，这对其断裂韧度的影响很大，利用实验数据拟合分析 可得知表面残余压应力变化趋势同材料断裂韧度变化趋势一致。 7 天津太学硬士诧空 第一章前言 1 5 本文的主要工作 作者分析了数字标记点图像相关j i ! ! | 量方法的优缺点，改进了部分算法，提高 了计算速度和计算精度，利用实验验证了这个方法的正确性，并应用于电镀材料 和离子注入材料的残余应变的研究。 1 对两步数字标记点图像相关算法进行研究。利用v c + + 6 o 编制程序，并嵴 各个程序加入到统一的程序中，组成一个界面友好、实用方便的应用程 序。 2 对数字标记点应用程序进行了实验验证和误差分析，分析其可行性和可 靠性，分析改进后的优缺点。 3 设计个单向拉伸实验在上面做上不同形状的标记点或同一形状不同 太小的标记点，利用编制好的程序进行计算然后分析标记点的大小和 形状对实验结果的影响。 4 ，在脊柱生物力学的实验中，设计一套加载方法，对牛的脊柱进行纯弯、 纯扭实验，在试件样本上作上标记点进行实验，成功的把这种方法引入 生物力学中利用程序对采集到的标记点图像进行计算，分析载荷状态 下的脊柱在没有固定、单固定、双固定三种情况下的力学行为。 5 利用数字标记点图像相关程序对电镀材料的镀层和离子注入试件的离 子注八层进行三点弯实验对采集得到的数字图像进行计算，分别聪镀 层和离子注入层对金属材料所产生的残余应变进行分析。井对比镀层聒 离子注入层对各自基体的影响以及残余应力的大致分布。 天津大学硬士论文第二章数宇标记点图像相关测量方法的基本理论研究 第二章数字标记点图像相关测量方法的基本理论研究 2 1 概述 数字标记点图像相关测量方法是应用计算机视觉技术的一种圈像测量方法， 它是现代先进的光电技术、图像处理与识别技术1 26 l 与计算机技术相结合的产物， 是现代光测力学的又一新进展。数字标记点图像相关方法的基本思想与图像识别 极其相似。即给定物体变形前后的两个数字标记点图像中，在变形后的图像中找 出与变形前的图像中的标记点位置的大致的区域，然后利用数字散斑图像相关方 法进行搜索、迭代。但是，两者又是有着本质的区别的。一般的图像识别，它所 要识别的对象是由点集构成( 以数字形式) ，它在各种状态下保持不变，或者嘲 忽略其在不同状态下自身的变化。但是在变形中，图像背景及识别对象比较简单， 都是与物体表面的物质点对应的光强分布。它的特征只有一个，就是光强即灰度 的分布，因此不必进行通常图像识别过程中要作的特性选择和特征提取，但是要 在识别时考虑不同状态下( 如外力作用前后) 被识别对象自身的变化，也就是说， 需要考虑不同状态下研究对象( 数字图像) 所发生的伸缩、扭曲等变形情况，从而 直接与物体的变形联系起来。 现代的数字标记点图像相关测量方法主要是基于相关搜索和相关迭代两种 思想，人们对相关迭代方法的理论研究主要是从两个方面蕾手：其一是测量的精 度；其二就是数据处理的速度。精度的提高主要由图像质量以及插值时的精确度 和处理数据时的精确要求决定。所以很多研究者也都是从处理c c d 采得的图像 和提高插值精度两方面研究的。 为了将数字标记点图像相关测量方法更好地应用于力学实验研究领域，必须 降低数字标记点图像相关测量方法的测量误差，提高测量的灵敏度和可靠性。由 于数字标记点图像相关测量方法是利用图像灰度值直接进行相关分析的图像测 量方法，因此这种方法的测量结果很大程度上取决于硬件的质量和特征参数以及 环境噪声的影响。可以把误差来源归结为以下两个方面：1 ) 系统误差，它主要 来自于相关运算的算法本身的近似假设和实际存在的离面位移等的影响；2 ) 随 机误差，主要来源于c c d 本身的噪声和实验环境的噪声影响。除了以上两点， 试件的刚体转动以及标记点的大小和形状对实验结果也会造成一定影响。 本章将从原理上对数字标记点图像相关方法进行分析，并运用各种插值和迭 代方法对其进行精度上的提高的分析研究；同时分析数字标记点图像测量方法的 误差来源，研究各种实验误差以及标记点的大小和形状对实验结果的影响。 天津大学硕士论文 第二章数字标记点图像相关测量方法的基本理论研究 2 2 数字标记点图像相关测量方法的基本理论 在科学研究和工程应用领域，相关理论是一个非常有效的数学工具，已经广 泛应用于物理、化学、数学、力学以及图像处理等多个领域。相关系数是两个变 量之间相互关系的定量描述。在固体力学领域的数字散斑相关方法p s c m ) 和流 体力学领域的粒子图像测速技术( p i v ) 的数学基础就是相关系数。本文提出的数 字标记点识别方法的数学基础也是相关系数。 数字标记点识别方法的基本原理与数字散斑相关方法的基本原理非常相似。 给定物体变形前后的两个数字图像，根据图像的灰度值在变形后的图像( 称为目 标图像) 中识别出对应与变形前