（工程力学专业论文）微细观数字图像相关法测试研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 数字图像相关法可以精确测量物面的位移场，然而应变场分布结果误差较 大。本文研究了改善应变计算的方法，研制了适用于微小尺寸材料力学性能的 测试系统，并通过对多种材料的力学实验，验证了方法的正确性和系统的可操 作性。 本文首先分析了数字图像相关法应变计算的传统方法一差分法，指出了 其不足之处，然后提出最小二乘法以改善应变场的求解，通过模拟实验的比较， 证明新的应变求解更接近理论值。然后。结合体视显微镜、微型拉伸机构，研 制了微细观材料力学性能的力学测试系统。在此基础上，利用c - h 语言在v i s u a l c h 缶0 开发平台上编写了一套集应变计算，p c v i s i o n p l u s 图像采集卡控制，数 字图像相关分析等多种功能的软件。该系统还能有效地标定畸变分布情况，减 小高放大倍数下的测量误差。利用该系统，测试并分析了铜箔、钢片、铝片的 塑性变形区应变分布，反映了微细观尺度下材料塑性大变形的特性。实验表明 最小二乘法能有效提高应变计算精度，利用该系统获得的应变场可以预测塑性 材料中裂纹的走向。最后，通过测量某种薄膜的弹性模量和泊松比等力学性能， 体现整套系统在工程中成功应用。 关键字：数字图像相关法，微细观，力学测试系统，应变，最小二乘法 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n ( d i e ) i sap o w e r f u lm e t h o df o rd i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t , w h i l ei te a u s c sl a r g ee r r o r si ns t r a i nm 酗s u r c m c n t t h ep u r p o s e so f t h i sp a p e rmt 0p r e s e n t 锄i m p r o v e dm e t h o df o rs t r m e s t i n m f i o n , a n dd e v e l o pt h e m e c h a n i c a lt e s ts y s t e mf o rm a t e r i a l sa tm i c r os c a l e n u m b e r so fm a t e r i a l sw e r e e v a l u a t e du n d e rt h ea f o r e m e n t i o n e ds y s t e mt ov a l i d a t et h es t r a i nc a l c u l a t i o nm e t h o d a n dt h et e s ts y s t e m t h e s i ss t a r t sw i t ht h et y p i c a ld i s c r e t ed i f f e r e n t i a lm e t h o d , w h i c hw a su t i l i z e df o r s t r a i nl o c a l i z a t i o nw h e nu s i n gas e a r c hs t r a t e g y , a n di t s d i s a d v a n t a g e sw e r e a d d r e s s e d t h e2 dl e a s ts q u a r em e t h o dw a sa d o p t e dt os u p p r e s st h en o i s ei n t r o d u c e d i nt h ed i s p l a c e m e n tf i e l d r e s u l t sf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nd e m o n s t r a t et h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dc a nr e s u l tam o r es m o o t ha n dp r e c i s es t r a i nf i e l d am e c h a n i c a l t e s t s y s t e m , w h i c hi sc o m p r i s e do fas t e r e ol i g h tm i c r o s c o p ya n dm i c r ot a s t i n g f r a m e w o r kh a sa l s ob e e nd e v e l o p e d e x e c u t i v es o f b v a r e , w h i c hi n c l u d es t r a i n l o c a l i z a t i o na n a l y z i n g ，p c v i s i o np l u si m a g ec a p t u r i n gc o n t r o l l i n ga n dd i g i t a li n a a g e c o r r e l a t i o na n a l y z i n gh a v ec o d e do nv i s u a lc + _ 卜6 0p l a t f o r m v a r i o u sm a t a i a l s i n c l u d i n gc o p p e rf i l m s ，s t e e ls h o o t sa n da l u m i n u ms h e e t sw c i et e s t e df o ra n a l y z i n g t h ep l a s t i cs t g a i l 岱a tl a s t , t h ee l a s t i cm o d u l ea n dp o s s i o n sr a t i oo f p o l y m e r i cf i l m s w e r et e s t e du n d e rt h i ss y s t e m t h e s ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h et e s ts y s t e ma n dt h e m i c r o s c o p i cd i ci ss t i l lp r o m i s i n gt o o li nc h a r a c t e r i z i n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa t m i c m s c a l e k e y w o r d s ：d i g 蹦i m a g ec o r r e l a t i o n , m i c r o s c o p i c , t e s ts y s t e m , s w a i n , l e a s t s q u a r em e t h o d v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题的研究目的是采用图像处理技术和数值计算方法，实现数字图像相关 法应变场的计算。首先利用数字图像相关分析获取位移场分布，然后借助最b - - 乘法从位移场中求解应变场分布。利用自行研制的微细观力学性能测试系统，并 结合几组不同材料的实验验证了该方法计算所得的应变场分布具有很高的精度。 最后，利用c + + 语言在v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境下，采用优化的程序结构， 设计一系列耦合性小的模块，编帝一套集图像采集、畸变校正、相关分析、结果 处理等为一体的数字图像分析系统软件，为微细观数字图像相关测试奠定基础。 光测力学是- f 3 发展迅速的实验科学，自六十年代引入激光后，大大扩展了 光测力学的研究和应用。相比较于传统的电测等测量技术，以激光干涉、激光全 息、云纹干涉、电予散斑干涉等为代表的光学测量技术具有非接触、高精度和全 场测量等优点，可广泛应用于工程技术，如表面粗糙度测量、位移变形测量、三 维形态测量等【l - 3 】。 数字图像相关法唧g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n ) 是一种新型的获取面内位移的光 学测量实验方法，它应用计算机视觉技术，结合现代先进的光电技术、图像处理 识别技术与计算机技术，其发展过程与现代计算机的软硬件发展紧密结合，是现 代光测力学的又一新进展【4 】。与其他的光测方法相比，数字图像相关法具有试 件制作简易、原始图像数据采集简单、对实验环境要求低、变形测试范围大以及 自动化处理等优点。随着现代计算机、摄像机等硬件的发展和相关性算法的优化， 该方法在很多领域得到广泛地应用 5 ，6 】。 随着电子扫描显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , s e m ) 、原子粒显微镜 ( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , 栅或高放大倍数的光学显微镜在微细观尺度变形 测量中的应用，数字图像相关法也受到国内外学者的广泛关注，其中光学显微镜 应用最为广泛。然而在光学成像系统中，畸变是影响测量精度中一个重要因素， 它受镜头的加工质量、焦距、光圈值、放大倍数等影响【7 】，且随着光学放大倍 数的提高，畸变对测试精度的影响越来越突出，因而，对采集系统进行标定，校 正高放大倍数下镜头的畸变，对微细观尺度下的变形测量具有重要意义，这不仅 上海大学硕士学位论文 能进一步提高光学测量精度，也将大大扩展数字图像相关法的应用领域。 目前，借助数字图像相关搜索法测量面内位移场的技术已趋于成熟，但利用 该方法只能获得离散的位移信息，需要借助数学手段获取应变信息。传统的应变 求解是直接差分位移，该方法能快速而准确地求解平均应变，但求解应变场分布 时，应用该方法将会恶意放大位移定位误差，从而导致更大的应变计算误差，使 得求解准确的应变场分布一直都是一个难以解决的问题。针对以上不足，应用更 优越的数值方法求解应变场分布，改善数字图像相关法的应变求解将有重大意 义。 1 2 数字图像相关法的原理 数字图像相关测量方法与图像识别类似，它根据物体表面随机分布的光强分 布，即灰度的分布在变形前后的概率统计相关性确定位移。其基本思想是：利用 “c c d 摄像机一图像采集卡微机”计算机图像采集系统，记录被测物体表面 加载前后的散斑图，经模数转换得到离散数字散斑信号矩阵，然后进行相关运算 获得位移及应变信息。由于随机散斑具有独一无二且和实际物体表面一一对应的 性质，所以找到相关系数最大极值位置，即可以认为该区域的位移和应变信息反 映了实际物体表面的位移和应变【8 】。 图1 一l 实际测量的变形图( 引 刍c o r r e l a t e ds o l u t i o ni n c ) 数字图像相关法的主要工作是在给定的区域中跟踪标本的灰度分布。为了能 求解出某区域在加载后其中心点的位移，该方法应用相似测量的方法，即当子区 2 上海大学颈士学位论文 域在莱处的相似程度最大时，认为此处为给定子区域在变形后的位置。相似程度 的大小用相关性系数c 表示，其表达形式如下【9 】： c ： 三墨：墨三二三互三：三墨三 ：(1-1) 一 1 0 之 后，其应变的取值趋于稳定1 5 0 。 一般传统的应变计算方法是，借助如上所述的直接中心差分法，利用计算点 左右上下等间距四个计算点的位移数据，通过计算其差值与点间距的比值来求解 计算点的应变。 假如在数字图像相关分析中，试件表面的某个小区域中心点坐标为( 工。，y 。) ， 对应在图片中的位置为“，乃) ；变形后中心点移动到。，) ，。) ，而对应在图片中 的位置移动到0 。，少。) ，从而真实试件表面的位移为 9 上海大学硕士学位论文 0 。一x o = r l q i x j 矿。一y o = r v u i y j ( 2 4 ) 其中。r 。，r ，是试件在图像中的放大倍数，在实际的测量中，需要利用精密的 标准栅板进行标定，以确定其大小。假如在水平、竖直方向的应变计算间距为2 a 像素，那么，应变的各个分量可以由差分公式彳寻到以下计算公式， 7 e ：丝：坠! ! 量! 二! 塾二塾2 1 苏2 a f ，：宴：盟正纽乓丝趔 ( 2 5 ) 7 西2 ，；鱼+ 堡：垡生! 量! 垡丝2 量! 二堡生二垒2 二竺生二兰! 9 勿苏 2 a 注意到，这种计算应变的方法由公式( 2 5 ) 直接差分求出，它依赖于计算所取 的相邻两点计算精度。假如位移场的计算精度达到了0 0 5 像素，以a = 1 0 像素为 计算间距，可知应变的误差约为5 0 0 0 微应变。因而，纵使位移的计算相当的精 确，利用差分法求解应变仍然存在不可忽略的误差。 2 2 最小二乘法 最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和找到一组数据 的最佳匹配函数。对于二维分布的数据点集合，需要借助二维的最小二乘法进行 拟合。 最早在分析化学中得到应用的s a v i 姆g o k l y 低通滤波器能对二维数据进行 有效的去噪，达到平滑数据的目的【5 2 】。对一组二维数据，该方法将以求解点为 中心的子区域内所有数据用最小二乘法拟合出一个二维多项式，然后对该多项式 直接微分，从而可以得到各个微分分量。假定位移分布满足二阶表达式，其具体 做法如下【5 3 】。 首先。假定水平和竖直方向位移的分布符合二阶多项式形式，如下所示 “力2 a o o + a o l x - l - a l 。y + a 0 2 x 2 + a j a y 2 + q i x y 但- 6 ) ，“y ) = b o o + t o i 工+ 6 l o y + 工2 + k y 2 + 6 i l x y 、 其中，五y 为求解点在图片坐标系的位置，l 1 ，分别为水平方向和竖直方向的 位移，是空间坐标的函数，口，a o 。，a 。o ，a ，a ，a i l ，o o i ，6 l o ，6 砷，岛。分别为拟 1 0 上海大学硕士学位论文 合多项式的各个系数。 然后，利用最小二乘法求解分布多项式的各个系数。以一组二维数据矩阵为 例，假定其行数和列数都为，这里令上= 5 ，该矩阵排列如下， 工 一21ol2 2 g ( o )g ( 1 )g ( 2 )g ( 3 )g ( 4 ) 一l g ( 5 )g ( 6 )g ( 7 )g ( 8 )g ( 9 ) 7 0 g ( 1 0 ) g ( 11 ) g ( 1 2 ) g ( 1 3 ) g ( 1 4 ) l 9 0 5 ) g ( t 6 ) g ( 1 7 ) 9 0 8 ) g ( 1 9 ) 2 g ( 2 0 ) g ( 2 1 ) g ( 2 2 ) g ( 2 3 ) g ( 2 4 ) ( 2 - 7 ) 其中，g 倒是待拟合的数据 结合数字图像相关计算结果，假如翱何和g v 何分别为子窗口内水平方向和 竖直方向的位移，如( 2 7 ) 式排列将其重新排列如下： 曼。! 弘2 ，( 1 ) ，( 2 ￥( 2 - 8 ) q = 烈o ) ，g v ( 1 ) ，g v ( 2 4 ) 2 同时，将式( 2 6 ) 中珥 ，的系数重新排列如下， 三- ，? m ：口： ( 2 9 ) 口= b o o ，6 0 。，6 l 。，岛。) 、 为求解系数矩阵彳，b ，结合拟合公式( 2 - 6 ) ，构造如下的矩阵，其坐标与公式 ( 2 - 7 ) 有关， 1 x oy ox 0 2y 0 2x o y o p ：!簟t 2曹2x 1 y l ( 2 - 1 0 ) 一一， 1 x my ux 0y 0 x m y m 故，由公式( 2 8 ) ( 2 - 1 0 ) ，可以获得如下等式， pa=g，(2-11) p b = g 从而4 曰矩阵的求解公式为， a 。= ( ，p 。r r p ) - 。 p r r g ( 2 - 1 2 ) 丑= ( p 7 d 1 p 7 q 最后，将4 ，曰各个系数代回公式( 2 6 ) ，即可得到拟合的位移分布解析表达式。 上海大学硕士学位论文 且瑗对( 2 咖式求导，吾个厦燹分萤计算公式分别如f ， q = 掣- = a o l + 2 + 口i 。y 勺= 掣= 6 1 0 + 2 蛐+ 6 1 i 工 ( 2 - 1 3 ) 岛= 掣+ 掣- - , , t , l o + ”蛐+ y + a n x + 若计算子窗口中的数据都按照公式( 2 7 ) 排列，则所求解的中心点坐标为( o ， o ) ，因此公式( 2 1 3 ) 可以简化为， q ：垒掣：口o i 。= 掣= 6 1 0 ( 2 - 1 4 ) = 掣+ 掣= q i o + 。 因而，应变值仅仅与拟合公式的一次项系数有关。实际计算中，子窗口的大 小三可以选取任意正奇数。三越大，则覆盖的区域越大，用于计算的数据越多， 从而拟合出的最佳匹配函数也就越能反映子区域的整体情况，越能平均应变，但 计算时间将以指数级增加。反之，三越小，覆盖区域越小，则拟合出的匹配函数 越能反映出局部应蛮情况 2 3 两种方法的模拟实验比较 为了比较这两种方法的优劣，作者利用计算机模拟，构造了一对满足纯弯粱 变形分布公式的随机散斑图，通过数字图像相关分析获得空间的位移场分布数 据。然后分别利用差分法和最小二乘法求解应变场，最后和理论解对比，进行比 较讨论 4 9 】。 2 3 1 模拟试验过程 um 伊一而y 卜盖u 叫一等y 2 ( 2 - 1 5 ) 上海大学硕士学位论文 其中x , y 为图像水平和竖直坐标，”，为“力处模拟的水平和竖直方向的位 移，其他的为定值，取值分别为肘= 5 ，殿= 8 0 0 0 0 ，f = 1 3 7 6 ，口= o 3 。由于公 认的数字图像相关运算精度为o 0 5 像素，所以这里将所有位移数据保留到小数 点后第二位。利用灰度值大小表示位移的大小，亮度越大则代表位移越大，计算 机模拟的水平和竖直方向位移场分别如下图所示， ( a ) 水平方向的位移场竖直方向的位移场 图2 - 1 模拟散斑图的位移分布图( 灰度代表位移的大小) 截取位于图像中央的计算平面位置，取其坐标范围为2 8 1 z s l l l 4 ， 2 5 3 y 4 4 4 ，经相关法计算后，水平方向的位移范围为：3 0 3 9 像素一- 4 1 4 像素，竖直方向的位移范围为：3 9 3 2 像素一2 7 5 像素。与式( 2 1 5 ) 计算的理 由式( 2 - 1 5 ) 推导应变场理论解分布如下： r 磊2 吃 回 1加脚， 卜1 w i b 。面一旨y 从以上公式可以看出：应变值仅仅与竖直方向的坐标有关，在分布图表现为 每行的应变都是一个常数，且水平方向的应变随着y 值增加而增大，竖直方向的 应变却随) ，值增加而变小，若以灰度值表示应变的大小，则水平方向应变分布图 从上到下由暗到明，竖直方向应变分布图则从上到下由明到暗。理论解的灰度图 ( a ) 水平方向的应变场( b ) 竖直方向的应变场 1 3 上海大学硕士学位论文 图2 - 2 应变场理论解分布图( 灰度代表应变的大小) 2 3 2 结果及讨论 利用如前所述的差分法，令其中心差分间距为5 0 ，即公式( 2 - 3 ) 中的取值 2 5 ，所求得的应变场分布为： ( a ) 水平方向的应变场竖直方向的应变场 图2 - 3 差分法计算的应变分布图( 灰度代表应变的大小) 为了能和差分法比较，这里取最小二乘法计算子窗口的尺寸为5 0 ，求得水平 和竖直方向应交场分布为： ( a ) 水平方向的应变场竖直方向的应变场 图2 _ 4 最j , , - 乘法计算的应变分布图( 灰度代表应变的大小) 从这两种方法所获得的应变场数据分析结果可以得知：两者的应变分布大体 走势一致，符合于理论解。由于计算应交子窗口具有一定尺寸，从而使得边缘的 数据无效。取计算子窗口为5 0 ，则计算结果分布范围为3 0 5 x s l 0 9 0 ， 2 7 7 s y 4 2 0 ，而由理论解( 2 1 6 ) 可得应变精确解范围为0 0 1 7 3 1 s 毛s 0 0 2 6 2 5 ， 0 0 0 5 1 9 s 占。0 0 0 7 8 7 。借助直接差分法计算的应变值范围为 0 0 1 7 2 0s 占。s0 0 2 6 2 0 ，0 0 0 5 2 0s ，s0 0 0 8 0 0 ，而最- b - - 乘法计算的应变值范 围为0 0 1 7 4 1 占。0 0 2 6 2 2 ，0 0 0 5 2 0 占。0 0 0 7 8 6 。 分别提取差分法、最小二乘法获得的应变值和理论解在x = 3 8 1 处的应变数据 1 4 上海大学硕士学位论文 进行对比，如下图所示 ( a ) x = 3 8 1 处水平方向应变分布图 ( b ) x = 3 8 1 处竖直方向应变分布图 图2 5x = 3 8 1 处，理论解和两种应变求解方法的应变比较图 从图上可知，最小二乘法的应变分布完全与理论解吻合，而差分法与理论解 存在约2 0 0 微应变的误差。从应变分布的灰度图上可以观察到，利用差分法计算 的分布情况存在规则的花纹，最小二乘法的分布情况则要光滑得多，后者分布更 接近理论解情况。由于计算机模拟能产生精确的位移分布数据，经保留位移数据 小数点后第二位，产生了细小的位移定位误差。差分法的计算仅仅由两点的位移 值获取，无法判断误差的存在，从而产生了规则的花纹。而最b - - - - 乘法考察的数 据点远多于差分法，能有效地判断误差的存在，使得结果更能反映真实情况。 进行应变计算需要足够多的位移分布数据，所以高分辨率电视摄像机是有益 的帮助，足够多的计算点是顺利进行的前提。然而，无论利用哪种应变计算方式， 1 5 上海大学硕士学位论文 都是基于相关分析后的位移场数据，其计算精度直接影响了应变的计算结果，因 而对相关算法的进一步研究，选择合适的方法进行位移场重构以及对光学系统进 行畸变校正等，将对提高位移场和应变场的计算精度有较大的意义。 2 4 本章小节 本章对应变场求解方法进行探讨。首先介绍了传统应变求解中常用的直接 差分法计算原理，指出这种方法不能有效判断噪声、且恶意放大误差的不足；然 后提出作者的改善求解方法一引自分析化学中的s a v i t z k y - g o l a y 滤波方法，该 方法基于最d , - - 乘法，在一个选定的子区域内进行曲面拟合，达到判定噪声的目 的在着重介绍其具体操作基础上，再利用c + + 程序实现了整个过程。最后，作 者构造了一组模拟试验，分别利用两种方法对同一组位移数据计算求解，并将计 算结果分别和理论解进行比较，得出了最小二乘法能有效地判断误差存在，并能 给出更优于差分法的应变分布的结论。同时，作者也从数学上分析指出顺利进行 应变求解的必要条件。为进一步的试验研究奠定了基础。 1 6 上海大学硕士学位论文 第三章微细观材料力学测试系统 对微尺度下的试件进行实验，由于试件尺寸的限制，不仅所能承受的载荷很 小，而且若要实现准静态加载，更要求加载过程相当缓慢。通用的材料试验机对 试件的夹持、以及力的响应都存在一些问题。更严重的是，传统的变形测量工 具一一机械引伸计，已不能再用于该领域的测量中 5 4 。基于以上原因，我们开 发了一套微型机械加载机构j m i c r ot e n s i l ef r a m e w o r k 。它由加载系统、光 学采集系统和数字图像分析软件组成。 3 1 加载系统 微型机械加载机构由拉伸压缩装置、控制箱、控制计算机以及相应的软件 组成。整个系统由主机钢板外罩内的电机和减速器以及电器部分的交流伺服系统 构成动力驱动系统；由安装在p c 机箱内的多功能测量控制卡、p c 机和打印机 构成控制与数据处理系统。 该系统采用了调速范围为o o l - - l o o m m m i n 、调速比为1 ：l 万的交流伺服 系统和电机。电机转速经减速机减速后传递给丝杠副，丝杠副的螺纹由左旋和右 旋两段组成。可测量的最小位移为0 o l m m ，位移加载速度从0 0 5 t a r a “r a i n 到 5 0 r a m “r a i n 调节，当电机旋转时带动连接在丝杠副上的夹具接头作相对运动，以 保证试件中心位置固定。在夹具的一端安装了力传感器，其测力范围为：0 一 i o o n ，精度为0 0 5 n 。在工作时，试验力的数据由与夹头连为一体的负荷传感器 进行测量，力传感器的信号通过a d 转换直接记录在控制计算机中。控制主机 能实现试验数据的采集、标度变换、处理和屏幕显示。该系统具有位移控制和载 荷控制两种加载方式【5 4 】。实验机如图3 - 1 所示。 1 7 上海大学硕士学位论文 3 2 图象采集系统 图3 - 1 微型加载系统 微细观下的变形测量需要采用高放大倍数的图像采集系统，本文所采用的系 统由n i k o ns m z l 0 0 0 体视显微镜，分辨率为1 3 7 6 x1 0 3 5 像素的2 5 6 级灰度c c d 黑白电视摄像机( 型号j a ic v - a 1 ) 和p c v i s i o np l u s 图像采集卡组成。体视显微 镜具有两个光学数据输出端口，主副端口的成像略有差别，结合三维成像算法能 实现三维的变形测量。该显微镜安装了i x 的物镜和1 0 x 的目镜，在其中一个光 学数据输出口安装电视摄像机。由于该显微镜有1 0 ：1 的固定放大倍数，使得该 系统的最小可视范围为0 8m i n x 0 6 r a m ，最小空间分辨率约为0 5 8 # m p i x e l 。其 整体装配图如图3 - 2 所示。 图3 - 2 光学图像采集系统 1 3 上海大学硕士学位论文 光学采集系统由软件控制，控制软件基于c o r e c o 公司的p c v i s i o np l u s 图 像采集卡和c ( h n a g m gf o u n d a t i o nc u s s ) 开发包自行开发，能实现以固定时间间 距序列采集( 最小时间间隔为0 5 秒) ，并自动命名保存到指定目录。 3 j 数字图像相关分析软件及主要算法介绍 本节主要介绍作者编制的软件，其中涵盖了进行数字图像相关分析的基础准 备工作( 如对摄像机的硬件控制) 以及前述的作者所有工作。首先介绍数字图像 相关分析软件的主要功能、基本结构和主要模块；其次重点介绍软件中采用的各 种算法。 3 _ 3 1 软件基本结构和功能 本软件采用a 斗匿言在v i s u a lc h6 0 开发平台下实现。该程序基于m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s ( m f c ) 的多文档框架，并结合了c o r e c o 公司的图像采集卡开发 包i f c ，形成一套具有如下所列功能的软件。充分利用了c + + 语言具有的运算速 度快，执行效率高等优点。利用本系统可以进行数字图像相关的采集到分析的全 部过程。其主要功能有： i 、通过控制图像采集卡，实现动态图像实时显示、保存及序列采集。 2 、对图像进行通用处理。对2 5 6 级灰度图像进行几何转换、滤波等操作。 3 、定义相关分析的考察区域。由于相关分析中可能只关心某个区域，定义 考察区域可以直接获取该区域的信息，减少不必要的时间。 4 、对图像进行相关运算，获取图像的水平和竖直方向的位移场和应变场分 布数据。并以灰度图的形式显示，以增强可读性。同时亦能将数据文件保存到硬 盘，以供后续分析。 整个软件的基本结构如下所示： 1 9 上海大学硕士学位论文 3 3 2 软件模块介绍 l 摄像机控制 = = ：= 动态图像实时采集和保存，序列 采集图像 i 通用图像处理分析 = = = = = = 进行几何转换、滤波、修改尺寸 等 i 边界定义 = 警 定义考察区域。能定义内边界， 外边界或多孔洞边界 i 数字图像相关分析 = = = = = 以固定考察区域或跟踪考察区 域两种方式对有限点或全场进 行数字图像相关分析，获取位移 分布信息 i 一鼢析叫警场分椭射靴变场 图3 - 3 数字图像相关分析软件的基本结构图 如图3 - 3 所示，数字图像相关分析软件主要分为如下几个模块：摄像机控制 模块、通用图象处理模块、边界定义模块、数字图像相关分析处理模块和应交计 算模块。 软件的界面如下所示： 图3 4 数字图像相关分析软件界面 上海大学硕士学位论文 摄像机控制模块主要基于p c v i s i o n p l u s 图像采集卡及开发库i f c 开发，可 以对选定的采集通道进行实时图像采集：在设定了采集间隔时间后，能按给定的 时间间隔以序列采集方式自动命名图片，并保存到指定路径。同时，借助n t p o r t 类库，软件能获得微型拉伸机构启动信息。并能同时按预先设定启动图像采集系 统记录图像，该模块的所有操作均在作者自定义的类c c a m c r a 中实现，所有功 能列在菜单c a m e r ao p e r a t i o n 中。 通用图象处理模块用于处理内存中图像数据数组。由于摄像机采集和打开文 件所获得的结果都是记录了图像数据的内存数组，所以可以通过一套公用的处理 模块来对这两者进行处理。该模块中定义了一组c 函数，能实现图像旋转、镜 像等几何变换，中值滤波、临域滤波等多种滤波方式，以及增强对比度，提取边 缘等功能。通过该部分的处理，能有效地改善图片质量，挖掘图像中隐含的信息。 此外，该模块还借助d i b 和j p e g 两个开源函数库，能够实现b m p 和j p g 文件的 打开、保存以及相互之间的序列转换，从而可以在不影响视觉效果下，大大减少 磁盘占用，在信息量与日俱增的现代社会具有极大的意义。该模块的所有操作均 列在菜单p r e p r o c c s s i n g 中。 边界定义模块用于定义数字图像相关的考察区域。当定义某个区域为考察区