【优秀硕士博士论文】数字散斑三维变形测量分析关键技术研究

1,数字散斑三维变形测量分析关键技术研究,2,1.1 课题背景和意义,传感器测量方法：位移传感器、引伸计、应变计等。精度高、测量结果稳定，缺点是布线复杂费时、仅能用于点测量，并且对被测试件有一定的刚度要求。,在现代生产实际中，除了需要对零件的外部形状和几何尺寸等静态特征进行测量外，在很多场合，还需要测量和计算在负载条件下刚性零件的位移、零件的变形和零件的动态特性，以用于分析材料的变形特性，找出零件的变形原因，预测零件的变形趋势等。,传统的一些光学测量方法包括：激光扫描法、全息干涉法、密栅云纹法等。这些方法一般需要采用激光作为光源，受环境影响较大，且设备昂贵。,3,1.1 课题背景和意义,本课题提出的基于立体视觉技术和数字图像相关方法的三维变形测量方法光路简单，受环境影响小，能够无接触地测量零件在机械负载、动力负载、热负载等复杂受力条件下的表面形貌和全场三维变形。,4,1.2 国内外研究现状,国外：德国GOM公司、美国CSI公司已经做出比较实用的动态变形测量系统，可用于测量各种载荷作用下的三维形貌、三维位移和应变分布。但价格昂贵。,国内：只是针对特定领域特定对象的变形测量提出了一些实验性方案，通用性较差，测量精度参差不齐。,5,1.3 研究内容,基于以上研究现状和需求，本课题提出基于数字图像相关技术的三维动态变形测量方法，研究的主要内容包括：,像机的标定技术和算法散斑特征相关匹配算法立体匹配三维重建变形计算原型系统软硬件实现,6,1.4 技术路线,关键技术： 像机标定 图像匹配 变形计算,7,2.1 测量系统方案,8,2.2 立体视觉原理,立体视觉测量基本步骤：图像获取、像机标定、立体匹配、三维重建。关键步骤：标定匹配,立体视觉原理示意图,9,2.3 采集散斑图像,采集设备,采用MVVS120FM定焦镜头：CCD尺寸为6.44.8mm，分辨率为1280960像素，帧率为1-15帧/秒，焦距为25mm/16mm。,MVVS120FM数字像机,数字像机结构,10,2.4 像机标定,标定就是确定像机的内部参数和外部方位元素的过程。 国内常用张正友标定方法。 本课题提出一种基于摄影测量原理的像机自标定方法。,11,2.4 像机标定,1.像机标定软件界面,标定结果,12,2.4 像机标定,2.标定精度对比,张正友标定方法和本课题标定方法的重投影误差,结论：本课题标定方法测量误差约为张正友方法的 27%，具有较高的精度。,13,2.5 立体匹配,1.立体匹配：寻找左右两张相片上的同名点，同名点就是同一空间点在两相机上的像点。,立体匹配外极线几何关系,外极线约束的图像匹配,14,2.5 立体匹配,2.图像匹配效果,15,2.6 三维重建,(3).将匹配获得的图像坐标代入上式，利用最小二乘法求解空间坐标(X,Y,Z)。,1.三维坐标重建方案：(1).根据相机标定结果求解摄像机投影矩阵的元素；(2).根据立体视觉图像坐标与空间坐标关系，推导得：,16,2.6 三维重建,2.表面轮廓重建,17,2.7 位移计算,位移计算流程,“图像i-j”中i是变形状态，j是相机编号(1是左相机，2是有相机)DSCM-A：相关匹配方法DSCM-B：立体匹配方法,计算流程,18,2.8 系统测量精度的主要影响因素,影响因素：(1).CCD像机质量及分辨率大小；(2).CCD记录的噪声影响；(3).光照强度不均匀；(4).像机标定精度； 关键影响因素(5).图像匹配精度； 关键影响因素(6).三维重建精度。,原始图像,光照不均匀图像,19,3.1 散斑图像相关法原理,基本思想：在变形前的图像中选取一个子区（一般为矩形），利用子区中的散斑灰度信息，在变形后的图像中寻找其所对应的位置，从而获得子区位置和形状的变化，进一步计算获得位移、应变等力学信息。,20,（其中，C：相关系数；f，g：图像点灰度；：求平均）,相关系数计算公式：衡量散斑图像匹配程度的公式,3.2 相关系数,21,3.2 相关系数,比较相关系数计算公式,22,3.3 相关搜索,1. 整像素相关搜索 引入盒滤波思想进行像素相关搜索，以提高计算速度。,假设I0,I1分别为物体变形前、后的散斑图像，大小均为MN，在I0中指定大小为(2K+1)(2L+1)的一块区域作为相关窗口（即相关区域），窗口中心记为(x,y)，在I1中进行相关搜索，相应的相关窗口中心记为 ，则相关系数表示为：,求解相关系数的速度直接影响了相关的计算效率，而盒滤波的核心思想是利用前后和上下两个相关窗口之间的相关性来减少上式的求和计算量。,23,3.3 相关搜索,2. 亚像素相关搜索 采用曲面拟合法进行亚像素相关搜索，以提高匹配精度。,曲面拟合法原理：利用整像素匹配的结果及其在八邻域像素点的相关系数矩阵拟合二次曲面，则所拟合曲面的极值点即为要求解的亚像素中心。假设整像素相关搜索的结果 及其8邻域像素点的相关系数矩阵可拟合为由下面二元二次函数表示的二次曲面：,则拟合曲面的极值点即为变形后图像子区中心位置,24,3.3 相关搜索,利用模拟散斑对曲面拟合法进行亚像素定位的精度验证,其中，,(2).标准差：,(1).均值误差：,模拟散斑,计算机数值模拟变形前后散斑图像的灰度表示函数：,25,3.3 相关搜索,结论：采用曲面拟合法进行亚像素定位的精度优于0.005个 像素，精度较高。,采用曲面拟合法进行亚像素定位的精度验证,26,3.4 相关区域校正,变形前，相关区域一般定义为矩形或正方形，变形后相关区域会发生形变，可能被平移、旋转、拉伸、剪切或曲，因此，在进行相关运算时，需要对变形后的相关区域进行校正。变形前后，相关区域中每一点的关系可表示为：,可根据下式求解：,其中，,27,3.4 相关区域校正,校正效果验证：,变形前,变形后,28,3.5 位移场数据平滑,平滑方案：采用样条曲线及曲面拟合理论对位移场进行平滑,B样条曲线方程：,曲线拟合：噪声数据 ,平滑后数据 ，则,曲面拟合：噪声数据 ，平滑后数据 ,则,29,3.5 位移场数据平滑,平滑效果验证：,平滑前X方向位移场,平滑前Y方向位移场,平滑后X方向位移场,平滑后Y方向位移场,平滑前Z方向位移场,平滑前Z方向位移场,30,4 应变场计算,应变：是由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对变形。主要有正应变和切应变两类。,(2)真实应变：,(1)工程应变：,(3)格林应变：,在弹性体中任一点截取一个微六面体单元，边长趋于无穷小，将它投影到xy平面，变形后，六面体的边长和棱边夹角都将发生变化。,定义拉伸比：,定义应变：,31,4 应变计算,变形梯度张量：是应变计算的基础，它将未变形的线单元 转换成变形后的线单元 ，两个线单元对应于同一坐标系，理论上是一个无限小的线元。,数学定义：,F分解两个张量： ，,32,4 应变场计算,求解变形梯度张量,采用3x3领域的计算模型，根据变形梯度张量的定义方程进行计算。如果在计算中选择了三个以上的点，计算结果就会超定，还需要进行光束平差调整。,变形梯度张量定义方程：,33,4 应变场计算,二维应变方向的定义和计算,说明： 表示全球坐标系 表示未变形时的局部坐系 表示变形后的局部坐标系,34,4 应变场计算,三维情况下表面应变的计算,为了能够利用上述已定义的二维应变计算模型进行三维应变计算，需要定义局部二维坐标系，局部坐标系应与局部表面相切，还需要把三维数据转换到局部二维坐标系。,三维情况下局部坐标系的定义,计算流程：,35,5.1 系统实现,硬件设计,硬件组成：1.高性能电脑一台2.工业CCD像机两个3.LED灯两个4.控制盒一个5.组合平台一个： 包括像机横梁，万 向头，三脚架等,36,5.1 系统实现,软件设计,37,5.1 系统实现,软件界面,38,5.1 系统实现,软件界面,39,5.2 系统静态测量精度实验,实验方案：对静止状态的试件重复测量6次，每次测量72个点，然后，以第一次测量为基准，与其他5次重复测量的结果进行对比。对实验结果进行统计分析，可得：,假设重复测量误差服从正态分布，即：下表将理论分布和实验得到的实际分布进行对比，基本吻合。,40,5.3 材料的拉伸实验,实验系统设计,实验器材：拉伸机及其配套计算机和操作软件，引伸计，两台分辨率为1280*960像素的工业CCD摄像机MVVD078SM，一个LED光源，一台高性能计算机，测量系统(DICS)的控制和数据处理软件等。,41,5.3 材料的拉伸实验,实验现场布置及实验参数,实验整体布置 像机布置 试件和引伸计安装,表5.2 实验主要参数,42,5.3 材料的拉伸实验,铝试件表面轮廓测量,43,5.3 材料的拉伸实验,铝试件表面三维位移测量,(1)实验机位移为0.1mm时 (2)实验机位移为0.5mm时 (3)实验机位移为0.9mm时,(4)实验机位移为1.3mm时 (5)实验机位移为1.5mm时 (6)实验机位移为1.8mm时,44,5.3 材料的拉伸实验,铝试件表面应变分布,(1)实验机位移为0.1mm时 (2)实验机位移为0.5mm时 (3)实验机位移为0.9mm时,(4)实验机位移为1.3mm时 (5)实验机位移为1.5mm时 (6)实验机位移为1.8mm时,45,5.3 材料的拉伸实验,钢试件表面三维位移测量,(1)载荷为435.45N时 (2)载荷为4478.3129N时 (3)载荷为5373.9755N时,(4)载荷为6148.395N时 (5)载荷为6448.9414N时 (6)载荷为6644.4672N时,46,5.3 材料的拉伸实验,钢试件表面应变分布,(1)载荷为435.45N时 (2)载荷为4478.3129N时 (3)载荷为5373.9755N时,(4)载荷为6148.395N时 (5)载荷为6448.9414N时 (6)载荷为6644.4672N时,47,5.3 材料的拉伸实验,与引伸计测量结果对比,(1)两种方法测量结果对比 (2)相对误差,(3)平移5个状态后两种方法测量结果对比,结论1.两种方法测得的应变变化趋势非常一致，相对误差比较稳定；2.将引伸计的测量结果向后平移5个状态，两种方法测量结果几乎重合，分析原因可能是引伸计刚开始拉伸时发生了打滑。,48,6.结论与展望,展望数字图像相关法与电子显微镜用于细微观测量的研究；数字图像相关法在高速运动测量和高温变形测量等方面的应用研究。,结论基于数字图像相关法研究并实现三维变形测量系统；研究并实现了像机的高精度标定；研究并实现了散斑图像处理的自动化；研究并实现了物体表面轮廓、表面