【优秀硕士博士论文】多尺度板料成形应变场三维检测研究

博士学位论文多尺度板料成形应变场三维检测研究申请人胡浩学科专业机械工程指导教师梁晋教授2014年6月RESEARCHONTHREEDIMENSIONALFULLFIELDSTRAINMEASUREMENTFORSHEETMETALFORMINGADISSERTATIONSUBMITTEDTOXIANJIAOTONGUNIVERSITYINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTFORTHEDEGREEOFDOCTOROFENGINEERINGSCIENCEBYHAOHUMECHANICALENGINEERINGSUPERVISORPROFJINLIANGJUNE2014论文题目多尺度板料成形应变场三维检测研究学科专业机械工程申请人胡浩指导教师梁晋教授摘要板料成形过程中和成形后的应变分布是对板料成形性能进行有效评估的前提和基础。为克服传统手工检测等应变测量方法在板料成形分析中暴露出的效率低、精度差等缺陷，并满足大变形、大尺寸、小尺度三种情况下板料成形应变场测量的要求，提出并实现多尺度板料成形应变场的三维检测方法。围绕数字图像相关法、工业近景摄影测量技术以及体式显微视觉测量技术展开研究，拟解决的主要问题包括大变形弱相关图像匹配、多相机全局标定、显微立体视觉光路标定、大尺寸变形测量整体精度控制、三维全场应变重建以及板料成形性能分析等。研究成果对于板料成形性能的评测及分析具有重要的理论和实际意义。本文的主要研究内容和所获成果总结如下（1）提出板料成形三维应变场的动态检测方法。针对板料成形大挠度塑性变形情况下图像相似程度低，难以进行相关匹配的问题，根据系列变形图像相邻状态变形的连续性，提出一种大变形分步匹配算法；同时为了提高图像匹配的速度，提出一种基于种子点的图像快速、稳定匹配算法。为实现三维应变的准确重建，提出一种基于10参数非线性成像模型的高精度相机自标定方法。实验结果表明所提出的匹配算法能够有效测量高达649的变形；所提出的标定方法能够实现多相机内外参数的整体一次性解算，标定结果的重投影误差小于005个像素；利用标定结果测量高精度标准尺长度，相对误差小于1/4000，能够满足三维应变测量对相机标定精度的要求。（2）提出大尺寸板料网格应变的自动检测方法。针对大尺寸板料变形分块测量累计误差较大的难题，提出全局关键点与局部细节变形整体解算的大尺寸多分辨率三维网格应变检测方法。为实现网格节点的快速识别，提出一种阀值自适应局部二值化算法；为保证自由拍摄的各幅图像之间同名网格节点的稳健匹配，引入一种基于邻域约束的网格节点快速匹配算法；为克服多视三维重建时多条极线不严格相交的问题，通过在多极线约束下寻求多簇空间射线最佳准交点的方法进行高精度三维重建；为建立大量网格节点之间的拓扑关系，提出一种快速四边形网格生成方法；最后利用全局控制点将多个分块区域的局部测量结果统一到全局坐标系下，以消除传统大尺寸分块测量过程中产生的拼接累积误差。（3）提出一种用于微小尺度变形、应变检测的显微立体视觉测量方法。针对显微立体视觉测量中光路难以准确标定的问题，将透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法相结合，提出一种高精度的显微视觉光路标定方法。深入分析了体式显微视觉的光路结构及成像模型，设计并通过光刻方法制作了显微标定参考物，提出并详细说明了标定的具体步骤。对影响测量精度的主要因素进行分析，提出一种散斑图像光照不均匀的校正方法和一种基于平均灰度梯度的散斑质量评价算法。最后借助于体式显微镜，搭建显微立体视觉小尺度测量装置，并利用高精度四轴位移台对所提出的标定方法进行精度验证。实验结果表明所提出的方法能够有效用于显微视觉复杂光路的标定，标定后位移测量的相对精度优于1。（4）研究并实现板料成形性能参数的实验测定。重点研究了板料成形性能评估时最为常用的成形极限图（FLD）和塑性应变比（R）的测定方法。针对板料成形实验中极限状态难以判断的问题，引入一种利用应变历史曲线来判定极限状态的方法，即利用应变场截面线在颈缩区域内外等间距的建立若干节点，通过分析这些节点的应变变化趋势来判断板料成形的极限状态。在此基础上，借助于自研的图像采集装置和板料成形试验机，研制一套稳定、高效的板料成形极限曲线测定系统。另外，基于本文提出的动态应变测量技术，研究实现一种较为实用的塑性应变比测定方法，并进行了实验验证和分析。在上述理论技术和算法的基础上，通过系列精度实验和实际应用验证了本文方法对于大变形、大尺寸以及小尺度三种情况下三维全场应变测量的可行性、准确性和稳定性。所提出的板料成形应变检测方法，为不同工况下板料成形性能的研究和分析提供一种准确、快速的解决方案。关键词板料成形；应变检测；图像相关法；摄影测量；显微视觉论文类型应用研究TITLERESEARCHONTHREEDIMENSIONALFULLFIELDSTRAINMEASUREMENTFORSHEETMETALFORMINGSPECIALITYMECHANICALENGINEERINGAPPLICANTHAOHUSUPERVISORPROFJINLIANGABSTRACTSTRAINDISTRIBUTIONDURINGANDAFTERTHESHEETMETALFORMINGPROCESSESPLAYSAPRINCIPALROLEINTHEESTIMATIONOFITSFORMABILITYTOOVERCOMETHEVARIOUSLIMITATIONSOFTHETRADITIONALSTRAINMEASUREMENTMETHODSANDTOMEETTHESTRAINMEASUREMENTREQUIREMENTSATTHEHARSHCONDITIONSOFSHEETMETALSTAMPING,THEORYANDAPPLICATIONRESEARCHESONTHREEDIMENSIONAL3DFULLFIELDSSTRAINMEASUREMENTBASEDONDIGITALIMAGECORRELATION,INDUSTRIALPHOTOGRAMMETRYANDSTEREOMICROSCOPEAREDEEPLYANDSYSTEMATICALLYCARRIEDOUTINTHISTHESISTHEAPPLIEDKEYISSUESWHICHINCLUDEIMAGEMATCHINGFORLARGEDEFORMATION,MULTICAMERAGLOBALCALIBRATION,STEREOMICROSCOPECALIBRATION,ESTABLISHMENTOFPRECISE3DCOORDINATECONTROLNETWORKFORLARGESPACEMEASUREMENTANDEVALUATIONOFSHEETMETALFORMABILITYAREINVESTIGATEDRESEARCHWORKANDACHIEVEMENTSHASIMPORTANTTHEORETICALANDPRACTICALSIGNIFICANCEFORSHEETMETALDEFORMATIONMEASUREMENTTHEMAINRESEARCHCONTENTSANDACHIEVEMENTSAREASBELOWS1ADYNAMIC3DFULLFIELDSOPTICALMETHODBASEDONDIGITALIMAGECORRELATIONISPROPOSEDFORDEFORMATIONANDSTRAINMEASUREMENTDURINGSHEETMETALFORMINGTOSOLVETHEPROBLEMOF“WEAKCORRELATIONMATCHING”FORTHESTRAINMEASUREMENTOFSHEETMETALATTHELARGEDEFORMATIONSITUATION,AFRACTIONIZEDMATCHINGALGORITHMBASEDONDEFORMATIONCONTINUITYOFADJACENTIMAGESEQUENCESISPROPOSEDTOPROVIDEABETTERIMAGEMATCHINGRESULTSASEEDPOINTBASEDIMAGEMATCHMETHODISDEVELOPEDFORROBUSTANDFASTIMAGEMATCHINGTOIMPROVETHEACCURACYOF3DSTRAINRECONSTRUCTION,ANACCURATECAMERACALIBRATIONALGORITHMISDEVELOPEDBASEDONTHE10PARAMETERDISTORTIONMODELEXPERIMENTALRESULTSDEMONSTRATETHATTHEPROPOSEDMATCHINGSTRATEGIESCANBEEFFECTIVELYUSEDTOMEASURETHELARGETENSILEDEFORMATIONUPTO649,THEPROPOSEDCALIBRATIONALGORITHMHASACONSIDERABLEACCURACYWITHAREPROJECTIONERRORLESSTHAN005PIXELSANDTHECALIBRATEDFOURCAMERAVIDEOGRAMMETRICSYSTEMCANACHIEVEARELATIVEACCURACYOF1/4000ONLENGTHMEASUREMENT,WHICHCANSATISFYTHEPRECISIONREQUIREMENTOFTHEVISIONMEASUREMENTWITHINLARGEFIELDOFVIEW2ACIRCULARGRIDPATTERNBASED3DSTRAINMEASUREMENTMETHODISPROPOSEDFORSTRAINDETERMINATIONOFTHELARGESCALESHEETMETALFORMINGINORDERTOIMPROVETHEOVERALLSPATIALMEASUREMENTACCURACYANDEFFICIENCY,AMULTIBLOCKSTRAINMEASUREMENTWITHTHECONCEPTIONOFMULTIRESOLUTIONGRIDISPRESENTEDTOESTABLISHAHIGHPRECISIONMEASURINGCONTROLNETWORKFORELIMINATINGTHEERRORACCUMULATIONOFTHEMULTIBLOCKSTRAINMEASUREMENTACIRCULARGRIDPATTERNTHATCANBEDETECTEDAUTOMATICALLYISDESIGNEDANDANADAPTIVELOCALBINARIZATIONALGORITHMISPROPOSEDTODETECTTHEGRIDQUICKLYANDEFFICIENTLYAFASTMATCHINGALGORITHMUNDERNEIGHBORHOODCONSTRAINTISINTRODUCEDTORELIABLYPICKOUTTHEHOMOLOGOUSIMAGEGRIDSTHENACCURACY3DRECONSTRUCTIONBASEDONMULTIVIEWCONSTRAINTISIMPLEMENTEDAFTERTHETOPOLOGYOFTHEGRIDNODESISBUILTWITHAQUADRILATERALMESHGENERATIONALGORITHM,THESTRAINCANBECACULATEDACCORDINGTOTHECHANGESOFTHEGRIDSIZESFINALLY,ALLTHELOCALMEASURINGRESULTSARETRANSFORMEDTOGLOBALCOORDINATESYSTEMANDTHEERRORACCUMULATIONCANBEELIMINATEDEFFECTIVELY3ASTEREOMICROSCOPEVISIONMETHODISDEVELOPEDFORDEFORMATIONANDSTRAINMEASUREMENTATTHEMICROSCALEANACCURATECALIBRATIONMETHODFORSTEREOMICROSCOPEMEASUREMENTISPROPOSEDBYCOMBININGTHEPROJECTIONMODEL,THENONPARAMETRICDISTORTIONMODELANDTHEBUNDLEADJUSTMENTALGORITHMACALIBRATIONTARGETISDESIGNEDANDMADEUSINGTHELITHOGRAPHYMETHODTHEDISTORTIONCORRECTIONFIELDSISOBTAINEDBASEDONTHENONPARAMETRICDISTORTIONMODEL,RESULTINGINACOMPLETEMICROIMAGINGMODELTHEN,THECALIBRATIONCALCULATIONISPERFORMEDBYUSINGTHEBUNDLEADJUSTMENTALGORITHMFINALLY,THEFACTORSTHATAFFECTTHEMEASUREMENTACCURACYAREANALYSEDANDTHETWOMETHODSFORIMAGEBRIGHTNESSCORRECTIONANDQUALITYEVALUATIONAREPRESENTEDANDVERIFIEDSEPARATELYTOVALIDATETHEPERFORMANCEOFTHEPROPOSEDMETHOD,ASTEREOMICROSCOPESETUPISDEVELOPEDBYUSINGANELECTRONICALLYCONTROLLEDDISPLACEMENTSETUP,EXPERIMENTSFORMICROSCOPICCALIBRATIONANDDISPLACEMENTMEASUREMENTARECONDUCTEDEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEFOCALLENGTHANDTHERELATIVEORIENTATIONPARAMETERSOFTHEINTERNALOPTICSOFTHESETUPCANBEOBTAINED,ANDTHEDISPLACEMENTMEASUREMENTACCURACYISBETTERTHAN14DETERMINATIONOFSHEETMETALFORMINGPARAMETERSISDISCUSSEDANDIMPLEMENTEDUSINGEXPERIMENTALMETHODINCONTRASTTOTHESTANDARDIZEDEVALUATIONMETHODDESCRIBEDINTHESTANDARDISO120042,ATIMEDEPENDENTMETHODFORFORMINGLIMITDIAGRAMFLDDETERMINATIONISUSEDBYCREATINGSECTIONSINTHEMEASUREDSTRAINFIELDSANDDETECTINGTHECRITICALDEFORMATIONSTAGETHEONSETOFNECKINGACCORDINGTOTHESTRAINHISTORYWITHOURSELFDEVELOPEDIMAGEACQUISITIONINSTRUMENTANDASHEETMETALBULGINGSETUP,AFLDEXPERIMENTALDETERMINATIONSYSTEMISDEVELOPEDANDAPRACTICALMETHODTODETERMINEPLASTICSTRAINRATIOVALUEOFSHEETMETALISPROPOSEDBASEDONTHEABOVEMENTIONEDDYNAMICSTRAINMEASUREMENTANDTHETESTFORPLASTICSTRAINRATIODETERMINATIONISCONDUCTEDTOVALIDATETHEPERFORMANCEOFTHISMETHOD5ASERIESOFEXPERIMENTSARECARRIEDOUTTOCONFIRMTHEACCURACY,EFFECTIVENESSANDRELIABILITYOFTHEPROPOSEDMETHODSANDSYSTEMSEXPERIMENTALRESULTSINDICATETHATTHEALGORITHMANDSYSTEMDEVELOPEDINTHISPAPERISEFFECTIVEANDRELIABLEATLARGEDEFORMATION,LARGESCALE,MICROSCALEANDHIGHTEMPERATUREWELDINGSITUATIONS,ANDPROVIDESANACCURATEANDFASTSOLUTIONFOREVALUATIONANDANALYSISOFTHESHEETMETALFORMABILITYKEYWORDSSHEETMETALFORMINGSTRAINMEASUREMENTDICPHOTOGRAMMETRYSTEREOMICROSCOPETYPEOFDISSERTATIONAPPLIEDRESEARCH目录1绪论111课题背景与项目来源1111课题背景1112项目来源112板料成形应变测量方法的研究现状2121常用应变测量方法概述2122网格应变分析方法3123基于数字图像相关法的应变测量方法513现有研究的主要问题及本文拟解决的关键问题8131现有研究的主要问题8132本文拟解决的关键问题914本文的主要研究内容、目的意义及技术路线9141主要研究内容9142研究目的及意义9143研究技术路线1015章节安排112大变形三维全场应变动态检测1221引言1222三维全场应变动态检测12221检测流程12222双目视觉技术13223数字图像相关法14224三维全场变形应变重建1623大变形弱相关图像的匹配17231种子点快速匹配18232弱相关图像分步匹配19233快速迭代计算1924高精度双/多目相机标定21241相机成像模型21242镜头畸变模型22243基于摄影测量的相机自标定23244大视场多相机全局标定2525验证实验27251大变形匹配实验27252双目相机标定实验30253四目相机标定实验3226本章小结353大尺寸板料成形三维应变场检测3631引言3632大尺寸三维网格应变检测36321摄影测量的基本原理36322摄影测量三维网格应变检测37323大尺寸多分辨率三维网格应变检测3833网格制备及编码点布置39331网格制备39332编码点布置及图像采集4134网格节点的高精度三维重建42341网格节点和编码标志点的自动检测42342网格节点的快速、稳健匹配47343多极线高精度三维重建5035密集网格拓扑关系建立5436多块局部数据拼接5537本章小结564微小尺度三维变形场动态检测5741引言5742显微立体视觉系统的成像模型57421体式显微视觉结构57422针孔成像模型58423畸变校正和完整成像模型5843高精度显微立体视觉光路标定6044DIC应变测量的误差分析63441主要影响因素63442散斑图像光照不均匀校正65443散斑图像的质量评价6645显微立体视觉光路标定实验7046本章小结765板料成形性能参数的实验测定7751引言7752板料成形性能参数77521成形性能参数分类77522成形极限图78523塑性应变比7853成形极限图的测定79531极限状态的判定79532应变路径的获取方式81533FLD实验系统的开发8254塑性应变比的计算84541计算方程推导84542塑性应变比测定实验8555本章小结876板料成形三维变形应变测量实验与应用8861引言8862精度测试及验证分析88621双目三维动态应变检测实验88622网格应变测量精度对比实验90623显微应变检测试验9263应用实验与分析94631板料FLD测定实验94632汽车覆盖件全方位应变检测98633微胀形实验10064薄板焊接高温变形测量102641实验方案102642实验结果10365本章小结1047结论与展望10571结论10572创新点10673展望106参考文献108致谢115攻读学位期间取得的研究成果116声明CONTENTS1PREFACE111RESEARCHBACKGROUNDANDPROJECTSOURCE1111RESEARCHBACKGROUND1112PROJECTSOURCE112REVIEWOFRECENTDEVELOPMENTATHOMEANDABROAD2121REVIEWOFSTRAINMEASUREMENTMETHOD2122CIRCULARGRIDBASEDSTRAINMEASUREMENT3123DIGITALSPECKLEBASEDSTRAINMEASUREMENT513THEMAINPROBLEMSOFEXISTINGRESEARCHANDTHEKEYPROBLEMSTOBESOLVED8131THEMAINPROBLEMSOFEXISTINGRESEARCH8132THEKEYPROBLEMSTOBESOLVED914THEMAINRESEARCHCONTENTS,PURPOSE,SIGNIFICANCEANDTECHNOLOGYFLOW9141THEMAINRESEARCHCONTENTS9142THEPURPOSEANDSIGNIFICANCE9143THETECHNOLOGYFLOW1015THECHAPTERARRANGEMENT112DYNAMICSTRAINMEASUREMENTFORSHEETMETALLARGEDEFORMATION1221PREFACE1222DYNAMICSTRAINFIELDSMEASUREMENTSCHEME12221MEASUREMENTPROCESSESANDPRINCIPLES12222PRINCIPLEOFBINOCULARSTEREOVISION13223PRINCIPLEOFDIC14224RECONSTRUCTIONOF3DDISPLACEMENTANDSTRAIN1623WEAKCORRELATIONIMAGEMATCHINGSCHEME17231SEEDPOINTMATCHING18232FRACTIONIZEDMATCHING19233FASTITERATIVECALCULATION1924ACCURATEMUTICAMERACALIBRATION21241CAMERAIMAGINGMODEL21242LENSDISTORTIONS22243PHOTOGRAMMETRYBASEDCAMERACALIBRATION23244GLOBALCALIBRATIONFORMUTICAMERASYSTEM2525EXPERIMENTS27251LARGEDEFORMATIONTESTING27252BINOCULARVISIONSYSTEMCALIBRATIONEXPERIMENT30253THEFOURCAMERAVIDEOGRAMMETRICSYSTEMCALIBRATIONEXPERIMENT3226BRIEFSUMMARY353GRIDBASEDSTRAINMEASUREMENTFORLARGESCALESHEETMETALFORMING3631PREFACE3632THEMEASURINGPRINCIPLEANDPROCESS36321THEPRINCIPLEOFPHOTOGRAMMETRY36322CIRCULARGRIDSTRAINMEASUREMENTBASEDONPHOTOGRAMMETRY37323MULTIRESOLUTIONSTRAINMEASUREMENTFORLARGESCALESHEETMETALFORMING3833CIRCULARGRIDPREPARATIONANDCODEDTARGETARRANGEMENT39331CIRCULARGRIDPREPARATION39332CODEDTARGETARRANGEMENT4134THE3DRECONSTRUCTIONOFTHEGRIDNODES42341DETECTIONOFGRIDNODESANDTARGETS42342GRIDNODESROBUSTMATCHING47343MUTIEPIPOLARRECONSTRUCTION5035ESTABLISHMENTOFTHETOPOLOGICALRELATIONAMONGTHEGRIDNODES5436GLOBALREGISTRATIONFORMULTIBLOCKMEASURINGAREA5537BRIEFSUMMARY564SMALLSCALESTRAINMEASUREMENTBASEDONSTEREOMICROSCOPE5741PREFACE5742THEIMAGINGMODELOFTHESTEREOMICROSCOPE57421THEOPTICALSTRUCTUREOFTHESTEREOMICROSCOPE57422PROJECTIONMODEL58423DISTORTIONANDCOMPLETEIMAGINGMODEL5843MICROSCOPICIMAGINGSYSTEMCALIBRATION6044THEFACTORSAFFECTINGTHEMEASUREMENTACCURACY63441THEMAINFACTORS63442THEUNEVENILLUMINATIONCORRECTION65443THEOPTIMALSUBSETSIZESELECTION6645CALIBRATIONEXPERIMENT7046BRIEFSUMMARY765EXPERIMENTALDETERMINATIONOFTHEFORMABILITYPARAMETERSOFSHEETMETAL7751PREFACE7752THEFORMABILITYPARAMETERS77521REVIEWOFTHETESTINGMETHODS77522FORMINGLIMITDIAGRAM78523PLASTICSTRAINRATIO7853FORMINGLIMITDIAGRAMMEASUREMENT79531FORMINGLIMITDETERMINATION79532THEFORMINGMETHODS81533DEVELOPMENTOFTHEFLDEXPERIMENTALSYSTEM8254PLASTICSTRAINRATIOCALCULATION84541THECALCULATIONPROCESS84542VALIDATIONEXPERIMENT8555BRIEFSUMMARY876EXPERIMENTANDAPPLICATION8861PREFACE8862THEACCURACYVERIFICATIONEXPERIMENTS88621THESPECKLEBASEDSTRAINMEASUREMENT88622THEGRIDBASEDSTRAINMEASUREMENT90623THEMICROSCOPICSTRAINMEASUREMENT9263APPLICATIONANDANALYSIS94631THEFLDMEASUREMENTEXPERIMENT94632THEAUTOMOTIVEPANELDEFORMATIONMEASUREMENTEXPERIMENT98633THEMICROSCOPICBULGINGEXPERIMENT10064DEFORMATIONMEASUREMENTDURINGSHEETMETALWELDINGPROCESSES102641EXPERIMENTALPROCEDURE102642EXPERIMENTALRESULTS10365BRIEFSUMMARY1047CONCLUSIONSANDSUGGESTIONS10571CONCLUSIONS10572INNOVATIONPOINTS10673SUGGESTIONS106REFERENCES108ACKNOWLEDGEMENTS115ACHIEVEMENTS116DECLARATIONEQUATIONCHAPTERNEXTSECTION11绪论11课题背景与项目来源111课题背景板料成形是一种非常重要的材料加工技术，在航空、航天、汽车、船舶等国民经济部门被广泛应用。其中，汽车制造业是板料制件最大的需求行业，汽车中冲压钣金件占其零件总数的75以上。另外，钣金件也是构成航空航天产品外形、结构和内装的主要零件，以飞机为例，钣金零件约占其零件总数的50以上1。并伴随着汽车、航空、航天等制造行业的快速发展，板料制件的市场需求会不断增长。最初的板料制件形状相对简单，能工巧匠通过反复实践掌握板料的成形性能，并不断修正模具即可获得合适的成形工艺。然而，现代社会对生产效率的要求越来越高，各种复杂的新材料、新工艺、新结构被广泛应用到生产实际中，使得基于人工经验的冲压成形工艺无法满足生产的需要，迫切需要科学的研究方法来获知和评估板料的成形性能，以便制定措施修正模具、优化成形工艺、提高板料制件的生产效率和成功率等。成形性能是板料对各种成形工艺的适应能力或难易程度，是板料制件从设计之初到冲压成形，再到成形后的质量检测，始终要考虑的一项重要参考依据。评定板料成形性能的参数中多数都与应变密切相关，如塑性应变比和以极限应变构成的成形极限图2,3FORMINGLIMITDIAGRAM,FLD等。然而，无论要获得板料的塑性应变比、FLD，还是对板料成形性能进行准确评估和有效分析，其前提和基础都要准确测量板料成形过程中或成形后的应变。112项目来源应变测量是板料成形性能分析和评估的基础。国际标准ISO12004122008和国标GB/T24171中给出的板料成形极限曲线的测定方法，就是直接根据应变结果进行计算的。然而，目前国内很多科研单位及企业由于缺乏新技术的支撑，现有的应变测量手段和设备还不能满足标准中的规定和实际测量的要求。国外已出现了商业化的三维光学应变测量设备，但价格昂贵且技术保密，国内的很多高校、研究所及企业无法承担如此高昂的费用。而国内在这方面的研究与国外差距较大，多数研究仍处于实验室阶段或者是面向某个具体问题的专门研究，成型的产品未见报道。近几年，随着摄影测量技术、图像处理技术、软件算法、计算机硬件及图像采集设备的快速发展，新方法、新技术及新应用不断涌现。在此背景下，针对板料成形三维应变场的测量急需，十分有必要深入开展三维视觉检测理论和方法的研究，并在关键技术、测量精度、测量效率以及稳定性等方面实现进一步的改进和发展，最终形成具有自主知识产权的板料成形应变测量及分析系统，以满足国内日益增加的应用需求，打破国外对先进变形、应变检测技术的封锁和垄断。本课题来自国家自然科学基金（大型飞机风洞试验的三维视频动态变形测量方法和实验研究，50975219），国家自然科学基金（微观尺度材料三维位移场与应变场的快速精密测量方法的研究，51275389），并得到苏州应用基础研究计划的资助（全场三维变形光学测量系统开发与研制，SYG201014）。12板料成形应变测量方法的研究现状121常用应变测量方法概述常用的应变测量方法按照测量方式的不同可分为两类接触式和非接触式。接触式应变测量方法主要有引伸计、电阻应变片以及机械式网格法等。非接触式应变测量方法指各种光学测量方法，包括数字全息技术、电子散斑干涉术、云纹干涉法、数字图像相关法和三维光学网格法等，根据测量原理进行划分，数字全息技术、电子散斑干涉术、云纹干涉法又属于光学干涉法；而三维光学网格法和数字图像相关法则属于光学非干涉法。1引伸计和应变片引伸计、电阻应变片技术上比较成熟，具有测量精度高、结果稳定、操作方便等优点，但是这类方法有很大的局限性，如不能用于微小试件、柔软物件的测量以及大变形情况下的应变测量；对于大型结构件需要多点测量的情况，引伸计不能使用，而粘贴应变片又非常的复杂费时。另外，由于引伸计、应变片测量时需与被测物接触，因此不可避免的会在一定程度上影响被测件的性能。2机械式网格法网格分析法是一种在板料表面印制规则的方形网格或圆形阵列，通过测量对比这些图案在变形前后形状参数来确定板料表面的应变的方法。机械式网格分析法就是使用工业软尺或工具显微镜等器械以手工方式测量出变形后的网格尺寸，通过与变形前的网格尺寸进行对比来确定钣件表面的应变大小4。这种方法的优点是原理简单、操作方便，不足之处是精度和效率均较低、测量范围有限，被测件尺寸不能太大。3数字全息技术数字全息技术是1967年由GOODMAN5提出的，该技术利用CCD等数字光学元器件来代替传统的光学全息干板来获取全息图像6,7。与传统的光学全息方法相比，数字全息技术不仅有传统全息技术的特点，而且具有自动化程度高、图像获取迅速、测量精度高以及不受光学系统非线性特征的影响等优点。但是由于目前数字全息技术所采用的光电元器件的尺寸为厘米级，分辨率为每毫米几百线，与传统的光学全息干板每毫米几千线的高分辨率相比相差甚远，限制了数字全息法测量对象的尺寸大小。4电子散斑技术电子散斑技术812也是一种发展较早的光学测量方法，该方法是在全息技术的基础上发展起来的，它使用电视摄像管代替全息照相干板获取散斑图像，与全息技术相比的优势在于它不需要高分辨率底片，能够直接反应物面变形和位移信息。电子散斑技术可以采用单光束或者双光束，其中单光束照明的电子散斑技术对离面位移比较敏感却对面内位移不敏感，与全息干涉类似。为了测量面内位移，则必须采用双平行光束照明光路。5云纹干涉法云纹干涉法是1979年由WEISSMAN等13发明的，这种方法将云纹法和全息干涉法进行结合，在保留了云纹法优点的基础上提高了测量灵敏度。与云纹法不同的是，云纹干涉法使用光波干涉与光栅衍射代替了低频栅线的结合叠加。因为采用了高密度衍射光栅作为试件栅，使得这种方法的测量灵敏度与全息干涉法和散斑干涉法相同，可以达到光波波长量级。6数字图像相关法数字图像相关法1416（DIGITALIMAGECORRELATIONMETHOD,DIC）是一种通过对变形前后采集的两幅物体表面的散斑图像进行相关计算，来求取物体表面变形场和应变场的测量方法。与其它的光学测量方法相比，数字图像相关法具有光路简单、对测量环境要求低等优点。所使用的光源可以是激光也可以是白光，物体表面的散斑可以是人工散乱斑点，也可以是被测量物的天然纹理。二维DIC使用一个相机，可以测量平面物体的面内位移及应变，三维DIC将立体视觉技术与DIC相结合，可以测量任意形状物体的三维位移及表面应变。7三维网格应变分析法三维网格应变分析法17以单个数码相机或者工业CCD相机从不同方位拍摄被测物的两幅或多幅网格图像，首先利用网格点的特征进行多幅图像间的同名网格节点的匹配，然后采用摄影测量技术对被测物表面的网格进行三维重建，最后根据变形前后网格的尺寸变化，计算得到被测物表面的应变。由于这种方法可以实现三维网格尺寸测量，因此测量结果更加精确，并可用于大尺寸板件成形的变形和应变检测。综上所述，由于板料成形是一个大挠度、大变形的复杂塑性变形过程，效率不高、量程有限的应变片等接触式测量方法在这种情况下显然无法实施。而数字全息技术、电子散斑技术、云纹干涉法三种光学干涉技术对测量环境要求较高，且光路复杂，通常被用在条件良好的实验室里。因此，本文对板料成形三维应变场检测的研究将重点围绕数字图像相关法和三维网格应变分析法展开。122网格应变分析方法网格应变分析方法是研究板料成形表面应变的常用方法，基本原理是在板料表面印制规则的方形网格或圆形阵列，通过测量对比这些图案在变形前后形状尺寸，来测定板料表面的应变。因此，如何快速准确获得网格变形前后的形状参数是网格应变测量方法的关键。传统的检测方法通常采用工业软尺或工具显微镜（见图11）直接对变形前后网格的参数进行读数和对比来获得应变，但这种方法由于依赖于人眼观测，因此测量精度较低、且效率不高。随着图像采集技术的发展，光学二维网格应变测量方法被提出，其原理是采用一个数码相机（CCD相机）进行图像的捕捉，通过机械平台或手持操作的方式找到最清晰的网格图像，再利用数字图像识别技术自动处理计算单个圆形的变形参数从而获取应变数据。如美国ASAME公司研制的GPA网格应变测量系统18（图12）。这种方法克服了人工读数的操作，减轻了劳动强度，但每次只能检测一个网格，因此效率不高，并且不能表达三维空间和全场应变分布信息。1989年，JHVOGEL和DLEE19首先将三维视觉测量技术引入到板料成形应变测量中，初步实现了板料成形应变检测的三维化和全场化技术，即三维网格应变分析法。国外在这方面的研究起步较早，各种三维网格应变分析技术被提出并迅速发展2025，概括起来可分为基于三维标定块的网格应变测量技术和基于摄影测量的网格应变测量技术，并且已经研制出商业化的网格应变测量分析系统，如美国ASAME公司的TARGET系统（图13），德国GOM公司ARGUS系统（图14）等。这种系统将网格分析法和视觉测量方法相结合，利用数码相机获取板料变形后的多幅网格图像，输入计算机内以后经过图像检测、匹配、三维重建、应变计算等处理后，即可计算得到钣金件表面各种应变数据。目前已被广泛用于通用、福特、波音、丰田等知名企业的生产、制造、模具开发以及塑性成形等领域。A工业软尺B工具显微镜图11机械式网格应变检测国内在80年代中期开始网格应变自动测量技术的研究并取得了一定的成果26,27。如上海交通大学的魏红芹等28,29应用圆形坐标网格对板料拉延件进行应变测量，并取得了良好的效果。2005年，北京航空航天大学板料成形研究中心开发出了网格应变测量和分析系统GMAS30。后来，徐亮31等通过在被测试件表面印制王字标记，针对金属材料进行拉伸试验来测量材料的应变。2007年，哈尔滨工业大学的郭斌等32发明了基于视觉分辨的非接触式应变测量方法并申请了专利，这一发明能够在微型器件或微成形材料的单向拉伸试验中精确地测量材料表面的应变。2010年，北方工业大学的张福生和景作军等33开发了基于双目立体视觉的板料应变测量系统，用于辊弯成形过程中金属板料表面应变的测量。2011年，上海交通大学钟敏等34利用二维网格应变测量方法研究了镁合金在不同温度下的成形极限。图12美国ASME公司生产的GPA系统图13美国ASME公司生产的TARGET系统图14德国GOM公司ARGUS系统123基于数字图像相关法的应变测量方法数字图像相关法自上世纪80年代由日本的YAMAGUCHI35和美国的PETERS等36同时独立提出后，国内外科研工作者围绕该方法进行了大量研究，在理论算法及应用方面均取得了显著的进步。目前，DIC方法已成为实验力学领域最重要的变形和应变测量手段。MASUTTON等37利用DIC方法测量了铝合金板在裂纹扩展过程中的变形场。VIKRANT等38将DIC方法与高速相机结合，研究了爆炸过程中板料的变形和应变。GRANT等39利用DIC方法测量了1100高温物体表面的应变场。MEGANEBLAND等40将DIC方法用于测量生物材料的力学性能，测量得到不同鸡胫骨的变形和应变场。HELFRICK等41将DIC方法用于振动结构变形及三维形貌的测量。WANG等42将DIC方法与多相机结合，测量了板料在整个杯突试验过程中的表面应变场。GIANCAN等43利用DIC方法研究了泡沫铝的剪切性能。国内，高建新等44最早对DIC方法进行了系统研究和最初应用。后来，清华大学金观昌课题组进一步将DIC方法用于陶瓷材料的无损检测45、岩石变形检测46以及生物软组织力学行为的实验研究47等。北京航空航天大学潘兵等将DIC方法用于测量薄膜的热膨胀系数48以及高温热变形检测实验49。天津大学亢一澜、李鸿琦课题组将DIC方法成功用于单纤维细丝力学性能实验50、高分子材料蠕变测试51以及压痕尺寸效应的研究52等。东南大学何小元课题组将DIC方法有效用于土木工程53,54、机械结构动力学特性测试55、板载芯片在热载荷下的表面热变形测量分析实验56等领域。华南理工大学张蕊等57利用DIC方法测量了钢绞线的拉伸弹性模量。南京航空航天大学叶南等58将DIC方法与双目立体视觉相结合，研制了一种板料成型极限应变测量系统BOSAS，用于薄板成形性能的研究和分析。在理论方面，如何提高DIC方法的计算精度和速度一直是国内外研究者关注的问题5961。1988年，MASUTTON等62从理论上深入分析了散斑图像采集、亚像素插值等影响DIC测量精度的主要因素，为后续提高计算精度的研究奠定了理论基础。2006年，潘兵等63,64利用模拟散斑图像分别研究了亚像素灰度插值及相关系数对DIC图像匹配精度的影响。后来，LECOMPTE等65研究了图像中散斑特征大小及分布对DIC测量结果的影响，并提出一种图像形态学方法来评估散斑图像质量。2009年，BORNERT等66定量分析了图像子区尺寸、亚像素插值以及变形映射函数等参数对图像匹配计算误差的影响，并给出了实际测量时如何提高DIC计算精度的建议。另外，为了提高DIC的计算速度，有学者将人工神经网络算法67、模拟退火算法68、遗传算法69等新型智能算法应用到DIC相关计算中，一定程度上提高了DIC的计算速度。2006年，ZHANG等70在DIC计算过程中引入一种粗细搜索的策略，在保证计算精度的同时提高计算的速度。2010年，HUANG等71提出一种快速递推算法来减小DIC相关搜索的计算量。2011年潘兵等72提出一种基于可靠初值估计的变形跟踪算法和一种基于查表法的亚像素灰度插值策略，进一步提高了DIC的计算速度。由于板料成形是一个大挠度的塑性变形过程，待匹配变形图像与参考图像间的相似程度很低，出现所谓“弱相关”的现象73，十分不利于DIC的快速准确计算，而传统的DIC方法只能测量弹性变形或近似均匀的变形，对于大变形或包含裂纹的非连续区域则无法准确测量。针对这一问题，2002年HILD等74提出一种多尺度大变形测量方法，基本原理是首先通过低分辨率估算变形量，然后逐步采用更精细的分辨率进行变形计算；尽管该方法可跟踪计算高达20的相对变形量，但仍不能测量板料大挠度的变形。2008年，RETHORE等75结合有限元的思想提出了一种扩展的DIC方法，可用于测量非连续的变形场。2010年，CHEN等人76在此基础上提出了一种两步扩展的DIC方法，可用于测量存在较大刚体位移的变形场。另外，相机镜头畸变也会对DIC方法的测量精度产生影响，特别是对于板料变形应变的测量。因此，必须通过高精度的相机标定方法来校正镜头的成像畸变，提高测量的精度。MASUTTON团队61详细介绍了相机标定的数学模型。2009年，潘兵等人77分析了镜头畸变对测量结果的影响，并提出了一种简单的相机镜头畸变估计和校正模型。2013年，PLREU78采用统计分析的方法研究了相机标定误差对DIC测量结果的影响，讨论了标定误差的主要影响因素，并给出了高精度DIC相机标定的建议。另外，将DIC方法与各种显微成像设备相结合来实现微纳米尺度的变形测量，也是近年来国内外研究者所关注的焦点。SCHREIER等人79,80将DIC方法与体式显微镜结合实现了三维微米级变形测量，并与微应变片测量进行了精度对比验证。后来，CORNILLE等人81在SCHREIER的研究基础上，将DIC