【摘要】：數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,簡(jiǎn)稱DIC)方法,以其光路簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境要求低、非接觸全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)發(fā)展為光測(cè)力學(xué)研究領(lǐng)域最為活躍的三維變形測(cè)量技術(shù)。然而,由于受到相機(jī)空間分辨率、圖像噪聲以及分析手段的制約,DIC方法的測(cè)量精度和測(cè)量范圍尚不能滿足大多數(shù)科學(xué)研究和工程測(cè)量的需求。進(jìn)一步提高DIC方法的測(cè)量精度、擴(kuò)大測(cè)量范圍已成為廣大學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的研究課題�；陔p相機(jī)及多相機(jī)視覺原理的數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法,可以用于多尺度下材料或結(jié)構(gòu)全表面,尤其是復(fù)雜表面三維形貌及變形測(cè)量。在多相機(jī)測(cè)量中,相機(jī)的位置與姿態(tài),即相機(jī)的外部參數(shù)是影響變形測(cè)量精度的重要因素,本文將通過優(yōu)化相機(jī)外部參數(shù)和相機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)校正,構(gòu)建高精度多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng),以滿足大范圍、高精度三維變形測(cè)量的需求。相機(jī)基線距和光軸夾角決定了相機(jī)的位置與姿態(tài),從雙相機(jī)視覺原理的數(shù)學(xué)模型出發(fā),分析兩者與測(cè)量誤差之間的關(guān)系,為雙相機(jī)測(cè)量尋找外部姿態(tài)參數(shù)的優(yōu)化范圍。結(jié)合外部參數(shù)優(yōu)化與實(shí)際測(cè)量要求,實(shí)現(xiàn)了小尺度復(fù)雜變形及界面滑移的高精度三維變形測(cè)量。利用人機(jī)交互小視場(chǎng)標(biāo)定方法,首次采用三維DIC方法記錄并分析呂德斯帶演化過程及運(yùn)動(dòng)特征,將呂德斯效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究拓展至三維小尺度范疇。還將三維DIC方法應(yīng)用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料-鋼界面黏結(jié)性能的實(shí)驗(yàn)研究中,對(duì)界面剝離擴(kuò)展過程進(jìn)行直接觀測(cè),獲得了比現(xiàn)有方法更為準(zhǔn)確的界面黏結(jié)-滑移關(guān)系。為解決雙相機(jī)測(cè)量柱形構(gòu)件時(shí)存在的視場(chǎng)受限、測(cè)量誤差大等問題,建立了離散布置多相機(jī)三維變形測(cè)量系統(tǒng),利用多套雙相機(jī)子系統(tǒng)同步測(cè)量柱形表面的不同區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了柱形構(gòu)件的高精度全周變形測(cè)量。由于測(cè)量過程中相機(jī)位姿變化會(huì)直接影響變形測(cè)量精度,采用基于散斑場(chǎng)的相機(jī)外參標(biāo)定方法,根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)參和散斑圖像相關(guān)匹配結(jié)果,使用相對(duì)定向算法計(jì)算相機(jī)之間的相對(duì)外參,實(shí)現(xiàn)相機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)校正,避免相機(jī)位姿變化引起的測(cè)量誤差。通過相機(jī)姿態(tài)變化實(shí)驗(yàn)和球墨鑄鐵容器跌落試驗(yàn),驗(yàn)證了相機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)校正的必要性和有效性。為玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼筋混凝土柱的軸壓試驗(yàn)搭建了離散布置多相機(jī)系統(tǒng),通過相機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)識(shí)別,對(duì)良好的測(cè)試環(huán)境和穩(wěn)定的系統(tǒng)安裝可以有效減小相機(jī)位姿變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證,并直觀再現(xiàn)了圓柱全周表面變形及破壞過程中的應(yīng)變分布規(guī)律。論文還利用離散布置多相機(jī)系統(tǒng),精確記錄了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固方鋼管的全周屈曲形態(tài),為鋼構(gòu)件的屈曲性能實(shí)驗(yàn)研究提供了直觀的三維測(cè)量方法。建立了連續(xù)布置多相機(jī)三維變形測(cè)量系統(tǒng),將多個(gè)相機(jī)統(tǒng)一至全局坐標(biāo)系下,形成一個(gè)整體的三維測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了大曲率及大長(zhǎng)細(xì)比全表面的高精度完整變形場(chǎng)測(cè)量。相機(jī)布置形式和視場(chǎng)重疊范圍,決定了多個(gè)相機(jī)之間的位姿關(guān)系,影響著多相機(jī)測(cè)量精度。論文對(duì)連續(xù)布置多相機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化布置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,四點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)、玻璃板平移實(shí)驗(yàn)和橡膠梁三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了系統(tǒng)的測(cè)量精度。以鋼筋灌漿套筒曲面變形測(cè)量為例,建立了針對(duì)大曲率復(fù)雜表面的連續(xù)布置多相機(jī)系統(tǒng),測(cè)量了套筒表面的三維形貌及變形,與雙相機(jī)測(cè)量、電阻應(yīng)變片以及有限元分析結(jié)果相比較,證明了該系統(tǒng)具有足夠的測(cè)量精度,為研究灌漿套筒的連接性能提供了全新的高精度測(cè)試手段。為了提高大長(zhǎng)細(xì)比全表面變形的測(cè)量精度,設(shè)計(jì)建立了連續(xù)布置多相機(jī)系統(tǒng),利用該系統(tǒng)進(jìn)行了珊瑚礁混凝土梁抗彎試驗(yàn),直觀記錄了梁表面變形分布及裂縫擴(kuò)展過程,DIC計(jì)算結(jié)果與位移計(jì)測(cè)量結(jié)果高度吻合,為大長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件提供了可靠的三維測(cè)量方法。論文根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求,從外部參數(shù)優(yōu)化和相機(jī)姿態(tài)識(shí)別兩個(gè)方面出發(fā),構(gòu)建多尺度下高精度的雙相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)和多相機(jī)測(cè)量系統(tǒng),大大提高了DIC方法的測(cè)量精度,擴(kuò)大了被測(cè)對(duì)象的測(cè)量范圍,在很大程度上滿足了工程材料及結(jié)構(gòu)的三維變形測(cè)量需求。
【圖文】：

以獲得待測(cè)點(diǎn)位移，由位描述。字圖像相關(guān)測(cè)量中的硬件系統(tǒng)進(jìn)行介2.3 小節(jié)介紹常用的線性成像模型和參數(shù)；在 2.4 小節(jié)對(duì)相機(jī)標(biāo)定方法進(jìn)介紹數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理，節(jié)總結(jié)本章主要內(nèi)容。步，照明可以從一定程度上增加目標(biāo)對(duì)于變形測(cè)量，，僅僅自然光是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不Light Emitting Diode）光源，采用直、環(huán)形等任何形狀的光源，適用范圍和加工的輸出功率為 25W、電壓為 2種光照強(qiáng)度的測(cè)試環(huán)境。

IDS[6]UI-3370CP CMOS 相機(jī)，圖像分辨率為 2048 × 2048 像素，最高相機(jī)采用 USB 3.0 接口，實(shí)際傳輸速率可達(dá)到 400 MB/s。多相機(jī)測(cè)量]GRAS-50S5M-CCCD相機(jī)，圖像分辨率為 2448×2048像素，擁有雙在保證數(shù)據(jù)傳輸帶寬的基礎(chǔ)上，同時(shí)滿足多相機(jī)串聯(lián)需求，如圖 2.3參數(shù)見表 2.1。表 2.1 兩款相機(jī)的主要參數(shù)號(hào)傳感器類型傳感器尺寸像元尺寸（μm）分辨率（像素）幀頻（幀/s）CPCMOS 1" 5.5 2048 ×2048 75 rey5M-CCCD 2/3" 3.45 2448 ×2048 15 就需要鏡頭，如圖 2.4 所示，鏡頭參數(shù)包括靶面尺寸、焦距、視場(chǎng)角口等。一般需要根據(jù)被測(cè)物尺寸、視場(chǎng)大小、工作距離等實(shí)際測(cè)量要寸和接口類型等參數(shù)進(jìn)行鏡頭選型。除此之外，相機(jī)的安裝和固定都用如圖 2.5所示的 Benro 碳纖維三腳架。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O348.1

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本文編號(hào)：2697740