專利名稱：一種新的工程結構與材料變形測量技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光力學圖像分析領域中工程結構與材料變形的測量技術。
背景技術：
對工程領域結構或者材料表面在某種原因作用下所產生的變形進行測量，是很多工程領域都可能遇到的問題。常用的方法是電測量與機械測量，這兩種方法都屬于接觸式的點測量方法。目前應用最多的是電測量，通過引線做近距離測試，此方法除了對變形的大小程度有一定的限制外，也不能用于剛體的位移測量。近年來，光學測試技術發(fā)展很快，如干涉類光學方法，這類方法對實驗環(huán)境有較高的要求，如要求防震條件、需要條紋處理等。另一類是利用光學圖像識別技術，如數(shù)字散斑相關方法(Sutton MA，McNeill SR，Helm JD，and Chao YJ(2000)，Advances in two-dimensional andthree-dimensional computer vision，P.K.Photomechanics，Topics in Applied Physics，77，323-372)等。與電測量相比，此方法具有非接觸、光路簡單且避開了條紋處理等優(yōu)點，但是，該方法的數(shù)學基礎是基于小變形理論，對于較大的變形測量不適用。上述方法在工程領域應用方面都具有一定的局限性，到目前為止，尚缺乏在大的變形范圍內(包括小變形、有限變形、大變形、剛體變形等)能夠方便、準確地測量工程領域結構或者材料變形的技術。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種可用于工程領域結構與材料變形的測量技術，該技術能夠對被測物體由于某種因素而引發(fā)的變形及變形過程進行有效的光學測量。
本發(fā)明通過建立一套完整的、基于光力學及圖像處理的特征點識別技術來達到此目的。這種新的工程結構與材料變形測量技術采用光源(1)，CCD攝像機(2)，三維移動臺(3)和控制計算機與分析識別系統(tǒng)(4)。在被測物體表面制作或者選取數(shù)個能描述結構變形的‘特征點’，調整光源(1)和CCD攝像機(2)以得到高質量的特征點視頻信號，調整三維移動臺(3)使被測物體的法向垂直于CCD攝像機(2)的軸線。由CCD攝像機(2)攝取物體變形前后或不同變形時刻的特征點圖像，攝取的視頻信號傳入控制計算機(4)，經模數(shù)轉換成數(shù)據(jù)文件并存于計算機中。通過建立在相關原理基礎上的計算機特征點分析與識別系統(tǒng)，可實現(xiàn)被測物體變形的測量。即由‘特征點’相關系數(shù)準則得到工程結構或者材料的變形量。該技術以被測物體表面的自然特征點或者人工特征點為識別對象，在變形過程中，通過圖像采集系統(tǒng)對物體表面的識別對象進行跟蹤采集，由計算機圖像分析與識別技術進行變形分析，從而實現(xiàn)被測物體的變形或者變形過程進行測量。


圖1是本發(fā)明的測試設備裝置圖。圖中1—光源；2—CCD攝像機；3—三維移動臺；4—控制計算機。
圖2是本發(fā)明的計算程序流程圖。
實施方式變形信息的載體是特征點，首先要在被測物表面提取或備制特征點。
以下結合附圖1敘述該技術的測量過程。調整光源(1)和CCD攝像機(2)以便得到清晰的特征點視頻信號，調整三維移動臺(3)使被測物體的法向垂直于CCD攝像機(2)的軸線。在物體變形前，由CCD攝像機攝取物體表面的特征點圖像，攝取的圖像傳入控制計算機(4)，并且由計算機中圖像采集卡的模數(shù)轉換成為數(shù)字圖像，存在計算機中形成數(shù)據(jù)文件。在檢測過程中各儀器設備均不可移動，隨著物體的變形，此圖像采集系統(tǒng)記錄了物體在不同變形時刻的表面圖像。在變形前的圖像中選定一個以特征點為中心的子區(qū)域，作為測量的參考子區(qū)，記為f。然后，在變形后的散斑場中尋找與參考子區(qū)相對應的那個子區(qū)，記為g。即尋找特征點變形后的位置。只要找到了二者之間的對應關系。就可以提取此特征點的變形量。
為了判斷所找到的特征點是否是測量所想找到特征點，用數(shù)學模型來衡量這兩個特征點相似程度的標準，這個標準選用g與f的互相關系數(shù)即C=Σ(fi(x,y)-f‾)·(gi(x*,y*)-g‾)Σ(fi(x,y)-f‾)2·Σ(gi(x*,y*)-g‾)2]]>式中(x，y)和(x*，y*)分別是兩個子區(qū)中任一點的坐標，f(x，y)和g(x*，y*)分別是子區(qū)中那一點的灰度值，f和g分別是子區(qū)f和g中各點灰度值的平均值。子區(qū)中任一點(x，y)和(x*，y*)之間的關系可由下式來表示x*＝x+uy*＝y(tǒng)+v
相關系數(shù)反映了兩個子區(qū)間的相似程度，相關系數(shù)等于1為完全正相關，等于0為完全不相關。一般相關系數(shù)取極大值時，二者是對應的，即求解相關系數(shù)的極大值，可實現(xiàn)變形量的提取。
上述的計算過程可通過標記點分析與識別軟件來完成。計算程序流程如圖2。由流程圖可以清楚看出測試過程，將不同時刻的圖像讀入軟件后，通過粗—細搜索過程，得到特征點變形后的位置，從而得到特征點的變形信息。
本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個方面1、本發(fā)明可用于工程現(xiàn)場測試，對被測物本身和引起被測物變形的原因沒有特別的限制，如測試對象可為材料試件、工程結構，致使被測物變形的原因可為力載荷、溫度、濕度等，因此應用領域寬。
2、本發(fā)明在較大的變形范圍內具有較高的測試精度。仿真實驗表明，在真實應變?yōu)?a)ε1x＝0，ε1y＝0；(b)ε1x＝0.25，ε1y＝0.1；(c)ε1x＝0.5，ε1y＝-0.2的情況下，測試結果為(a)ε1x＝0，ε1y＝0；(b)ε1x＝0.2510，ε1y＝-0.1005；(c)ε1x＝0.5119，ε1y＝-0.1965。
3、本發(fā)明能夠用于各種材料力學機械性能的測量，如彈性模量、泊松比、塑性與強度極限、斷裂韌度、應力強度因子等。
權利要求
1.一種新的工程結構與材料變形測量技術，采用光源(1)，CCD攝像機(2)，三維移動臺(3)和控制計算機(4)，其特征在于在被測物體表面制作或者選取數(shù)個能描述物體變形的‘特征點’，調整光源(1)和三維移動臺(3)并使被測物體的法向垂直于CCD攝像機(2)的軸線，由CCD攝像機(2)攝取物體變形前、后或不同變形時刻特征點的圖像，攝取的信號傳入控制計算機(4)并形成數(shù)據(jù)文件，由‘特征點’相關系數(shù)判斷準則實現(xiàn)被測物體變形的測量。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種可用于工程結構與材料變形進行高精度測量的特征點分析與識別技術。這種新的工程結構與材料變形測量技術采用光源、CCD攝像機、三維移動臺和控制計算機與分析識別系統(tǒng)。在被測物體表面制作或者選取數(shù)個能描述結構變形的‘特征點’，通過CCD攝像機獲取物體變形前后或不同變形時刻特征點的圖像，攝取的視頻信號傳入控制計算機并形成數(shù)據(jù)文件。由‘特征點’相關系數(shù)判斷準則來實現(xiàn)被測物體變形的測量。本發(fā)明的優(yōu)點是可用于工程現(xiàn)場測試，對被測物本身和引起被測物變形的原因沒有特別的限制，而且能夠用于各種材料力學機械性能的測量，如彈性模量、泊松比、塑性與強度極限、斷裂韌度、應力強度因子等。
文檔編號G01N21/88GK1458528SQ0312873
公開日2003年11月26日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權日2003年5月7日
發(fā)明者亢一瀾, 王懷文, 張志鋒, 富東慧 申請人:天津大學