[發明專利]一種基于弱形式的數字圖像相關應變場計算方案

有效

• 申請號: 201710927051.2
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107726991B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 董雷霆;楊秋紅;賀雙新
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G06T7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種基于弱形式的數字圖像相關應變場計算方案，實現步驟包括：設置數字圖像相關測量系統，包含待測試件、光源、照相機、計算機；使用CCD相機采集變形前的圖像和變形后的圖像；使用一定的搜索方法求出位移場；根據使用弱形式方法處理位移場導出的解析應變場表達式，直接計算出應變場。該計算方案在數字圖像相關方法的基礎上，利用弱形式方法，實現了將離散位移微分轉移到對檢驗函數的微分，將數值微分運算轉變成積分運算，從而有效的抑制位移場中噪聲的影響。對比現有技術，本發明在位移場急劇變化時同樣適用，即使用范圍更廣；且具有參數選取導向明確的特點。

技術領域

本發明屬于數字圖像處理技術、光測力學、工程材料力學性能測試、構件變形測量等領域，具體涉及一種基于弱形式的數字圖像相關應變場計算方法。

背景技術

工程結構或材料廣泛應用于航空航天、建筑工程等諸多領域。對結構和材料性能和物理參數的測試非常重要。變形的測量是結構和材料性能和物理參數的測試中必不可少的環節，其中包括位移和應變的測量。位移和應變不僅是了解工程結構或材料的承載能力、工作性能和安全程度的重要依據，而且是工程施工控制、監測及質量評定的重要參數。也是研究新材料力學機制的重要方法，為工程中的實際問題提供了設計依據。傳統的變形測量方法大多是接觸式的測量方法，因其接觸式測量的局限性，對周圍環境條件比較敏感，有時很難保證測量的精度。在非接觸式測量技術中，數字圖像相關法是一種新型的非接觸式光學測量方法，廣泛應用于多種工程領域和學科領域。數字圖像相關法具有非接觸式、全場測量、數據采集過程簡單、測量環境要求低等特點，但現有的數字圖像相關法還具有應變測量精度低、無法應用于急劇變化的應變場、計算精度和計算速度低、無法做到實時測量等缺點，這大大限制了其在工程中的應用。

在數字圖像相關法(DIC)中，用于計算位移和應變的方法有許多，例如傳統的牛頓-拉夫遜法(NR)和迭代最小二乘法(ILS)等。但由于CCD相機實際采集的數據往往存在噪聲，因此計算出的位移場和應變場也包含噪聲。通常情況下，計算出的含噪聲的位移場能夠滿足工程需要，但應變場由于所含噪聲太大，無法直接使用。因此可以用NR或ILS等算法計算出的位移數據重新計算應變。因為應變等于位移的微分運算，由于位移存在噪聲，簡單的數值微分運算無法達到降低噪聲的目的。例如傳統的計算數值微分的中心差分法，會放大噪聲。

為了降低噪聲的影響，提高應變的計算精度，人們提出了許多算法，但都存在參數選擇標準不明確、使用范圍有限等問題。例如迭代最小二乘法(PLS)是DIC中廣泛應用的應變計算方法，如文獻B.Pan,J.Yuan,and Y.Xia,“Strain field denoising for digitalimage correlation using a regularized cost-function,”Opt.Lasers Eng.65,9–17(2015).所述，PLS法具有明顯的降噪作用，但它的不足在于計算窗口的選擇對結果影響較大，且有一定的使用范圍，即應變場不能急劇變化。在急劇變化的應變場中，無論選擇什么樣的計算窗口，結果都不準確。為了解決這些問題，人們還在繼續尋找更好的計算方法，使之能夠降低噪聲的影響，提高計算精度，且能適用于更加普遍的情況。

為了降低噪聲的影響，提高應變的計算精度，本發明提供了一種新的計算方案，求出了應變的解析表達式，不僅能抑制位移中噪聲對應變的影響，且具有適用范圍更廣和參數選擇標準明確的優點。

發明內容

本發明的目的是針對現有數字圖像相關(DIC)方法在計算應變方面精度和應用范圍窄的技術問題，提供一種能夠抑制噪聲的影響、使用范圍更廣、參數選取更明確的基于弱形式的數字圖像相關應變計算方案。

為實現上述目的，實現本發明的計算方案是：設置數字圖像相關測量系統，包含待測試件、光源、照相機、計算機；使用CCD相機采集變形前的圖像和變形后的圖像；確定相關函數(如最小平方距離相關函數)和搜索算法(如Newton-Rapshon方法)，求出位移場；使用弱形式方法導出的應變解析表達式處理位移場，最終計算出應變場。