[發明專利]一種三軸試驗試樣柱面變形全場測量的方法

在審

• 申請號: 201810375944.5
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108535097A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 桑勇;鄒德高;周晨光;劉京茂;趙健龍;季曉檬
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N3/06
• 分類號: G01N3/06;G01N1/28;G01B11/16
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種三軸試驗試樣柱面變形全場測量的方法，屬于測試計量技術領域，該方法基于二維散斑數字圖像相關技術的圖像測量方法基礎上，在單目相機圖像測量系統條件下，針對三軸試驗空間圓柱體試樣，提出了一種新的圖像畸變修正算法，實現對三軸試驗試樣柱面表面感興趣區域的全場變形測量，大大的提高了測量精度。本發明的效果和益處是：無需采用成本高的三維圖像測量系統，僅需單目相機就能夠獲取三軸試樣表面變形信息，測量成本低。發明中引入了散斑數字圖像相關方法，與傳統的離散的角點等示蹤標志方法相比，能有實現全場的變形測量，在土工樣品和實際工程中的有推廣和應用意義。

技術領域

本發明屬于測試計量技術領域，涉及土力學抗震研究中三軸試驗試樣表面變形場的測量，尤其是一種散斑數字圖像測量條件下實現非接觸式曲面變形場的測量方法。

背景技術

許多巨大而復雜的巖土工程也隨之涌現，土體在動力作用下的穩定和變形問題變得越來越重要，特別是由地震、風載荷和海浪等不同形式的振動載荷所引起的地基失效、基礎的失穩以及變形等問題急需解決，而對于這些復雜的土動力學問題的研究主要是通過實驗室內模擬試驗來進行。

實驗室內的模擬試驗通常借助于三軸試驗儀完成，為了便于試驗通常將三軸試驗試樣制作成圓柱體，試樣外面包裹橡皮膜研究土體的強度和變形特性。試樣表面變形測量技術是三軸試驗測試過程中尤為關鍵的技術之一。近年來，數字圖像處理和分析技術已經成為土木工程試驗測試一種重要的手段。基于數字圖像測量方法的土工三軸試驗試樣變形測量系統的發展主要分為兩個階段:一是通過邊緣檢測方法來跟蹤試樣的邊界，進而擬合出試樣的輪廓曲線來對體積變形進行計算。二是通過對三軸試驗試樣表面離散的角點測量和來分析試樣全表面徑向和軸向的分段平均應變。但在三軸試驗試樣中離散的角點等示蹤標志方法主要設置稠密的示蹤標志，其難度大導致的巖土細觀局部應變難以定量研究以及無法滿足高應變梯度區的要求等，具有無可避免的缺陷。

為了提高測量精度，并能夠實現全場測量。該發明采用散斑數字圖像相關方法作為三軸試驗試樣變形的測量方法。數字圖像相關方法是一種光學全場測量技術，用來確定在各種荷載作用下物體表面的面內的位移場和應變場信息。數字圖像相關方法通過處理變形前后被測對象表面的數字圖像直接獲得位移和應變信息。與通過角點識別等傳統的測量方法相比，具有試樣散斑制作簡單、全場變形測量、測量尺度范圍廣以及操作方便等突出的優點。但是在二維數字圖像相關方法對被測物體的變形狀態提出了要求：被測物體表面應是一個平面或近似為一平面。目前，在三軸試驗中所采用的單目相機數字圖像測量系統中，只是針對圓柱形的三軸試驗試樣實體表面正投影圖像的變形進行分析，而一般性的三軸試驗試樣為近似標準的空間圓柱體，忽略了對試樣正常拍攝條件下產生的圖像規則畸變的處理。為了打破對被測試樣表面為近似平面這一局限，而又避免在三維數字圖像相關方法的計算復雜度以及高成本的缺點。針對面內局部小扭曲變形的土工三軸試驗試樣，提出了一種新的柱面圖像畸變修正方法。

發明內容

本發明的目的提供一種經修正的土工三軸試驗試樣柱面變形的全場圖像測量方法，解決了目前采用離散的角點等示蹤標記方法設置稠密的示蹤標記難度大導致的巖土細觀局部應變難以定量研究的問題，并利用曲面展開原理修正了因近似圓柱體的三軸試驗試樣曲面表面正投影成像所造成的散斑紋理失真問題，提高了測量數據的穩定性和精度。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

在考慮現有單目相機圖像測量系統的硬件條件下，為了能夠捕獲試樣表面全場變形信息，而又避免在三維散斑圖像相關方法的計算復雜度，提出一種基于二維散斑圖像測量原理對三軸試驗試樣表面變形場信息測量的新方法。考慮到三軸試驗試樣為近似的空間圓柱實體，而由單目攝像機采集的圖像數據是三維試樣表面散斑紋理在其對應圓柱面切平面的投影圖。在不考慮鏡頭畸變的前提下，通過分析柱體試樣曲面表面成像模型，試樣試驗圖像可以利用柱面反投影算法進行展開，并結合插值運算來恢復失真的散斑紋理。