【摘要】：數字圖像相關(Digital Image Correlation,簡稱DIC)方法,以其光路簡單、對環(huán)境要求低、非接觸全場測量等優(yōu)勢,已經發(fā)展為光測力學研究領域最為活躍的三維變形測量技術。然而,由于受到相機空間分辨率、圖像噪聲以及分析手段的制約,DIC方法的測量精度和測量范圍尚不能滿足大多數科學研究和工程測量的需求。進一步提高DIC方法的測量精度、擴大測量范圍已成為廣大學者重點關注的研究課題�；陔p相機及多相機視覺原理的數字圖像相關測量方法,可以用于多尺度下材料或結構全表面,尤其是復雜表面三維形貌及變形測量。在多相機測量中,相機的位置與姿態(tài),即相機的外部參數是影響變形測量精度的重要因素,本文將通過優(yōu)化相機外部參數和相機姿態(tài)實時校正,構建高精度多相機測量系統(tǒng),以滿足大范圍、高精度三維變形測量的需求。相機基線距和光軸夾角決定了相機的位置與姿態(tài),從雙相機視覺原理的數學模型出發(fā),分析兩者與測量誤差之間的關系,為雙相機測量尋找外部姿態(tài)參數的優(yōu)化范圍。結合外部參數優(yōu)化與實際測量要求,實現了小尺度復雜變形及界面滑移的高精度三維變形測量。利用人機交互小視場標定方法,首次采用三維DIC方法記錄并分析呂德斯帶演化過程及運動特征,將呂德斯效應的實驗研究拓展至三維小尺度范疇。還將三維DIC方法應用于碳纖維增強復合材料-鋼界面黏結性能的實驗研究中,對界面剝離擴展過程進行直接觀測,獲得了比現有方法更為準確的界面黏結-滑移關系。為解決雙相機測量柱形構件時存在的視場受限、測量誤差大等問題,建立了離散布置多相機三維變形測量系統(tǒng),利用多套雙相機子系統(tǒng)同步測量柱形表面的不同區(qū)域,實現了柱形構件的高精度全周變形測量。由于測量過程中相機位姿變化會直接影響變形測量精度,采用基于散斑場的相機外參標定方法,根據預先標定的相機內參和散斑圖像相關匹配結果,使用相對定向算法計算相機之間的相對外參,實現相機姿態(tài)實時校正,避免相機位姿變化引起的測量誤差。通過相機姿態(tài)變化實驗和球墨鑄鐵容器跌落試驗,驗證了相機姿態(tài)實時校正的必要性和有效性。為玄武巖纖維增強復合材料加固鋼筋混凝土柱的軸壓試驗搭建了離散布置多相機系統(tǒng),通過相機姿態(tài)實時識別,對良好的測試環(huán)境和穩(wěn)定的系統(tǒng)安裝可以有效減小相機位姿變化進行了實驗論證,并直觀再現了圓柱全周表面變形及破壞過程中的應變分布規(guī)律。論文還利用離散布置多相機系統(tǒng),精確記錄了碳纖維增強復合材料加固方鋼管的全周屈曲形態(tài),為鋼構件的屈曲性能實驗研究提供了直觀的三維測量方法。建立了連續(xù)布置多相機三維變形測量系統(tǒng),將多個相機統(tǒng)一至全局坐標系下,形成一個整體的三維測量系統(tǒng),實現了大曲率及大長細比全表面的高精度完整變形場測量。相機布置形式和視場重疊范圍,決定了多個相機之間的位姿關系,影響著多相機測量精度。論文對連續(xù)布置多相機系統(tǒng)的優(yōu)化布置進行了實驗研究,四點彎實驗、玻璃板平移實驗和橡膠梁三點彎實驗都驗證了系統(tǒng)的測量精度。以鋼筋灌漿套筒曲面變形測量為例,建立了針對大曲率復雜表面的連續(xù)布置多相機系統(tǒng),測量了套筒表面的三維形貌及變形,與雙相機測量、電阻應變片以及有限元分析結果相比較,證明了該系統(tǒng)具有足夠的測量精度,為研究灌漿套筒的連接性能提供了全新的高精度測試手段。為了提高大長細比全表面變形的測量精度,設計建立了連續(xù)布置多相機系統(tǒng),利用該系統(tǒng)進行了珊瑚礁混凝土梁抗彎試驗,直觀記錄了梁表面變形分布及裂縫擴展過程,DIC計算結果與位移計測量結果高度吻合,為大長細比構件提供了可靠的三維測量方法。論文根據實際測量要求,從外部參數優(yōu)化和相機姿態(tài)識別兩個方面出發(fā),構建多尺度下高精度的雙相機測量系統(tǒng)和多相機測量系統(tǒng),大大提高了DIC方法的測量精度,擴大了被測對象的測量范圍,在很大程度上滿足了工程材料及結構的三維變形測量需求。
【圖文】：

以獲得待測點位移，由位描述。字圖像相關測量中的硬件系統(tǒng)進行介2.3 小節(jié)介紹常用的線性成像模型和參數；在 2.4 小節(jié)對相機標定方法進介紹數字圖像相關方法的基本原理，節(jié)總結本章主要內容。步，照明可以從一定程度上增加目標對于變形測量，，僅僅自然光是遠遠不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種光照強度的測試環(huán)境。

IDS[6]UI-3370CP CMOS 相機，圖像分辨率為 2048 × 2048 像素，最高相機采用 USB 3.0 接口，實際傳輸速率可達到 400 MB/s。多相機測量]GRAS-50S5M-CCCD相機，圖像分辨率為 2448×2048像素，擁有雙在保證數據傳輸帶寬的基礎上，同時滿足多相機串聯需求，如圖 2.3參數見表 2.1。表 2.1 兩款相機的主要參數號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，鏡頭參數包括靶面尺寸、焦距、視場角口等。一般需要根據被測物尺寸、視場大小、工作距離等實際測量要寸和接口類型等參數進行鏡頭選型。除此之外，相機的安裝和固定都用如圖 2.5所示的 Benro 碳纖維三腳架。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O348.1

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本文編號：2697740