高精度、实时数字图像相关变形测量

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数字图像相关（Digital Image Correlation,DIC）方法是目前光测力学研究领域最为活跃的测量方法，其在科研和工程测量都得到了广泛的应用。随着数字图像相关方法应用领域的拓宽，其测量精度、计算效率和适用性都急需得到进一步提高，以满足科研和工程领域不断提出的新需求。目前，DIC的位移测量精度可以达到0.01像素，已经能够满足大部分位移测量的需求。但是，与常规使用的电测应变技术相比，DIC的应变测量精度还不能满足大多数情况下的测量需求。同时，由于受到散斑制备质量、计算参数选取以及被测力学量的计量朔源等诸多因素的影响和制约，DIC测量结果的一致性和正确性还难以得到保证。此外，随着DIC技术的发展，该技术越来越多地被用于工业在线检测和医学测量中。对于工业在线检测和医学测量，DIC的测量速度显得尤为重要，需要满足实时测量的需求。而且，对于目前常规使用的单目和双目测量系统，其适用性仍然不能满足实际测量需求，如极端环境下的测量、多尺度变形测量和大尺度下的测量。本文工作以实现高精度、实时DIC变形测量为目标，从DIC计算精度、计算效率、系统标定三个角度出发，取得了如下成果：(1)分析了反向组合高斯牛顿算法在噪声条件下的理论误差公式，发现其均值误差中的噪声引入误差项在选择合适的灰度梯度算子时可以被消除，揭示了噪声引入误差消除的机理。通过与传统的牛顿拉普森算法对比，证明了反向组合高斯牛顿算法在计算效率和抗噪声能力上的全面优势，给出了全新的DIC理论误差公式。(2)提出了一种基于种子点扩散的并行计算方法，结合高效率的反向组合高斯牛顿算法与双三次B样条插值查找表，实现了实时DIC变形测量。将并行方法扩展到三维数字图像相关方法中，在子线程中逐步实现时序匹配、立体匹配和三维重构，实现了5000点10Hz的三维变形实时测量。(3)提出了一种基于摄影测量和散斑特征匹配的相机内外参标定方法，解决了三维DIC大视场条件下的相机内外参标定问题，成功实现了大视场条件下的三维DIC高精度变形测量。(4)基于散斑自标定方法和反射式的单相机三维成像装置，提出了一种自标定单镜头三维视频引伸计用于高精度实时应变测量，解决了传统引伸计测量中的离面位移影响、相机同步、繁琐标定三项问题。(5)提出了一种基于相机阵列的高精度DIC全场应变测量方法，通过高精度标定的相机阵列内外参数实现了亚像素级别的图像拼接和位移场拼接，获得了亿级像素散斑图像和全场10微应变的应变测量分辨率。

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作者
邵新星;
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作者单位

东南大学;

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授予单位东南大学;
学科固体力学
授予学位博士
导师姓名何小元;
年度 2018
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正文语种中文
中图分类
关键词
高精度; 实时; 数字图像相关;

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