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彩色域数字光弹性中数据采集技术的应用研究

作　者: 雷振坤
导　师: 云大真
学　校: 大连理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 数字光弹性等倾线等色线彩色图像处理五步彩色相移法 BP神经网络数字光弹性软件自动化
分类号: O348.1
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

用光弹性实验处理实际问题时，在数据自动采集与处理中，如何获得单纯等倾线的问题仍是一大难点，此外就是如何进一步提高三维冻结模型薄切片的等色线定级精度问题也比较困难。根据白光入射时应力模型在偏振仪光学系统中的等色线条纹是彩色的特点，本论文采用彩色数码相机作为数据采集与输入设备，结合彩色信息图像处理和BP神经网络等新技术，对上述两个难题进行了系统的研究，获得以下成果：在综合前人工作的基础上，提出获得全场单纯的等倾角相图的五步彩色相移法。其特点是在白光入射下平面偏振仪光学系统中，用彩色数码相机采集包括背景光强在内的不同偏振场设置下的五幅彩色图像，通过运算就可以得到[0—π/2]范围内的等倾角。用计算机仿真模拟和实验验证以及用复杂二维和三维工程应用问题作对比，可知本方法比其它方法要好。在五步彩色相移法确定等倾角的过程中，主要误差源有起偏镜或分析镜的方位角不准确、模型因边缘效应而产生的初应力和平面偏振仪光学系统中的光强变化。本文提出它们影响五步彩色相移法的定量误差分析方法；提出控制各误差的具体指标；给出了避免或降低这些误差源影响的措施，为合理设计制造仪器、指导实验和保证实验结果的精度提供了依据。顺便指出，本文所提出的误差分析方法，对光弹性相移法都具有普遍意义。提出基于BP神经网络的彩色域等色线自动定级法。其特点是通过BP神经网络建立图像中像素点的R、G、B颜色值与条纹级数N之间的非线性关系；可以准确地得到3级以内等色线条纹级数。本方法对提高条纹稀疏且无零级等色线的三维应力冻结模型薄切片的定级精度有重要作用。要采用计算机自动处理光弹性条纹图像，仅有各种条纹图像分析处理算法是不够的，而必须将算法编制于软件之中。本文开发形成一套与计算机设备无关的数字光弹性图像处理软件，用来实现本文提出的数字光弹性方法。附加功能还有对径压缩圆盘理论仿真模拟、各种误差分析、相位去包裹和图像信息实时显示等，它为今后进一步开发奠定基础。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-7
目录  7-12
第一章绪论  12-36
  1．1 本论文的研究内容、意义和应用前景  12-13
  1．2 光测弹性力学发展历史  13-14
    1．2．1 光测弹性力学发展的第一阶段  13-14
    1．2．2 光测弹性力学发展的第二阶段  14
  1．3 光测弹性力学研究现状  14-22
    1．3．1 条纹细化法或条纹中心线提取法  16-17
    1．3．2 条纹倍增法  17
    1．3．3 等色线分数级条纹级数确定法  17-20
      1．3．3．1 相移法  18
      1．3．3．2 彩色域的相移法  18-19
      1．3．3．3 傅立叶变换技术  19-20
      1．3．3．4 逐步载荷法  20
    1．3．4 等色线条纹全局级数确定法  20-21
      1．3．4．1 广谱分析法  20
      1．3．4．2 三级条纹光弹性法和RGB光弹性法  20-21
    1．3．5 上述方法的优缺点  21-22
    1．3．6 最大主应力方向的判别方法  22
  1．4 光测弹性力学发展趋势  22-24
  1．5 本文的工作  24-26
  参考文献  26-36
第二章光测弹性力学与数字图像处理基础  36-66
  2．1 引言  36-37
  2．2 光测弹性力学基础  37-41
    2．2．1 物理基础  37
    2．2．2 光的本性  37-38
    2．2．3 自然光和偏振光  38
    2．2．4 光通过光学各向异性体的特性  38
    2．2．5 偏振光的三种基本状态  38-40
    2．2．6 偏振仪光学系统  40
    2．2．7 应力光学定律  40-41
  2．3 琼斯矩阵的基本概念以及用改进算法推导一般的光强表达式  41-46
    2．3．1 应力模型在各偏振仪光学系统中的光强表达式  41-45
    2．3．2 白光入射情况  45-46
  2．4 Tardy补偿法  46-47
  2．5 理论重建光弹性等色线和等倾角条纹图  47-55
    2．5．1 基本概念  47-48
    2．5．2 对径压缩圆盘理论重建等色线和等倾线条纹图  48-52
    2．5．3 对径压缩圆盘的基本理论数据  52-55
  2．6 光弹性数据的确定  55
    2．6．1 等倾线的提取  55
    2．6．2 等色线的定级  55
  2．7 三维光弹性方法简述  55-56
  2．8 应力分离方法和结构模型与原型的应力转换关系  56-57
    2．8．1 应力分离方法  56
    2．8．2 结构原型与模型的应力转换关系  56-57
  2．9 数字图像处理基本概念  57-60
    2．9．1 图像函数  57-58
    2．9．2 采样和量化  58-59
    2．9．3 计算机颜色模型  59-60
  2．10 典型的数字光弹性图像处理系统和处理方法  60-63
    2．10．1 典型的数字图像处理系统  60-61
    2．10．2 典型的数字图像处理方法  61-63
  2．11 小结  63
  参考文献  63-66
第三章确定光弹性等倾角的五步彩色相移法  66-84
  3．1 引言  66-67
  3．2 光弹性中的相移法  67-68
  3．3 Patterson和Wang的六步相移法  68-72
  3．4 单色光入射平面偏振仪光学系统确定等倾角的五步相移法  72-76
  3．5 白光入射平面偏振光仪光学系统确定等倾角的五步彩色相移法  76-81
    3．5．1 基本原理  76-77
    3．5．2 用径向压缩圆盘理论仿真模拟图像验证本法的优越性  77-79
    3．5．3 五步彩色相移法的实验验证  79-81
  3．6 小结  81-82
  参考文献  82-84
第四章影响光弹性五步彩色相移法的误差分析  84-119
  4．1 引言  84-85
  4．2 偏振仪光学系统中光强变化的影响  85-89
    4．2．1 光强变化影响的进一步分析  86-89
  4．3 方位角误差的影响  89-100
    4．3．1 元件单元误差影响的琼斯矩阵以及光强表达式  89-92
    4．3．2 方位角误差对五步彩色相移法确定等倾角的影响  92-95
    4．3．3 影响趋势分析  95-100
  4．4 光弹性模型或切片初应力的影响  100-117
    4．4．1 初应力存在时模型的琼斯矩阵及其光强表达式  101-102
    4．4．2 初应力与等倾角之间的关系  102-105
    4．4．3 百分比ε和K因子的讨论  105-109
    4．4．4 评估初应力对五步彩色相移法确定等倾角的影响  109-114
    4．4．5 影响趋势分析  114-117
  4．5 小结  117-118
  参考文献  118-119
第五章光弹性五步彩色相移法与现有方法在应用问题上的比较  119-134
  5．1 引言  119
  5．2 Patterson和Wang六步相移法的简要回顾  119-120
  5．3 特殊图像处理技术  120-124
    5．3．1 去噪声  120-121
    5．3．2 相位去包裹  121-123
    5．3．3 高条纹级数区域的特殊处理  123-124
  5．4 实验设备与注意事项  124
  5．5 五步彩色相移法与Patterson和Wang法在应用问题上的比较  124-132
    5．5．1 对顶压缩平面方块  125-126
    5．5．2 乌溪江溢流坝段受水压力作用的梯形大头坝坝体  126-127
    5．5．3 耳片销孔受拉伸  127-128
    5．5．4 复杂的平面问题和三维空间问题的应用  128-132
  5．6 小结  132
  参考文献  132-134
第六章基于BP神经网络的彩色域光弹性等色线自动定级法  134-153
  6．1 引言  134-136
  6．2 神经网络基础  136-140
    6．2．1 BP神经网络的结构与数学描述  136-138
    6．2．2 BP神经网络的学习算法  138-139
    6．2．3 BP神经网络算法的改进  139-140
  6．3 光弹性等色线条纹的颜色与级数之间的联系  140-141
  6．4 基于BP神经网络的彩色域光弹性等色线自动定级法  141-146
    6．4．1 基本原理  142-144
    6．4．2 训练样本数据的建立  144-146
    6．4．3 RGB-N网络模型的设计  146
  6．5 实验验证  146-151
    6．5．1 四点纯弯曲直梁构建RGB-N网络模型与精度分析  146-149
    6．5．2 对径压缩圆盘实验验证  149-151
  6．6 小结  151-152
  参考文献  152-153
第七章数字光弹性图像处理软件  153-174
  7．1 引言  153-155
  7．2 位图基础  155-158
    7．2．1 调色板  155-156
    7．2．2 与设备无关位图（DIB）及其结构  156-158
  7．3 面向对象的位图编程  158-159
    7．3．1 定义DIB处理函数集  158
    7．3．2 CDibImage类的设计目标  158-159
  7．4 数字光弹性图像处理新技术的应用  159-162
  7．5 其它基本功能的应用  162-163
    7．5．1 直方图和信息板  162-163
    7．5．2 位图颜色处理  163
  7．6 数字光弹性图像处理软件：基于CDibImage类的图像处理程序  163-165
    7．6．1 基本功能  163-164
    7．6．2 界面和菜单设计  164
    7．6．3 程序结构  164-165
  7．7 各子程序框图  165-171
    7．7．1 五步彩色相移法程序框图  166-167
    7．7．2 对径压缩圆盘理论仿真模拟程序框图  167-168
    7．7．3 五步彩色相移法方位角误差分析程序框图  168-169
    7．7．4 相位去包裹处理程序框图  169-170
    7．7．5 Patterson和Wang六步相移法程序框图  170-171
    7．7．6 信息板实时显示程序框图  171
  7．8 小结和进一步开发的建议  171-173
  参考文献  173-174
第八章结论与展望  174-177
  8．1 结论  174-176
  8．2 不足与展望  176-177
创新点摘要  177-178
攻读博士学位期间发表/待发表论文  178-179
致谢  179-180

彩色域数字光弹性中数据采集技术的应用研究

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