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数字图像相关方法及其应用研究

作　者: 吴太广
导　师: 徐飞鸿
学　校: 长沙理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 数字图像相关变形测量亚像素曲面拟合
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 323次
引　用: 2次
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内容摘要

数字图像相关方法是一种新型的非接触式光学测量方法,自上世纪八十年代初被提出至今,得到了突飞猛进的发展,并且由于其独特的优势,现被应用于多个学科领域。数字图像相关方法由于测量精度高和非接触性等特点,可以弥补土木工程中现有测量方法的不足,可以解决土木结构实验中的很多难题。本文结合土木工程的特点,围绕数字图像相关方法的计算精度和计算效率两个关键问题,改进了数字图像相关方法的亚像素测量算法,提高了计算精度和计算效率,并扩展了数字图像相关方法在工程中的应用。现有位移和应变测量方法很多,但非接触式的测量方法却不多见,本文总结了现有位移和应变测量方法,分析了这些方法的优缺点。通过分析国内外数字图像相关方法在土木工程中的应用现状,总结了将数字图像相关方法应用于土木工程中的优势与存在的问题。本文的研究重点在于如何提高数字图像相关方法的计算精度和计算效率。以此为目的,详细分析了数字图像相关方法的基本原理、测量系统、位移计算和应变计算,尽量在每个过程中都采用最佳的方法,以提高计算精度和计算效率。本文还提出一种基于数字图像相关方法的像素位移与实际位移的标定方法,使计算得到实际位移具有更高的精度。亚像素位移测量是影响计算精度与计算效率的最重要的因素,本文分析和比较了常用的三种亚像素测量算法(曲面拟合法、Newton-Raphson法和梯度法)的计算精度、计算效率和抗噪性能。并在此基础上提出了一种改进的曲面拟合法,并用数字仿真实验和实际实验验证了该方法在计算精度、计算效率和抗噪性能方面的优势。另外,本文还用matlab语言编写了一套数字图像相关计算程序,该程序界面友好、可进行交互式操作实现计算过程的人工干预、并可以完成数字图像相关计算的各项任务。本文对数字图像相关方法在土木工程中的实际应用做了以下几个方面的研究:(1)基于结构位移具有单向性的特点,提出一种改进搜索路径的方法,提高了计算效率,并将该方法应用于模型梁三点弯曲实验和桥梁静荷载实验;(2)提出一种利用“加权光强相关系数”来测量金属表面塑性变形测量的方法;(3)将数字图像相关方法应用于动态位移测量和模态参数识别实验;(4)研究和讨论数字图像相关方法应用于距离测量的方法。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-23
  1.1 引言  10-11
    1.1.1 研究背景和意义  10
    1.1.2 位移和变形概述  10-11
  1.2 位移和应变测量方法概述  11-16
    1.2.1 位移测量方法概述  11-13
    1.2.2 常见应变测量方法概述  13-16
  1.3 数字图像相关方法及其在土木结构中的应用现状  16-20
    1.3.1 数字图像相关方法研究现状  16-19
    1.3.2 数字图像相关方法在土木结构中的应用  19-20
  1.4 DICM 应用于土木工程中的优势与存在的问题  20-21
  1.5 本文研究的主要内容  21-23
第二章数字图像相关方法  23-38
  2.1 数字图像相关测量系统  23-25
  2.2 数字图像相关方法基本原理  25-31
    2.2.1 表征子区变形的位移模式  25-26
    2.2.2 相关函数  26-28
    2.2.3 相关搜索  28-31
  2.3 位移场和应变场测量  31-35
    2.3.1 位移场测量  31-33
    2.3.2 应变场测量  33-35
  2.4 像素位移与实际位移的转换  35-36
  2.5 计算机模拟散斑图  36-37
  2.6 本章小结  37-38
第三章改进的曲面拟合法和相关计算软件的开发  38-55
  3.1 亚像素测量算法及其比较  38-44
    3.1.1 Newton－Raphson 方法  38-39
    3.1.2 曲面拟合法  39-40
    3.1.3 基于梯度的亚像素测量算法  40-41
    3.1.4 亚像素测量算法的性能比较  41-44
  3.2 改进的曲面拟合法  44-48
  3.3 基于matlab 的数字图像相关计算软件  48-53
    3.3.1 设计思路  48-49
    3.3.2 计算核心算法实现  49-50
    3.3.3 模块具体功能介绍  50-53
  3.4 数字仿真实验考核  53-54
  3.5 本章小节  54-55
第四章数字图像相关方法在工程中的应用  55-71
  4.1 静态位移测量  55-60
    4.1.1 计算机模拟刚体位移实验  56-58
    4.1.2 模型梁实验  58-59
    4.1.3 实桥测量  59-60
  4.2 动态位移测量与模态参数识别  60-64
    4.2.1 动态图像采集  60-61
    4.2.2 动态位移测量  61-62
    4.2.3 模态参数识别  62-64
  4.3 金属表面塑性变形测量  64-67
    4.3.1 概述  64
    4.3.2 改进的光强相关系数  64-65
    4.3.3 实验技术与结果分析  65-67
  4.4 距离测量  67-70
    4.4.1 汽车起重机两支腿间距测量  68-69
    4.4.2 汽车起重机三铰点相对位置测量  69-70
  4.5 本章小节  70-71
第五章总结与展望  71-73
  5.1 总结  71-72
  5.2 展望  72-73
参考文献  73-80
致谢  80-81
附录(攻读硕士期间发表论文和参加的项目工作)  81

数字图像相关方法及其应用研究

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