东南大学土木工程学院工程力学系，江苏 南京 210096
大型结构全周高精度三维动态变形测量对大型或超大型结构的力学性能研究有着重大意义。三维数字图像相关作为一种结构简单、非接触、精度高的全场变形测量技术，可以为大型结构变形测量提供有效的测量手段。首先介绍三维数字图像相关测量的基本原理。在大型结构多相机全周变形测量方法中，将介绍大尺度散斑制作、大视场三维标定、多相机系统坐标统一、相机外参实时标定等关键技术的研究工作。最后，针对土木工程领域与航空航天领域的实际需求，介绍大型结构高精度三维动态变形测量的应用，包括盒式结构地震模拟振动台试验测量、悬索穹顶结构连续坍塌试验全周高速变形测量、运载火箭舱段荷载试验全周变形测量。大型结构全周高精度三维动态变形测量将为大型建筑结构抗震性能分析、大型结构力学建模和破坏机理研究提供可靠的实验分析手段。
大型结构 三维动态变形测量 多相机测量 数字图像相关 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811013
东南大学土木工程学院工程力学系，江苏 南京 210018
为解决双视角三维视频引伸计在两个方向测量精度不一致的问题，同时避免使用多相机带来的相机同步和成本高问题的出现，提出了基于单相机四视角成像的三维双轴视频引伸计。在单相机前安装四棱镜，使用一个相机即可从4个视角观察待测区域，通过多视角强约束方程对变形前后的测点进行三维重构，并计算测点之间的线应变。为避免棱镜折射对成像的影响，使用窄带单色光进行照明。通过不锈钢拉伸实验验证了所提双轴视频引伸计的测量精度。实验结果表明，使用基于单相机四视角成像的三维双轴视频引伸计可以高精度地测量X方向和Y方向的线应变。对两个方向的线应变多幅图测量结果取平均去噪后得到的应变绝对误差均在30 μ以内。将测量的力学参数与应变片的测量结果对比，弹性模量的相对误差为0.56%，泊松比的相对误差为1.8%。
机器视觉 数字图像相关 四视角成像 视频引伸计 双轴应变 测量精度 光学学报
2022, 42(13): 1315001
1 南京航空航天大学航空学院, 江苏 南京 210016
2 东南大学土木工程学院, 江苏 南京 211189
昆虫飞行过程中,翅翼会出现扭转、弯曲、卷翘等交叠现象,各个翅翼间相互遮挡,导致传统光学测量无法直接分辨其飞行姿态。针对透明膜翅的相互遮挡问题,提出基于荧光偏振分像的三维数字图像相关方法,进行多翅翼结构的三维全场变形测量,解决翅翼遮挡的动态测量问题。根据偏振成像原理,采用反射镜、偏振镜与分光棱镜组合的分光光路,实现单个偏振相机测量单色翅翼的三维形貌;结合荧光散斑的光谱特征,在各个相互遮挡的翅翼上制作不同散斑荧光,利用带通滤波片分离各个翅翼上特定光谱的荧光散斑,实现多个翅翼的独立成像和同步测量。开展等厚度薄板相对面形貌、变形的测量实验,标定多个相互遮挡面的测量精度。测量昆虫(知了)翅翼交叠的不同形态,给出了任意相互遮挡翅翼的三维姿态,验证测量方法的可行性。
数字散斑 荧光散斑 偏振分像 翅翼交叠 数字图像相关
1 南京理工大学理学院, 江苏 南京 210094
2 东南大学土木工程学院, 江苏 南京 211189
3 山东科技大学计算机科学与工程学院, 山东 青岛 266590
两步相移法是均衡栅线投影技术的高速与高精度的重要方法。但是目前的求解算法的精度较低或算法复杂度较高。提出一种基于变量分组优化的两步相移求解方法。该方法将原始迭代变量分组为线性组变量和非线性组变量,针对确定的非线性组变量,通过最小二乘法获得线性组变量显式的最优解。通过对非线性组进行参数优化,获得全局的最优解。利用数值模拟与实验对本文方法进行了验证。结果表明本文方法有效地降低了多元非线性优化的相位值陷入局部最优的可能性,且降低了算法的复杂度。
图像处理 栅线投影技术 两步相移法 分组优化 最小二乘法 激光与光电子学进展
2021, 58(8): 0810024
Author Affiliations
Abstract
1 School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China
2 Department of Engineering Mechanics, Southeast University, Nanjing 210096, China
This Letter demonstrates a novel lateral shear interferometer system for simultaneous measurement of three-dimensional (3D) shape and thickness of transparent objects. Multi-frequency fringe patterns can be created by tilting mirrors at different inclination angles. With a single camera, the multi-frequency fringes are recorded in one image. The phase-shift of the fringes can be generated synchronously only by moving a plane-parallel plate along an in-plane parallel direction. According to the feature of transparent materials, the thickness and 3D shape can be reconstructed simultaneously based on the relationship between the in-plane displacement and their characteristics. The experiment was conducted on a thin transparent film subjected to a shearing force, which verifies the feasibility of the proposed system.
120.3180 Interferometry 120.6650 Surface measurements, figure Chinese Optics Letters
2018, 16(3): 031201
东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
结合正弦/余弦(sin/cos)滤波技术提出了依据散斑相位条纹图的条纹方向自动选取滤波窗口大小的自适应滤波法。通过计算散斑包裹相位条纹图的条纹方向,依据相位条纹方向自动选择合适的滤波窗口,对散斑包裹相位图的sin和cos变换图同时进行自适应均值滤波,再通过四象限反正切算法得到包裹相位条纹图。实验结果表明,该滤波法能有效保护条纹相位跳变信息,对于条纹密度变化较大且形状复杂的散斑包裹相位图,仍能进行有效的条纹滤波处理,滤波后的相位条纹图更逼近于原始条纹走向。
图像处理 自适应滤波 正弦/余弦滤波 相位条纹图 电子散斑干涉技术 数字全息干涉技术
东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
对颈动脉的脉搏波进行测量, 是对心脑血管疾病进行科学预防和保健的基础。基于改进的水转印数字散斑场, 给出了三维数字图像相关测量系统对人体颈动脉的测量方法。根据人体皮肤颜色的特殊性, 采取适用于人体不同肤色的水转印数字散斑场的散斑制作方法, 并与人体表面自然散斑场进行了对比, 证明了水转印数字散斑场更加稳定、准确和高效。通过实验给出了人体颈动脉的波形、频率等基本信息, 并对颈动脉的全表面脉搏波时域和空域变形信息进行分析, 验证了该方法的有效性。研究工作可为心脑血管疾病的防治提供一定的参考。
测量 三维数字图像相关 水转印 数字散斑场 颈动脉
1 东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
2 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
从理论上推导了数字图像相关(DIC)方法中应变精度的影响因素, 指出应变计算精度会随着窗口尺寸的变小而下降。为了提高图像有效分辨率, 针对细长平面试件提出了一种二维多相机全场DIC方法。该方法根据特征点检测及匹配算法定位特征点对的亚像素位置, 通过DIC方法对特征点对进行高精度配准, 利用发展的逐步优化单应矩阵方法求解图像变换关系, 得到变形前后的无缝拼接图像。分别实施了纯平移和橡胶梁三点弯两组实验。在纯平移实验中, 该方法计算得到的应变均值误差及均方根误差均在50 με以内, 验证了该方法的有效性; 采用橡胶梁三点弯实验对比该方法与三维多相机全场DIC方法, 并基于实验结果对该方法的优点与缺点进行了分析。
测量 二维数字图像相关 多相机 全场变形 图像拼接 光学学报
2016, 36(12): 1212002
1 东南大学工程力学系，江苏 南京 210096
2 南京科技职业学院机械技术系，江苏 南京 210048
采用数字剪切散斑干涉技术的实验方法对压力容器内部缺陷进行检测，得到了内部缺陷直径深度不同试样在不同压力载荷下的相位变化包裹图及相位分布图。试验结果表明，当缺陷直径与深度之比大于9时，才能检测出缺陷。依据试验测得的相位分布图，很容易判断出有无缺陷及缺陷形状和相对大小。检测结果直观，而且还可以看出明显的缺陷分布情况，对以后的实际生产具有指导作用。依据试验得到缺陷离面位移导数分布正视图可计算出缺陷的大小，且缺陷直径实测值与实际值之间相对误差都小于15%。将数字散斑剪切干涉法应用于压力容器内部缺陷的检测，不仅为压力容器检测提供了新的检测方法，同时也拓展了数字散斑剪切干涉法实验力学的应用领域。
压力容器 数字剪切散斑干涉 缺陷 检测 pressure vessel digital shearograhy defect detection
东南大学 江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
建立了非接触光学测量实验系统, 对薄壁球壳受刚性平面压缩的连续变形及失稳行为进行了实验研究。实验以理想弹塑性材料制成的薄且壁厚均匀的乒乓球为压缩对象, 采用透明石英玻璃板作为刚性平面, 用相机透过玻璃板采集清晰的散斑图像。然后利用具有非接触、全场、高精度等优点的三维数字图像相关(3D-DIC)技术对与刚性平面接触的乒乓球表面的连续变形进行直接测量, 同时利用二维数字图像相关技术结合压力传感器得到对应的力-位移关系。实验研究表明, 基于3D-DIC方法测量三维表面变形场, 实现了对受刚性平面压缩的乒乓球表面从局部压平阶段到轴对称屈曲阶段, 进而演化到非轴对称屈曲阶段等力学行为的可视化。实验结果表明, 对乒乓球半径的测量精度可达0.5%, 利用Abaqus有限元方法得到的结果与实验结果非常吻合, 验证了所提方法的有效性。
数字图像相关 连续变形测量 三维变形测量 薄壁球壳 屈曲 digital image correlation continuous deformation measurement 3D deformation measurement thin-walled sphere buckling
