结合数码显微镜的数字散斑相关 方法精度分析及应用
数字散斑特性对三维重建精度的影响分析
No.3Mar.2021第3期2021年3月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacttring Techninue文章编号：1001 -2265(2021)03 -0041 -04DOI # 10.13462/s. cnki. mmtamt. 2021.03.009数字散斑特性对三维重建精度的影响分析林旭华，陈新度，吴磊（广东工业大学机电工程学院，广州510006）摘要：针对数字散斑图像的特性对三维重建精度造成影响的问题，对数字散斑图像的特性以及斑点 分布方式进行分析，模拟了三种不同的散斑图像，通过理论分析与实验研究获得了辅助效果较好的 数字散斑图像。
为了对散斑的特性进行研究，首先介绍了双目三维视觉的基本原理、数字散斑的模 拟方法以及数字散斑相关方法；然后，分析了随机灰度、二值全局和二值局部散斑的灰度直方图与 平均灰度梯度；最后，设计了不同直径、分布方式的数字散斑图，并实际测试了其对标准量块三维重 建精度的影响。
实验结果表明，二值灰度局部散斑能获得更好的重建效果。
关键词：双目视觉；三维重建；结构光;数字散斑中图分类号:TH162: TG506 文献标识码：AAnalysis of tte Influeecc of Digital Speckle Characteristics on tte Acccracy of 3D Reconstruction LIN Xu-hua ,CHEN Xin-du ,WU Lei(Colleae of Mechanical and Electrical Engineering , Guangdong Universitr of Technolooy, Guangzhou510006, China )AbstracC : Aiming at the problem that the characteVsti.cs of digital speckle image affect the accuracy of 3d reconstmcti.on, this paper analyzed the characteristics of digital speckle image and the patten of speckle dishribuhion , simulahed hhreedi f erenhspeckleimages , and obhained hhedigihalspeckleimagewihh good auxiliary effect through theoretical analysis and experimental research. In order to study the characteVsti.cs of speckle , this paper first introduces the basic principle of binocular 3d vision , the digital speckle simula-hion mehhod and hhedigihalspeckleco r elahion mehhod.Then , hhegray hishogram and averagegray gradienh of random gray scale , binary global and binary local speckle are analyzed. Finly , digital speckle pattens wihh di f erenhdiamehersand dishribuhion modesaredesigned , and hheire f echson hheaccuracy of 3d recon-struchon of standard gauge blocks are tested. The experimental resultr show that the local speckle with bi nary gray value can get bster reconstechon Cect.Key wo C s ： binocular stereo vision ； 3d reconstruction ； structured light ； digital speck0引言从真实世界的图像中重建物体一直是计算机视觉 的核心问题之一⑴，而基于结构光的双目视觉三维重 建技术能够充分的提高待测物体的重建精度。
数字散斑相关方法研究与应用的开题报告
数字散斑相关方法研究与应用的开题报告一、选题背景数字散斑相关方法是利用数学和光学原理，将数字信息和光学信息相结合，将数字图像转化为散斑图像进行处理的一种方法。
它广泛应用于物体三维形貌测量、物体表面形态变形的研究、无损检测、高精度位移测量等领域，进而推动了这些领域的发展。
随着数字散斑相关方法应用的扩大和深入，越来越多的新技术和新应用被发掘出来，因此本文选择数字散斑相关方法作为研究课题。
二、研究目的本研究旨在探索数字散斑相关方法的原理、算法与应用，分析其在物体三维形貌、位移测量、形态变形测量等方面的作用和优势，研究数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题和解决方法，为数字散斑相关方法在相关领域的应用提供参考。
三、研究内容1.数字散斑相关方法的原理与算法分析；2.数字散斑相关方法在物体三维形貌测量应用中的研究；3.数字散斑相关方法在物体位移测量应用中的研究；4.数字散斑相关方法在物体形态变形测量应用中的研究；5.数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题及解决方法的研究。
四、研究方法1.文献调研法：对数字散斑相关方法相关的经典文献、技术应用论文和专利文献进行调研，了解其发展历程和现状；2.实验研究法：结合数字散斑相关方法的实际应用情况开展实验，评估其效果，发现解决实际问题的方法；3.数学模型法：依据数字散斑相关方法的原理，建立数学模型，进行数值计算和仿真分析。
五、预期结果1.深入了解数字散斑相关方法的原理、算法、特点及其在相关领域的应用情况；2.总结数字散斑相关方法的优缺点，为进一步研究提供基础；3.探索数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题，并提出解决方法；4.为数字散斑相关方法的研究和应用提供参考。
六、研究意义1.能够进一步深入了解数字散斑相关方法的原理和算法，为相关研究提供基础和指导；2.能够总结数字散斑相关方法在物体三维形貌、位移测量、形态变形测量等方面的应用情况和优势，为相关领域的实际应用提供参考；3.能够发现数字散斑相关方法在实际应用中遇到的问题并提出解决方法，为相关科研人员提供参考。
变形测量中的数字散斑相关搜索方法
变形测量中的数字散斑相关搜索方法【摘要】对数字散斑的研究的方法有很多，本文主要通过仿射变化对其基本原理进行了阐述。
通过散斑的位移和其导数与物体变形前后散斑图【1】的联系性进行了分析，并对散斑位移和导数进行的相关算法进行了简化，并提出一些恰当的搜索方法以供参考。
同时，通过典型的试验对该方法进行了测定，证明了其确实可行。
【关键词】数字散斑；搜索方法；变形测量；相关分析一、前言变形测量作为一个十分重要的测量方法，对其的开发和运用可谓相当的广泛，尤其体现在力学研究中。
而数字散斑相关的方法是对光学进行变形测量的一种方法，也就是在物体变形及应变的测量中引入数字散斑的相关方法，并经过不断的发展，逐渐被人们应用到各个重要的领域中，展现出他的优越性。
二、数字散斑在变形测量中运用的发展过程随着人类的不断探索，人们对力学的研究不断的深入，数字图像技术在力学实验中的运用也越来越广泛。
六十年代，Dyson和Dew首次运用电子辅助仪器进行了条纹分析，随后的科学家们也纷纷致力于将图像处理技术引入到力学研究的领域。
这主要是由于光测法突出的优点形成的，主要体现在全场与非接触上，其得到的图像往往也是呈现出条纹状，所以分析重点也转移到对条形图谱的分析上来了。
基于这些，科学家们就开始利用图像处理技术对其进行处理，大大减轻了人工分析的工作量。
经过不断的发展，到目前为止相关学者已经提出了许多的、成体系的方法供人们使用，实现了一系列的自动、半自动的对条纹进行了跟踪、定级、细分等相关的分析。
三、实验本文运用到的相关搜索方法，具体的对缸体的转动和移位以及均匀变形都进行了具体的分析验算。
对这些做的相关分析计算都是在Magiscan-2A这种图像分析仪上进行的，其采用的扫描阵列是512*512型的，并使用的是6比特的辉度水平。
除此之外，试验中另一个重要的仪器是显微镜，具体目的在于：在需要的时候将散斑颗粒进行调整，调整到与摄像机分辨率相匹配的程度上，使得得出的散斑场的离散误差达到最小，相关的搜索实施是通过实现编制好的程序来实现的。
散斑图像相关数字技术原理及应用_单宝华
第18卷 第3期2003年9月实 验 力 学JO U RN A L O F EX P ERIM EN T AL M ECHAN ICSV o l.18 No.3Sep.2003文章编号:1001-4888(2003)03-0409-10散斑图像相关数字技术原理及应用单宝华,欧进萍,赵仁孝,马世英(哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090)摘要:研究图像处理技术在散斑测量中的应用,提出了一种散斑图像相关数字技术.该方法引进了亚像素技术,采用重心算法计算特征斑的重心,避免了数字散斑相关法计算相关系数的繁复过程;应用位移和应变的有关公式,可以获得物体变形实验曲线.实验结果表明,该方法在工程实际现场、振动过程以及变形测量的自动化等方面有着广泛的应用潜力,从而为光测力学拓展应用领域、实现自动化测量展现了新的前景.关键词:图像相关;特征斑;图像处理;重心算法;电荷耦合器件中图分类号:TU317+.4 文献标识码:A1 引言 数字散斑相关方法是在80年代初由山口一郎[1]和Peters与Ranson[2]等人同时独立提出的.对于相关系数的计算,Peters、Ra nso n最初提出相关迭代法,在此基础上,高建新提出相关搜索法[3],而后芮嘉白、金观昌等人又提出一种改进的数字散斑相关方法十字搜索法[4],以后又有许多人做了一系列的研究和改进工作.但由于理论分析的困难,对于相关法中的精度、空间分辨率、测量可靠性、运算量等指标与抽样间距、灰度量级、窗口大小和噪声等有关分析尚显不足,以致对数字散斑相关法参数选取缺乏可靠理论依据,现在只能靠经验与摸索,所以该方法在实际工程中并没有得到广泛的应用,在土建结构工程中也很少使用.但由于这种方法对力学测试具有极简单的参数要求,并且测量是非接触、全场性的,因此仍有较大的应用前景.本文针对结构工程包括在役结构实时监测的需要,在数字散斑相关方法的基础上将提出一种散斑图像相关数字技术.这种技术主要研究数字图像处理技术在散斑测量技术方面的研究与开发,并把研究结果应用于土建结构工程试验、损伤检验等实际工程问题.这种技术适用于小变位梯度下物表面为人工散斑场的情况,而且在试件变位过程中建筑构件表面白光散斑场的荷载变位特点需满足白光散斑场的变化具有可识别性.这种技术采用数字散斑相关测量收稿日期:2002-10-17;第二次修订日期:2003-08-24基金项目:国家863计划项目(2001AA602023)作者简介:单宝华(1975-),女,黑龙江人,哈尔滨工业大学博士生,从事结构监测与无损检测方法的研究.方法的图像系统构成模式以及相关识别原理,但在图像处理方面不同于数字散斑相关测量方法,它引进亚像素技术,采用重心算法计算特征斑的重心,并应用位移和应变的有关公式来获得物体变形实验曲线,避免了计算相关系数的繁复过程,从而可以满足工程应用的需要.2 方法原理 散斑图像相关数字技术,是根据试件表面散斑图像在变形前后的相关性来确定试件位移和变形的非接触全场测量技术.如图1所示,将测量用的照明光束投射到试件表面,试件变形前后所形成的散斑图由CCD 摄像机采集并通过A /D 转换器离散成数字图像存入计算机.在图像采集中,对于物体运动变化剧烈的时候,可逐幅连续地对图像进行采集;当物体变形过程较慢时,可间隔一段时间采集.由于试件发生位移时人工散斑灰度基本不变,所以本文采用人工散斑.试验时在试件表面喷白漆制黑斑,形成对比度很强的图像,以增强系统抗噪声干扰能力.斑点的选择要满足以下条件[4]:1)颗粒反光性较好,肉眼观察明显.2)颗粒牢固地定位于物体表面,物体变形时,它仅随基点平动或转动,以保证反射光强基本不变.3)照射光为均匀白光.满足这些条件的颗粒所产生的斑点称为“硬斑点”,它是保证散斑相关的一个必要条件.确保散斑相关(或相关散斑)在于为散斑位移计算提供物理依据.只要测量过程中该斑粒不剥落、不变形,即可以以其形状和位置可以被识别出来.这是因为实用中为便于分析,测量表面经常被网格化.表面斑化的目的在于使散斑斑粒在研究区域内均匀分布,从而使散斑位移能充分描述表面位移.鉴于在网格区域内任意样本斑粒一经斑化即可识别,从而确保与其目标斑粒的相关性.这样样本散斑与目标散斑间的相关性在确保散斑图像相关的基础上是完全可以确定的.图1 散斑图像相关数字技术测量装置图2 斑点大小引起的误差散斑图像相关分析是在变形前的数字散斑图像中选定一个特征斑作为样本散斑,在变形后的数字散斑图像中,寻找与此斑点相对应的特征斑作为目标散斑,可认为样本散斑因试件变形而运动到目标散斑的位置时,二者重心的坐标差就是试件表面的位移.这样,试件的变形测量就可以通过散斑图上特征斑点的移动来完成.特征斑的选取要求斑点越大越好,这样采用重心算法计算的误差就会越小.图2表示特征410 实 验 力 学 (2003年)第18卷 斑大小与误差的关系.采用本文系统进行测量,特征斑点大小引起的误差在1%以内,斑点水平直径为11像素时误差为0.8%.所以要求选取的特征斑的水平直径至少大于10个像素.对于变形区域的测量,特征斑选取数目针对具体情况而定,但是每个特征斑只代表变形区域该位置的形变,不能反映变形区域的平均位移.虽然同一变形区域的不同位置的特征斑反映出不同位置的形变,但各变形曲线确有其共性,都能够反映出检测区域的整体变形趋势.一般情况下测量某一区域变形时需选取三到四个特征斑即可,如需提取较多点变形信息,可适当增加特征斑的选取数目.图3为同一坐标系下试件变形前后的两幅散斑图像.试件表面的某一特征斑在变形前位于P点,变形后移动到P1点,(x,y)为试件变形前特征斑的重心,(x1,y1)为试件变形后特征斑的重心,该特征斑沿轴e x,e y方向上的位移分量分别为u,v,则变形前后特征斑的位移为u=x1-xv=y1-y(1)此即为试件受力变形的位移.为了获取试件表面的应变信息,任一点的应变情况可由图4表示.试件受力变形前,表面上的任意二点的特征斑为A,B,这两个特征斑的重心坐标分别为(x A,y A),(x B,y B),变形后在目标图像上相对应的特征斑为A1,B1,其重心坐标为(x A1,y A1),(x B1,y B1).式中,Δx,Δy,l为试件变形前特征斑A,B在x,y方向上的距离及两者间的距离,Δx1,Δy1,l1为试件变形后目标图像中相关的特征斑A1,B1在x,y方向上的距离及两者间的距离,即Δx=x A-x BΔy=y A-y Bl=Δx2+Δy2 Δx1=x A1-x B1Δy1=y A1-y B1l1=Δx12+Δy12则试件受力变形后A点和B点之间的应变可表示为X=l1-ll(2)图3 变形前后特征斑的位移示意图图4 变形前后特征斑的应变示意图 显然确定样本图像和目标图像中特征斑的重心坐标是获得应变测量的核心内容.重心估计是现代图像处理技术用于位置检测的主要算法之一,目前的水平已经达到将重心算法的精度和灵敏度提高到比一个像素更小的尺度,即所谓亚像素精度.关于亚像素精度的411第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 分析,众多学者提出了许多方法.本文在完备重心算法傅里叶分析的基础上[5],由重心定理,试件表面散斑斑点的二维重心位置可由下列公式计算:x c =∑y c y =y b ∑x c x =x b x g (x ,y )∑yc y =y b ∑x c x =x b g (x ,y ) y c =∑y c y =y b ∑x cx =x b y g (x ,y )∑y c y =y b ∑x c x =x b g (x ,y )(3)其中g (x ,y )=1, (x ,y )∈目标0, (x ,y )∈背景是二值图像,(x ,y )是图像中像素坐标[6].将式(3)代入式(1)、(2),即可获得试件的变位信息.3 散斑图像数据处理 由散斑图像相关数字技术的基本原理,采用Ma tlab 语言中的图像处理工具箱对CCD 摄像机拍摄的散斑图进行图像处理、特征斑识别、二维定位、动画显示、曲线显示、数据存储一系列操作,最终得到物体变形实验曲线.图像处理过程主要包括以下四步:(1)滤波 散斑图像在采集、量化、传送过程中产生的噪音会污损散斑图像信息,影响数据处理的精度,为了有效地抑制噪声,需要应用图像平滑技术进行处理,采用中值滤波非常有效.散斑图像经中值滤波后,滤去散斑图像在采集过程中所形成的噪音,提高了散斑图像的质量,突出了散斑图像的特征.(2)二值化 本文测量系统CCD 拍摄的散斑图是具有多个灰度级的单色图像.在实用的图像处理系统中,处理速度高、成本低、信息量大的灰度图像花销太大,不是上策.而且灰度图像二值化后,能够突出图像特征,有利于提取特征斑;从测量要求而言,要求散斑图像灰度反差越大越好,所以散斑图像的二值化是非常必要的.散斑图像二值化的目标是要在尽可能多的保留原图像特征的前提下舍弃冗余信息.要实现这一目标关键在于正确地选择阈值t .由于本文采用人工散斑,试验时在试件表面喷白漆制黑斑,所以能够形成具有二值倾向的多灰度值散斑图像.这种散斑图像的灰度直方图上能够呈现出两峰一谷的特征,取谷底处的灰度值作为阈值t 可以得到较好的结果,阈值t 的选取可以由Matlab 程序自动完成.(3)特征提取 由于试验时在试件表面作白底黑斑,为便于数据处理,将二值化后的散斑图转化为黑底白斑的图像,此图像上的白斑属于单连接成分.为了得到试件表面感兴趣区域的变位情况,对此区域上的单连接成分进行标记和轮廓跟踪,即可实现特征斑提取.(4)重心算法 二值图像上特征斑的重心位置可用公式(3)计算.对CCD 拍摄的散斑图像进行图像处理,其基本过程如图5所示,图像处理模块程序流程图如图6所示.特征斑识别采用人机交互式模式提取特征斑,自动生成各序列图像的特征斑数据文件.二维定位是将计算所得到的各序列图像的特征斑像素坐标转化成实际坐标,并自动生成特征斑的实际坐标文件.动画显示用于在计算机屏幕上显示各个序列图像的运动变化情况.曲线显示用于显示序列图像中某个特征斑的运动参数,如位移、应变等.数据存储是对经过上述处理而得到的物体的变形试验数据存储,以便数据分析.特征斑识别、二维定位、动画显示、412 实 验 力 学 (2003年)第18卷 曲线显示、数据存储这些操作构成了计算模块,如图7所示.由图像处理模块和计算模块这两种模块生成十几种程序,计算程序流程图如图8所示.这些计算程序可分别计算出应力—位移曲线、应力—应变曲线、位移—时间曲线等多种实验曲线,每个程序的图像处理模块完全相同,但计算模块根据实际情况各不相同,图9、图10分别为应力-位移曲线和应力-应变曲线流程图,可充分说明此问题.图5 散斑图像处理过程图6 图像处理模块图7 计算模块图8 计算程序流程图 采用这种方法只需在Matlab 窗口下调出程序,输入系统放大率以及采集散斑图像数,系统会自动调出散斑图,由操作者选取特征斑,即可自动生成实验曲线.操作者可以提取散斑图像上任意点的变位信息,而不受限制.该方法迅捷简便,极易实现,没有人为误差,在土建结构413第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 图9 应力-位移曲线程序流程图图10 应力-应变曲线程序流程图工程中具有很好的应用前景.4 工程应用4.1 钢管砼结构轴心受压过程的监测将散斑图像相关数字技术用于钢管砼结构轴心受压破坏过程的监测,试验采用的圆钢管混凝土试件参数如表1所示,试验装置如图11所示.试验中采用分级加载,弹性范围内每级荷载为预计极限荷载的1/10,当钢管屈服后每级荷载约为预计极限荷载的1/15,每加载一次,414 实 验 力 学 (2003年)第18卷 CCD 摄像机记录一幅散斑图像.当钢管接近破坏时慢速连续加载,此过程CCD 摄像机只记录了试件即将破坏时的几幅散斑图像.表1 圆钢管混凝土试件参数试件号外径均值D j (mm)试件长度L (mm )壁厚均值t j (mm)套箍系数a 砼抗压强度标准值f ck (M Pa)钢材屈服强度f y (M Pa )1133.313976.075 1.68697653.884424.52133.143976.155 1.65925153.884424.53160.154765.0050.91109853.884356.3图11 试验设置示意图图12 三个试件的轴向荷载—竖向位移曲线 采用本文开发的散斑图像数据处理程序fdp 对CCD 拍摄的散斑图像进行处理,计算得到试件的轴力—位移曲线如图12所示.试验全过程监测表明,这三个钢管混凝土试件都有较好的延性和后期承载能力.4.2 在役钢结构动力特性脉动监测监测对象为在役的新加坡大酒店近万平方米的戏水大厅空间网架屋面结构,结构平面图如图13所示.测点位于图13所示网架挠度最大处17轴第16节点的下弦球上.将事先斑化的边长约为24cm 的方板(化为方形斑粒)标记固定于“节点球”.相机位置如图14所示,位于主体结构的第三层平台上,平台通过墙体与地基础相连.CCD 相机仰视观测标记(散斑图像板),物距约为30m.由于脉动幅度较小,测点距离较远,为满足试验需要,实测中选用78～200mm 415第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 的变焦镜头进行测量,分别以焦距f=150m m,f=180mm,f=85m m三种焦距观测被测节点.CCD摄像机以每秒25桢的速度连续采集图像,三种焦距分别录制了 4.52s,10.32s, 5.00s的时程段的图像.图15为CCD摄像机在试验过程中所拍摄的一幅散斑图像.图13 新加坡大酒店戏水大厅结构平面图图14 试验装置图15 散斑图图16 时程曲线416 实 验 力 学 (2003年)第18卷 图17 频谱图 对CCD 摄像机拍摄到的序列散斑图像采用程序dy t 进行计算,获得结构相应测点的位移脉动时程曲线如图16所示.对使用焦距为150mm 的镜头所得的时程脉动曲线截取一段长2s 的时程(采样间隔为0.04s)进行快速离散傅里叶变换得到其相应的频谱分布如图17所示.由图17可知,被检测出来的前六阶频率值分别为 1.5Hz ,2.5Hz ,3.5Hz ,9Hz ,10.5Hz ,11.5Hz ,其中f = 2.5Hz 的模态频率与早期用加速度传感器测量所得模态频率2.7Hz 相接近.图16给出脉动位移的峰值达到 1.5mm ,这比一般混凝土结构的脉动位移大得多.5 结论 根据本文研究,可以得出以下结论:1)本文方法的硬斑点条件是满足散斑相关的必要条件,试件表面斑点只要满足硬斑点条件,由散斑相关性就可测出位移场.2)本文对散斑图像采用M atlab 程序来完成滤波和二值化过程,试验结果表明,对具有良好二值化倾向的散斑图像,采用M atlab 中值滤波窗口默认值和二值化默认阈值即可以获得良好的二值散斑图像,不会影响散斑重心坐标的提取.3)本文提出的测量方法适合于现场非接触测量,而且易于实现测量自动化.影响该测量误差的因素包括摄像机系统的像差和色差,CCD 数字化系统的光电噪声等.如能采用精度、分辨率和采样频率更高的数字摄像系统,则可进一步提高该方法的测量精度.4)本文采用散斑图像相关数字技术测量轴心受压的圆形钢管混凝土试件的位移全过程为探索采用非接触的方式测量构件变形提供了一种新的测试手段.试验表明它是一种有效的力学测量方法,适用于面内的变形测量.5)本文采用散斑图像相关数字技术以远距离、非接触的方式监测在役的新加坡大酒店戏水大厅的空间网架屋面结构,脉动位移的结果表明,散斑图像相关数字技术作为一种无损检测方法用于检测结构的脉动反应是可行的,为结构的动力特性测试和结构的安全监测与评价等提供了一种新的测量手段.本试验为散斑图像相关数字技术走出实验室应用于具体工程结构监测提供了一个有利的例证,充分说明了它的工程实用性.417第3期 单宝华等:散斑图像相关数字技术原理及应用 参考文献:[1] Yamag uchi I.Speckle Displacement a nd Defo rmation in the Diff ractio n a nd Imag e Fields fo r Small Ob-jec t Defo rmation [J ].O pt .Ac ta ,1981,28(10):1359-1376.[2] Pe ters W H,Ra nso n W H .Digital Imaging T ech nique in Ex perimental M echanics [J].Opt.Eng.,1982,21(3):427-431.[3] 高建新,周辛庚.变形测量中的数字散斑相关搜索方法[J].实验力学,1991,6(4):333-339.[4] 芮嘉白,金观昌,徐秉业.一种新的数字散斑相关方法及其应用[J 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indica te that the method has g ood perspectiv e for applicatio n in engineering environ-m ent ,vibration process a nd disto rtio n measurement automation .Key words :image correlatio n;characteristic speckle;imag e pro cessing;barycenter algo-rithm;CCD 418 实 验 力 学 (2003年)第18卷 。
数字散斑相关法在变形测量中的应用_陈志新
第19卷 第7期2011年7月光学精密工程Optics and P recision EngineeringV ol.19 N o.7Jul.2011收稿日期:2010-10-08;修订日期:2010-11-29.基金项目:国家自然科学基金资助项目(N o.50975219);苏州市应用基础研究计划(工业部分)资助项目(N o.SY G201014)文章编号 1004-924X(2011)07-1480-06数字散斑相关法在变形测量中的应用陈志新1,2,梁 晋1,郭 成1*(1.西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;2.东华理工大学机电工程学院,江西南昌330013)摘要:为了克服传统的变形测量方法的局限性,实现整体变形和测量范围内各点在任一时刻具体位移的全面测量,以得到完整的变形数据,本文采用数字相关散斑法(DSCM )对变形进行了精确测量。
首先,通过与传统变形测量方法进行比较,归纳出DSCM 具有非接触、精度高、操作简单灵活、测量全面等优点。
然后,描述了散斑法的基本理论,建立了相关的数学模型,并根据相关理论开发了相应的测量分析软件X JT U DIC 。
利用该软件结合相应的硬件设备,对具体的拉伸变形过程进行了测量试验,并将结果与使用引伸计的传统测量方法进行了比较。
得到的结果显示两种测量方法的误差在 0.2%之内,验证了该方法及相应软件和硬件的可靠性及可行性,为变形的全面精确测量提供了一种有效的工具。
关 键 词:数字散斑相关法;变形测量;X JT U DIC中图分类号:T H 823;O436.1 文献标识码:A doi:10.3788/OP E.20111907.1480Application of digital speckle correlation methodto deformation measurementCH EN Zh-i x in 1,2,LIANG Jin 1,GU O Cheng1*(1.M echanical E ngineer College,X i an J iaotong Univer sity ,X i an 710049,China;2.Mechanical &E lectr ical E ngineering Dep ar tment,East China I nstitute of T echnolog y ,N anchang 330013,China)*Corr esp onding author ,E -mail :gch @mail.x j Abstract:T o o vercom e the limitations o f traditional deform ation measurem ent metho ds and co mplete the comprehensive m easurements of the gener al defor mation and the various point displacements w ith -in a measur em ent sco pe in any tim e,the Digital Speckle Cor relation Metho d(DSCM )w as used in accu -r ate deformation measurement.Firstly,by compar ison w ith traditional methods,it summarized the advantages of the method in no n -contact,high precision,simple and flex ible o peratio n,overall m eas -uring and so on.And then the principles o f the DSCM w ere elabo rated on the five aspects,the rele -v ant m athematical mo dels w er e established and the corr espo nding measurement and analysis softw are XJT UDIC w as developed.By using this softw are w ith the relev ant hardw are dev ices,a tensile de -form ation process w as tested and o btained r esults w ere compared w ith that o f traditional measurem ent method using an ex tensometer.Obtained results indicate that the erro r is w ithin 0.2%,w hich fullyvalidates that the m ethod and corr esponding software and hardw are ar e r eliability and feasibility and it pro vides an effective and reliable too l for the precise and co mpr ehensive deformation measurement. Key words:Dig ital Speckle Correlation M ethod(DSCM);defo rmatio n measurem ent;XJT IDIC1 引 言变形及应变测量的应用相当广泛,在力学研究中该项测量尤为重要。
探究数字散斑相关方法与应用研究进展
２ ． ３灰度级 的重建 在对 数字散斑相 关技术进行运 用的过程 中，往往需要在 亚像素水平上进 行一定程度 的求解，这就 需要得到整体像 素之 间位置上 的灰度值 ，为了有效实现这 一 目的 ，需要对 数字图像进行 一定程度 的插值 处理 。在最 开 始的时候 ，插值 方法主要采用 双线性插值 方 式，随着数字 散斑相关方法 的不断发展 ，原 先的插值方式发生转变 ，逐渐变成三 次插枝 、 多项式插值 、三次样条插值 、分形插值 以及 面拟和法等插 值方式 ，且各 种插值方式 具有 不 同的特 点。对于双线性插 值来说 ，它具 有 简单实用 的特 点 ，而高 阶插 值函数所 引起 的 系统误差较 小。例如 ，三次 样条插值 的精 度 较之于双线性 插值方式 的精度 要高 ，然而 ， 高阶插值方 式往往需要花 费更多的时 间。针 对这两种特 点 ，在对插值 方式进行选择 时 ， 需要对 结果精度 以及插值 消耗时间进行 综合 的考虑。
１ 、 数宇散斑相关方法 的基本原理 以 及数学模型
数字散斑 相关方法 的主要原理 如下 ：首 先 ，对 相关的 图像进 行搜集 ，并进行数字化 处理 ，这样一来 ，通 过对物体在 不同变形状 态或者 不同变形 时刻的两幅 图像 进行一定程 度 的处 理，从而得 到面 内位移分 量和面 内位 移梯度 。一般情况 下，变形识别 具有一套较 为 固定 的流程 ，主要 如下 ：首先 要做的工作 是 数字散斑 图的采 集 ，在采 集完成物体变形 前 后的两幅数字散 斑 图之后 ，分别对变形前 图像 中的一小块 图像 以及变 形后图像 中的一 小块 图像进行 定义 ，前者定 义为样本子 区， 后 者定义为 目标子 区 ，这样 一来，只需要有 效 寻出 目标子 区与样本子 区之 间的一一对应 关 系，就 能够对相关 的变量进行有效的提取。 在 样本子区与 目标子 区的位 置差别之 中，包 含 了相应 的位 移分量 ，而在 样本子区与 目标 子 区的形状差 别之中 ，则包 含了应变分 量。 因 此 ， 通 过 这 种 方 法 就 可 以 对 变 形 测 量 问题 进 行一定程度 的转化 ，使 其成为一个数字 计 算过程 。从 理论上来看 ，只要能够有 效获得 反映被测对象不 同变形状态 的表 面数字图像， 同时保证这些 数字 图像都 是 由具有一 定对 比 度 和信息层 次的散斑所构 成，那么就 可以对 数 字散斑相 关技术进行 一定程度上 的利 用， 并在此基础 之上对变 形等信息进行有 效的提
数字散斑相关方法及应用进展
第6卷 第4期2013年8月 中国光学 Chinese Optics Vol.6 No.4Aug.2013 收稿日期:2013⁃04⁃13;修订日期:2013⁃06⁃15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.51075116);安徽省国际科技合作计划资助项目(No.12030603012);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(2011JYLH1150)文章编号 1674⁃2915(2013)04⁃0470⁃11数字散斑相关方法及应用进展王永红1∗,梁 恒1,王 硕1,张 浩1,杨连祥1,2(1.合肥工业大学仪器科学与光电学院,安徽合肥230009;2.美国奥克兰大学机械工程系,密歇根罗切斯特48309)摘要:数字散斑相关方法(DSCM)是一种可以测量变形和应变的光学非接触测量方法,其通过对变形前后物体表面的图像进行灰度信息相关计算来获取被测物的力学性能。
本文叙述了数字散斑相关方法近年来在国内外的发展动态和应用现状,详细论述了基于自适应遗传算法、智能神经网络方法、小波变换法的一系列新型相关搜索方法。
文章指出,近年来,数字散斑相关技术已发展到相对成熟,目前的研究重点是提高测试精度和图像处理速度,而提高散斑图像质量和研究高效的算法是需要努力的方向。
关 键 词:数字散斑相关;相关搜索;精度;效率中图分类号:O436.1 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20130604.0470Advance in digital speckle correlation method and its applicationsWANG Yong⁃hong 1∗,LIANG Heng 1,WANG Shuo 1,ZHANG Hao 1,YANG Lian⁃xiang 1,2(1.School of Instrument Science and Opto⁃electronic Engineering ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China ;2.Deptartment Mechanical Engineering Oakland University ,Rochester ,Michigan ,USA 48309)∗Corresponding author ,E⁃mail :yhwang@Abstract :Digital speckle correlation (DSCM )is a noncontact measuring method for displacements andstrains,which obtains the mechanical properties of an object by calculating the gray information correlation of the object images before and after deformations.The method has been applied successfully in mechanical measurements in the past twenty years.This paper introduces the developing states of the DSCM and gives ap⁃plication examples.Some new technologies involved in the DSCM are reviewed,such as genetic algorithm,neural networks and wavelet transform.Finally,it points out that DSCM research will focus on improving measuring accuracy and image processing speeds in the future,including improving speckle image quality and researching higher effective algorithms.Key words :digital speckle correlation;search algorithm;accuracy;efficiency1 引 言 数字散斑相关方法(DSCM)是一种可以测量变形和应变的光学非接触测量方法,其通过计算变形前后物体表面图像的灰度信息相关来获取被测物的力学性能。
数字散斑测量技术
数字散斑测量技术数字散斑测量技术是一种能够实现非接触、高精度测量的技术，广泛应用于光学领域。
本文将从介绍数字散斑测量的原理、应用领域和发展前景等方面进行阐述。
一、数字散斑测量技术的原理数字散斑测量技术是基于散斑干涉原理的一种测量方法。
散斑是由于光波经过光学系统后在接收屏幕上产生的一种随机干涉图样。
在数字散斑测量中，通过对散斑图像进行数字化处理，可以获取到被测物体的形貌信息。
具体来说，数字散斑测量技术主要包括以下几个步骤：首先，通过激光器产生一束单色、高相干度的光源；然后，将光源照射到被测物体表面，形成散斑图像；接着，使用CCD相机等光学设备将散斑图像转化为数字信号；最后，通过数字信号处理算法，提取出散斑图像中的相位信息，进而得到被测物体的形貌数据。
数字散斑测量技术在光学领域有着广泛的应用。
首先，它可以用于光学元件的表面形貌检测。
光学元件的表面形貌对其光学性能有着重要影响，通过数字散斑测量技术可以实现对光学元件表面形貌的高精度测量，从而保证产品质量。
数字散斑测量技术还可以应用于光学镜头的定位和对焦。
在光学系统中，准确定位和对焦是保证成像质量的关键步骤，利用数字散斑测量技术可以实现对光学镜头的快速、精确定位和对焦，提高成像质量。
数字散斑测量技术还可以应用于光学薄膜的厚度检测。
光学薄膜的厚度对其光学性能有着重要影响，通过数字散斑测量技术可以实现对光学薄膜厚度的高精度测量，为薄膜制备提供可靠的数据支持。
三、数字散斑测量技术的发展前景数字散斑测量技术作为一种非接触、高精度测量技术，在光学领域有着广阔的应用前景。
随着光学元件、光学系统和光学薄膜等的发展，对于光学形貌、定位和厚度等的要求也越来越高，数字散斑测量技术将会得到更广泛的应用。
随着数字图像处理技术和计算机算法的不断发展，数字散斑测量技术在数据处理和分析方面也将得到进一步的提升。
未来，数字散斑测量技术有望实现更高的测量精度和更快的测量速度，为光学领域的研究和应用提供更好的支持。
数字散斑相关法概述
数字散斑相关法概述摘要：数字散斑相关法自出现以来，一直是图像处理领域中一种重要的方法。
它属于机器视觉测量法，由于它是非接触式的，所以如今在众多领域中，它的应用越来越广泛。
尤其在高精度的形变测量中，它一直是研究者们重点研究的对象。
目前，该方法能达到的亚像素精度最高为0.001pixel。
关键词：数字散斑相关法；机器视觉；形变测量；亚像素1. 前言材料以及结构件在载荷作用下的位移和变形情况，一直是实验力学研究的重点。
而物体变形测量技术主要可以分为两类：接触式和非接触式测量。
而目前应力应变测量方法大概有以下几种：（1）应变片电测法：电阻应变；（2）光纤光栅法：光栅反射光的波长；（3）光弹性法：材料的双折射效应，干涉条纹；（4）机器视觉测量方法。
机器视觉法属于非接触式测量，其中在实验测试的工程测量中用得较多的就是数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)。
2. 数字散斑相关法数字散斑相关方法（DSCM），或者称为数字图像相关方法(DIC)，是数字图像处理技术应用于光测力学的过程中产生的新的测试手段，是对全场位移和应变进行量化分析的光测实验力学方法，该方法是利用被测构件表面变形前后的两副图像的灰度值进行相关运算，从而达到求解变形体表面位移和应变的目的[1]。
在实际测量过程中，数字散斑相关法光路简单、可以白光作为实际广元，不需要严格的环境条件，并可对全场范围内的区域进行非接触测量测量，能够与全息成像、医学成像、传感器、形变测量等技术相结合，在实际测量中有着广泛的应用[2]。
但是，数字散斑相关方法也有不足之处，比如：由于环境、光源、位移场中散斑点大小的改变，使得其他峰值点的相关系数和待测点的相关系数差别不大，有时甚至出现比待测点的相关系数还要大的情况，这就会造成误差，所以散斑相关测量法的关键就在于如何快速、准确地找到待测点[3]。
因此，搜索方法和测量算法的研究是数字散斑相关方法运用于实验和工程的重点、难点。
数字散斑相关方法的原理及土木工程应用简介
数字散斑相关方法的原理及土木工程应用简介刘光利;姜红艳【摘要】数字散斑相关方法（DSCM）是一种全场、无接触、高自动化和高精度的光学变形测量方法,与其它变形测量技术相比数字散斑相关方法有其独到的优越性能。
经各研究学者不断的研究改进,数字散斑相关方法的理论逐渐完善,作为一种固体材料表面变形测量方法,在固体力学的实验中广泛应用,同时在土木工程变形测量中得到较快的发展。
本文对该方法的基本原理、模型及决定测量精度的因素进行了简单介绍,同时对其在土木工程中的应用进行了概述。
【期刊名称】《安徽建筑大学学报：自然科学版》【年(卷),期】2015(023)006【总页数】8页(P52-58,62)【关键词】相关系数;误差分析;整像素搜索法;亚像素搜索法【作者】刘光利;姜红艳【作者单位】解放军理工大学国防工程学院,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TU18数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method,DSCM)，又称数字图像相关方法(Digital Image Correlation Method,DIC),由日本的Yamaguchi[1],美国的Peters、Ranson等[2]于20世纪80年代初提出。
高建新[3]是我国最先对该测量技术进行研究的学者。
DSCM是图像处理技术与光学变形测量技术相结合的产物,是基于物体表面散斑灰度分析获取位移和应变信息的光学测量方法。
与接触式应变测量法相比，DSCM的测量过程简单，测量时设备无须与试件相接触，省确了传感器较为繁琐的安装过程，消除了传感器安装所引起的测量误差；受限传感器的大小，接触式应变测量只能反映传感器所在部位的应变信息，而数字散斑相关方法可获取摄像镜头下的全场应变信息；由于摄像机可连续拍摄，可方便的实现动态测量。
与光弹贴片、散斑干涉技术等传统光学测量方法相比，DSCM对光路的要求相对简单，其试验光源可用自然光或普通的照明光，不需要进行干涉条纹的处理，且其对测试环境、隔振要求较低。
数字散斑相关方法
数字散斑相关方法引言：数字散斑相关方法是一种应用于光学散斑图像处理的技术，可以提取图像中的信息并进行分析。
本文将介绍数字散斑相关方法的原理、应用以及发展趋势。
一、原理数字散斑相关方法的原理基于光学散斑现象。
光通过透明介质时，由于介质内部的密度或折射率的不均匀性，光波会发生相位差，形成散斑。
数字散斑相关方法利用散斑图像中的相位信息，通过相关运算，得到图像中的物理量或形态信息。
二、基本步骤1. 采集散斑图像：使用光学系统和相机等设备采集散斑图像，保证图像的清晰度和分辨率。
2. 预处理：对采集到的散斑图像进行去噪、平滑和增强等预处理操作，提高图像的质量。
3. 提取相位信息：利用数字图像处理算法，提取散斑图像中的相位信息，如使用傅里叶变换或小波变换等方法。
4. 相关运算：将提取到的相位信息与参考图像进行相关运算，得到相关输出图像。
5. 物理量或形态信息提取：通过对相关输出图像进行分析，提取出所需的物理量或形态信息。
三、应用领域1. 光学检测：数字散斑相关方法在光学检测领域有广泛应用。
通过对散斑图像的处理，可以实现对物体的位移、形变、压力等参数的测量。
2. 表面形貌测量：数字散斑相关方法可以用于表面形貌的测量，如粗糙度、曲率等参数的提取。
3. 光学显微镜图像处理：应用数字散斑相关方法对显微镜图像进行处理，可以提高图像的清晰度和对比度。
4. 光学图像识别：数字散斑相关方法可以用于光学图像的识别，如指纹识别、虹膜识别等。
5. 光学通信：数字散斑相关方法在光学通信中也有应用，可以提高光信号的传输质量和可靠性。
四、发展趋势1. 算法优化：随着计算机技术的发展，数字散斑相关方法的算法将会不断优化，提高计算效率和图像处理质量。
2. 多模态融合：数字散斑相关方法可以与其他图像处理方法相结合，实现多模态图像的融合，提高图像处理的准确性和可靠性。
3. 深度学习：深度学习技术在图像处理领域有着广泛的应用，数字散斑相关方法也可以与深度学习相结合，提高图像处理的自动化和智能化水平。
关于数字散斑相关技术在工程测量中的运用的文献综述
关于数字散斑相关技术在工程测量中的运用的文献综述第一篇：关于数字散斑相关技术在工程测量中的运用的文献综述苏州大学本科生毕业设计（论文）关于数字散斑相关技术在工程测量中的运用的文献综述数字散斑相关方法(DSCM)，是起源于20世纪80年代初的一种光学测量方法，是对全场位移和应变进行量化分析的一种光测实验力学方法，其基理是通过分析试件变形前后表面散斑图的变化，来获得位移和应变场。
与传统的光测方法相比，数字散斑相关方法具有如下优点:光路简单，不需要特殊的光学仪器，可以使用白光做光源:对测试环境要求低，受外界影响小，便于实现工程现场应用；测量范围和灵敏度可以自由变化，可以适用于从微观到宏观、从大变形到微变形的测量；具有非接触性、无损测试的特点；数据处理自动化程度高。
但是目前的DSCM方法在位移、应变测量精度以及数据处理速度上还存在许多不足，在一些工程测量应用中受到限制。
另外，大部分的科研人员选择MATLAB或面向过程语言Fortran、C等编写相关计算程序，并且由于没有足够的软件开发经验，因此所开发出的程序可读性差、难以移植、难以维护和扩展，使得他们的成果不能很好的被重复利用。
自 DSCM 方法提出以来，国内外许多学者在这一方法的研究上做了大量的工作。
1983年Peters首先应用数字散斑相关方法进行了刚体位移测量方面的研究。
同年M.A.Sutton又对相关搜索的方法进行了改进，利用粗相关与细相关相结合的方法提高了计算的速度，但这时的结果只有位移分量。
T.C.Chu和Ranson等人对数字散斑相关方法的精度进行了研究，完善了这种测试方法的理论。
M:A Sutton等人又从理论上分析了亚象素恢复过程所带来的测量误差，提出了亚象素恢复等合理方法.1989年ussel把数字散斑相关方法用在复合材料的应变测试上，测出裂纹的二维应变场。
同年Bruck等采用基于二元三次样条插值亚象素重构Newton-raphson迭代算法求解数字相关问题，使数字散斑相关方法有了重大改进，提高了搜索速度和精度，使数字相关方法的理论更加完善。
数字散斑相关技术中散斑颗粒尺寸大小对测量精度影响的研究_吴加权
第31卷第5期2006年10月 昆明理工大学学报(理工版)Jour nal ofK un m ing Un i versity of Sci ence a nd Technology (S cience and Technolo gy )Vo.l 31 N o .5 O c.t 2006收稿日期:2005-09-26.基金项目:校青年启动基金(项目编号:2006-25).第一作者简介:吴加权(1976～),男,在读研究生.主要研究方向:数字散斑测试技术.E -ma il :w j qlhy @sina .co m数字散斑相关技术中散斑颗粒尺寸大小对测量精度影响的研究吴加权,马琨,李燕(昆明理工大学理学院,云南昆明650093)摘要:通过选取不同颗粒尺寸大小的散斑场针对不同距离,不同位移情况下进行了实验研究比较,给出了散斑颗粒尺寸大小对测量精度的影响.并以实验结果的相对误差为依据,为将数字散斑相关测试技术实际用于大型建筑工程安全检测时散斑场的人工制作提供一个可靠的实验参考依据.关键词:数字散斑;散斑颗粒;精度中图分类号:TN247文献标识码:A 文章编号:1007-855X (2006)05-0121-04The Infl uence of the Speck l e Size i n the D i gital Speck l eCorrel ati on T echni que on M easure Precisi onWU J i a -quan ,M A Kun ,LI Yan(F aculty of Science ,K un m i ng Unive rsit y of Science and Techno l ogy ,K un m i ng 650093,Ch i na )Abst ract :D ifferen t sizes o f speck l e s under t h e conditions of diffe r ent distances and disp lace m ents are i n vestiga -ted in this paper .The infl u ence of the speckle size onm easure pr ecision is anal y zed .Based on t h e re lative err o rs of the experi m ents r esu lts ,t h is pape r co m es up w it h a re liab le r e ference fra m e w ork for the fu t u re applica tion of DSC M m easure m ent in pr eparing speck l e fie l d in the safety detection o f lar ge constr uction pro j e cts .K ey w ords :digita l speck l e ;speckle size ;precision0引言数字散斑相关方法(Dig ital Speckle C orr e lation M e t h od )是在20世纪80年代由YAMAGUCH I I .W.H.PETERS 和W.F .RANSON 等同时独立提出的用于物体面内测量的一种非接触式光学测量方法[1].由于数字散斑相关方法直接提取物体表面随机分布的自然或人工散斑场中的变形信息.因此,数字散斑测量技术已经发展成为一种灵敏度高、对测量环境要求低、数据处理自动化、适用范围广的非接触、全场测量的有效手段,成为现代光测力学中的一个重要组成部分.应用散斑测量技术己经成功地对物体的变形、振动以及断裂等静动态力学问题和流场、热传导等问题进行了有效的测量,甚至在以往较难处理的特殊条件(如高温、水下、强磁场等)下的力学测量问题也获得了较为满意的结果[2].随着光电子技术、信息技术、数字图像处理技术的不断发展,数字散斑相关方法也在向前快速发展[3,4],如何提高相关识别的精度是它研究的一个重要方面.国内外对提高数字散斑测试精度的研究重点更多是集中于相关搜索方法的改进[5,6],而对数字散斑测试技术用于实际力学测试之中,散斑场颗粒大小的选取,目前还没有一个系统的比较和认可.散斑颗粒尺寸太小可能会被漏识,尺寸太大可能被误识,从而降低测量精度.如何在不同图像采集距离下选取适当尺寸散斑颗粒来制作散斑场,提高测量精度是一个值得研究的实际问题.本文拟就将数字散斑用于大型建筑宏观位移与变形检测时,特别是在桥梁的安全检测DOI 牶牨牥牣牨牰牨牨牪牤j 牣cn ki 牣牭牫牠牨牪牪牫牤n 牣牪牥牥牰牣牥牭牣牥牪牰中,如何选取散斑颗粒尺寸制作人工散斑场进行大量实验研究比较,为不同距离、不同位移和不同应变情况下散斑颗粒尺寸大小的选取提供一个可靠的实验参考依据.1相关理论数字散斑相关方法的基本思想是:对物体变形前后采集到的两幅图像(散斑场)进行相关处理.在一空间坐标系统XYZ 中,被测物体上一点P 的坐标为x ,y ,z ,而变形后的坐标为x ′,y ′,z ′,其关系可以写作x ′=x +u ,y ′=y +v ,z ′=z +w ,u ,v ,w 为位移分量.在实际测量中,以平面方式记录散斑场.在变形前物体表面的灰度场为P (x ,y ),在变形后物体表面的灰度场为P (x +u ,y +v ),现在问题变成考虑两个灰度场的相关来测量u 和v .将变形测量问题转化为一个相关搜索和相关识别的数值计算过程,以实现物体变形场的测量.常用相关公式为:C (u ,v , u x , u y , v x , v y )=∑[F (x ,y ) G (x *,y *)][∑(F (x ,y )2) ∑(G (x *,y *)2)]12=〈F G 〉[〈F 2〉 〈G 2〉]12式中C 为相关系数,F (x ,y )是变形前图像灰度函数,G (x *,y *)是变形后图像灰度函数.该公式表示在变形前后的图像上,各取大小为m ×m 的子区域,计算相关系数C ,通过试凑位移法在变形后的图像上移动子区域,使C 取得最大值的u ,v ,便可得到物体表面的像素位移值.由于物体表面任意一点变形测量的相关搜索是基于物体上该点周围一子区域中的散斑分布来完成的,散斑场中的斑点记录了物体的变形信息.因此,散斑颗粒尺寸的大小直接影响着测量的精度,尺寸太大,子区域中不同的点可能具有相同的灰度值信息而造成误识影响到测量的精度;尺寸太小又可能不易被处理软件所识别而造成漏识,同样影响到测量的准确度以及精度.2图像数据采集本实验数据采集系统由两部分组成:软件部分(DSC M 处理系统)和硬件部分.其中硬件部分由W ate r WAT -902型CCD 配5.5～33mm F16镜头和雅美森公司M PEG -TV 炫影200视频图像采集卡,图像采集最大分辨率768×576×24bit ,获得768×576像素点的真彩色图像,实际上是256级灰度图像,高速计算机处理系统、带千分尺精密微调架、不同型号砂纸.实验装置如图1所示.为了提高实验测量的精度以及可靠性,实验采用将研究的不同型号砂纸贴于精密可调平台的同一平面内构成散斑场,自然光作为照射光源.之所以选用砂纸作为研究对象是由于在进行相关运算时,要求斑点在变形前后一一对应,否则变形前后子集就不会完全相关,砂纸反光性较好,散斑颗粒分布均匀,肉眼观察明显,物体变形时它只随基点平动或转动,可以保证反射光强基本不变,形成高质量散斑场.在移动微调平台前采集一幅散斑场图像,移动微调架的可动平台使散斑场产生一平移,得到第二幅散斑场,以模拟物体变形场.将两幅散斑场图像输入DSC M 处理软件进行相关运算便可得到移动的位移量.图2是在拍摄距离为20c m 自然光照下实验所采集到的一幅散斑图,图中(a )、(b )、(c )、(d )分别为粒径471μm 、300μm 、150μm 、125μm 四种不同型号的砂纸.122昆明理工大学学报(理工版) 第31卷3实验系统精度分析为了验证DSC M 数字相关方法软件的正确性,分析该方法的精度以及可行性做如下实验.3.1图像平移实验用作图软件将图2在水平方向平移8个像素作为变形后的图像,对二幅图像做相关运算,其计算结果精确地等于给定值,相关系数精确地为1.由此可见该计算软件的精度是十分高的,所产生的误差大都由外界因素所产生.3.2绝对无位移实验将图2先后读入DSC M 测试软件,设定子计算区域为51×51像素进行相关运算,计算结果位移全为0,相关系数为1.3.3无位移实验为了验证由于外界干扰,包括光源、CCD 热噪声等所带来的影响,对同一散斑场拍摄多幅散斑图对这些图像进行相关运算.理论上位移及位移导数应为0,但由于系统误差及热噪声使散斑场表面信号有所变化而使得结果不为0.测试结果显示位移误差在0.001～0.01像素左右,该结果给出了测试软件的测量精度在0.01像素以上.4不同距离砂纸平移测试在精密微调架上贴粒径为471μm 、300μm 、150μm 、125μm 四种不同型号砂纸,对应砂纸颗粒尺寸由大到小.图像采集距离在5c m 、10c m 、20c m 下移动微调架千分尺刻度旋钮使可动平台在水平方向上作0.05～0.5mm 平移实验.采集相应散斑图作相关运算,图像大小为512×512像素,子区域尺寸为51×51像素.依据散斑场所置刻度尺读数得出散斑场与图像之间放大倍数,将运算结果转换为长度与千分尺读数进行标定,得出实验相对误差,作出误差曲线图(图3).5实验数据分析5.1拍摄距离为5c m 的散斑场在拍摄距离较近时,从整个位移平移过程的相对误差曲线图3(a )中可以直观地看到由125μm 砂纸构成的散斑场,其相对误差随位移平移量增加而减小.当位移小于0.05mm 时,对应的相对实验误差较大,其测量精度比较低.当位移为0.05mm 时其相对误差为9.8%,绝对偏差依据放大倍数换算成长度为0.004mm.当平移位移为0.5mm 时其相对误差为0.46%,经同上放大倍数的换算,其偏差为0.002mm.而对于471123第5期 吴加权,马琨,李燕:数字散斑相关技术中散斑颗粒尺寸大小对测量精度影响的研究124昆明理工大学学报(理工版) 第31卷μm、300μm、150μm较大砂纸颗粒尺寸构成的散斑场而言,从单个位移测点来看,其相对误差在有的位置小于125μm散斑场,但从整个过平移过程来说,实验测得数据相对误差波动性较大,不具有一定的规律,其测试精度不具有可靠性.在这种情况下,我们认为实际测量时选取125μm砂纸颗粒尺寸来制作散斑场是可取的.5.2拍摄距离为10c m的散斑场从图3(b)中可以看到四种不同型号砂纸误差趋势基本一致,且对于每一个测点来说其误差也基本保持了一致性.特别是在位移大于0.1mm时其相对误差均在2.0%以下,依据放大倍数转换为长度其基本偏差为0.001mm以下,这个误差可以保证所需测量精度.其中471μm砂纸误差曲线变动相对更为平稳,在实际检测过程中,该条件下471μm砂纸颗粒尺寸的散斑场应是首选.5.3拍摄距离为20c m的散斑场从图3(c)给出的误差曲线来看,前三种砂纸形成的散斑场其测量数据整体跳变较大,不适于该情况下的选择.对于471μm砂纸来说,在位移大于0.05mm时,其误差变化相对平稳,其最大绝对偏差保持在0.001mm以下.6结论通过研究,针对实际大型建筑实际检测时,从上面三种不同位移、不同图像采集距离来看,在近距离采集散斑图进行相关运算测量时,小尺寸125μm砂纸颗粒散斑场优势明显;在较远距离时,大颗粒尺寸471μm砂纸构成的散斑场占有较强优势.在此,建议使用471μm砂纸颗粒尺寸形成的散斑场,并且保持图像采集距离在5～20c m之间.上述拍摄距离为10c m的散斑场为工程实际提供了一个很好的实验参考依据.笔者曾对小于5c m和大于20c m的距离进行了相应的实验,其实验数据处理结果皆不理想.当位移较大时,测量误差较小,测量精度较高.当位移小于0.05mm时,对应的相对实验误差较大,其测量精度较低,宜采用别的方法进行处理,可以考虑给试件加装双摄像头放大成像系统以及改进DSC M处理系统.这一问题我们将在另一论文中加以讨论和分析.参考文献:[1]金观昌.计算机辅助光学测量[M].北京:清华大学出版社,1997.[2]王翎.混凝土支撑梁的无损检测与补强[J].无损检测,2003,25(4):206-208.[3]马琨,张文栓,李行一,等.应用CCD在摄像系统实际分辨率的分析.计算机应用研究[M].重庆:西南交通大学出版社,2003:384-385.[4]李行一,马琨,肖正杰.物体表面位移场测定的数字图像处理方法[J].计算机应用研究,2003:386-388.[5]Peng Zhou,K enneth E.G oodson.Subpi xe l displace m en t and de for m ati on g radient m easure m en t usi ng di g it a l i mage/specklecorrelati on(D ISC)[J].O p.t Eng.,2001,40(8):1613-1620.[6]芮嘉白,金观昌,徐秉业.一种新的数字散斑相关方法及其应用[J].力学学报,1994,26(5):599-606.。
数字散斑相关方法及其在碳纤维复合材料压力容器变形测量中的应用_孟利波
u Δ x
u Δ y
k T
k
Δv 0
k
Δ v y
k k k uk i = u 0 +( u / x ) Δx i +( u / y ) Δy i k k k vk i = v 0 +( v / x ) Δx i +( v / y ) Δy i
Ψ中的每一个点分别取 i = 1 , 2 , 3 , … , n , 可以得到 n 个方程 : ΔI k1 =
[ 1 ]
料压力容器在使用中的可靠性 , 有必要对它在受载 条件下进行监控 、 测量 。 传统的应变计电测法虽然 等人提出的 , 是 可以得到较为可靠的数据 , 但它是一种 “ 点应变” 测 量方法 , 很难得到一个区域的全场数据 ; 在通常的复 合材料压力容器检测实验中 , 碳纤维或者其表面的 保护膜可能在受载过程中撕裂 , 电测应变片将无法 正常测量 。 如何寻找更可靠的测试技术已经成为目 前航天航空复 合材料压力容器变形测 量的重要课 题[ 2 , 3] 。 本文首先详细介绍了一种基于图像灰度梯度迭 代的 DSCM 方法 , 这种方法弥补了基于相关系数插 值或拟和的 DSCM 方法在测量大应变位移场方面 的不足 , 并使用该方法研究了复合材料压力容器在 水压条件下的变形 , 给出了位移场和应变场 。 测量 结果表明 , 基于图像灰度梯度迭代的 DSCM 方法是 一种适宜于现场测量的无损检测方法 。
光 学 技 术
1002-1582( 2006) 02-0163 -05 文章编号 :
数字散斑相关方法及其在碳纤维复合 材料压力容器变形测量中的应用
孟利波1 , 金观昌1 , 姚学锋1 , 罗敏2
( 1. 清华大学 航空航天 学院 , 北京 100084 ; 2. 中国航天第 6 研究院第 41 研究所) 摘 要 :提出了一种新的基于图像 灰度梯 度迭代 的数字 散斑 相关方 法( DSCM , digital speckle correlation method )。 通过使用 DSCM 测量碳纤维复合材料压力容器在水压下的局部区域的位 移场和应 变场 , 分析了复合 材料压力 容器的轴 向和环向的变形特征 , 为碳纤维复合材料压力容器的优化设计提供了理论和实验依据 。 关 键 词 :数字散斑相关方法 ; 复合材料压力容器 ;应变测量 中图分类号 :T N25 ;T H706 文献标识码 : A
数字散斑相关方法
数字散斑相关方法引言：数字散斑相关方法是一种基于散斑理论和数字图像处理的技术，用于对光学系统的像差进行测量和校正。
本文将介绍数字散斑相关方法的原理、应用以及发展趋势。
一、原理散斑是由于光波在经过不均匀介质时产生的波前相位畸变所引起的。
数字散斑相关方法利用散斑的特性，通过对散斑图像进行相关分析，可以得到光学系统的像差信息。
1. 散斑图像采集需要通过光学系统将散斑图像采集下来。
可以使用CCD相机等光学设备进行图像采集。
采集的图像应包含充分的散斑信息，以保证后续的相关分析准确。
2. 散斑相关分析将采集到的散斑图像与参考图像进行相关分析，得到相关系数图像。
相关系数图像中的亮度分布反映了光学系统的像差情况。
亮度较高的区域表示该处像差较大，需要进行校正。
二、应用数字散斑相关方法在光学系统的测试和校正中有着广泛的应用。
1. 光学元件表面检测数字散斑相关方法可以用于检测光学元件的表面质量。
通过采集散斑图像并进行相关分析，可以得到元件表面的像差信息，从而评估元件的质量。
2. 光学系统像差校正光学系统在使用过程中可能会出现像差，影响成像质量。
数字散斑相关方法可以通过分析散斑图像，定位像差的位置和大小，并进行校正，提高光学系统的成像质量。
3. 光学系统对焦数字散斑相关方法可以用于光学系统的对焦。
通过分析散斑图像的相关系数分布，可以确定光学系统的最佳对焦位置，保证图像清晰度。
三、发展趋势随着数字图像处理技术的不断发展，数字散斑相关方法也在不断改进和完善。
1. 算法优化数字散斑相关方法仍然存在一些问题，如对噪声的敏感性和计算复杂度较高等。
未来的发展趋势是进一步优化算法，提高相关分析的准确性和效率。
2. 自适应散斑相关方法目前的数字散斑相关方法通常需要事先采集参考图像。
未来的发展趋势是研究自适应的散斑相关方法，不依赖于参考图像，能够实时进行像差分析和校正。
3. 多尺度散斑相关方法光学系统的像差通常具有多个尺度。
未来的发展趋势是研究多尺度的散斑相关方法，能够对不同尺度的像差进行分析和校正，提高成像质量。
数字散斑相关法在鱼皮拉伸测量中的应用研究
数字散斑相关法在鱼皮拉伸测量中的应用研究数字散斑相关法(Digital Speckle Correlation Method,DSCM)是一种全场变形、非接触式的测量方法,通过图像处理,可以获得被测物体表面位移、应力变化等信息。
因其具有对环境要求不高、测量精度高等优势而得到广泛应用。
经过几十年的研究探索,其相关理论已经相对趋于成熟,在工程中也得到了很好的应用,为相关科研带来了很大的帮助。
鱼皮是一种优质的皮革材料,其微观结构在仿生学上已有重要应用,为全面了解其力学性能,本文运用DSCM技术对鲤鱼皮材料拉伸性能进行研究,为其潜在的仿生学应用提供数据支撑。
整像素是数字散斑相关法的基石,针对提高整像素搜索速度问题,论文选择遗传算法、粒子群算法和人工鱼群算法。
阐述在不同变形下子区形函数及相关函数的选择,通过模拟散斑图,验证三种智能算法的搜索速度和匹配精度。
为提高亚像素的测量精度,论文对不同插值法的效果图进行了对比,提出拟合和双三次样条插值相结合的亚像素算法,并与反向组合高斯牛顿算法进行对比,表明反向组合高斯牛顿算法的适用性更强,但组合式算法有较好的综合优势,兼顾了速度和精度。
针对鲤鱼皮性能测试,搭建了实验平台。
该平台由Q-400微变形测量系统和卧式拉力试验机组成,可实现对拉伸过程中的图像采集及存储。
将上述算法对采集的图像进行处理,结果表明本文使用的方法速度快、精度高,满足数字散斑相关法在鲤鱼皮变形测量中的应用。
论文还对实验过程中各影响因素进行了分析,结果表明误差在可控范围之内。
数字散斑相关方法和分形理论在木材力学研究中的运用的开题报告
数字散斑相关方法和分形理论在木材力学研究中的运用的开题报告一、研究背景及意义：数字散斑相关方法和分形理论是近年来发展起来的一种先进的非接触式检测技术，通过对物体表面散射的光束进行成像和分析，可以得到高精度、高分辨率的信息。
在材料力学研究中，木材是一种重要的研究对象，其内部结构和力学性质往往决定着其性能和用途。
数字散斑相关方法可以用于测量木材的表面形貌和质量检测，例如在木材纹理图像处理、木材水分含量检测等方面都有应用。
而分形理论则可以用于研究木材的内部结构和力学性质的复杂性，例如在木材弹性模量和屈服强度等研究中都有应用。
因此，将数字散斑相关方法和分形理论相结合，可以更全面、更深入地研究木材的力学性质。
二、研究内容和方法：本文主要研究数字散斑相关方法和分形理论在木材力学研究中的应用，具体包括以下内容：1.数字散斑相关方法在木材表面形貌测量和质量检测方面的应用。
采用数字散斑相关方法，对不同类型的木材的表面形貌进行测量，通过分析数字散斑图像特征，得到木材的表面形态参数和表面平整度等信息，同时对木材水分含量和杂质等质量因素进行检测。
2.分形理论在木材内部结构和力学性质研究中的应用。
采用分形理论，对不同类型的木材的微观结构进行分析，通过计算木材的分形维数和盒子计数等参数，得到木材的内部结构特征和复杂性。
同时结合实验测量数据，利用分形理论研究木材的力学性质，如弹性模量和屈服强度等。
3.将数字散斑相关方法和分形理论相结合，在木材力学研究中的应用。
分别采用数字散斑相关方法和分形理论对木材进行表面形貌和内部结构的分析，相互比较并验证分析结果的准确性和可靠性。
进一步结合两种方法的研究结果，综合分析和评估木材的整体力学性质和性能。
本文将采用数字散斑相关方法和分形理论相结合的研究方法，通过对不同类型的木材进行实验测量和数据分析，得到具体的结果和结论。
三、研究预期结果和意义：本文的研究预期结果如下：1.通过数字散斑相关方法的应用，能够更准确、更详细地获取木材表面形貌的数据，为木材的质量检测提供更可靠的支持。
散斑尺寸对数字图像相关方法检测表面裂纹的影响
散斑尺寸对数字图像相关方法检测表面裂纹的影响
Milad Z.Aghdam;Nasser Soltani
【期刊名称】《中国科学技术大学学报》
【年(卷),期】2022(52)6
【摘要】数字图像相关(DIC)是一种用于无损检测的实验应力分析技术。
DIC在裂纹检测中的准确性取决于多种因素,如散斑和像素的大小。
本文将基于纳米粒子扩散形成的小尺寸散斑的散斑图案与传统的喷涂图案进行比较,以研究是否可以通过减小散斑和像素的大小来改进DIC裂纹检测。
由于纳米颗粒尺寸较小,使用光学显微镜对其进行放大。
首先,实验研究了扩散法裂纹检测。
结果表明,当裂纹边缘具有250 nm开口时,可以很容易地检测到裂纹。
随后,将扩散法与使用喷涂法制备图案的传统DIC在裂纹检测方面进行了比较。
结果表明,通过减小散斑尺寸和仔细分析散斑图案,此DIC技术在检测小裂纹方面明显优于传统技术。
此外,传统技术更适合检测大裂纹。
【总页数】11页(P57-66)
【作者】Milad Z.Aghdam;Nasser Soltani
【作者单位】德黑兰大学工程学部机械工程学院智能实验力学中心
【正文语种】中文
【中图分类】TB121
【相关文献】
1.数字图像相关方法最优散斑尺寸
2.基于数字设计散斑的数字图像技术在断裂裂纹检测中的应用
3.数字图像相关方法中基于熵的散斑子图质量评价研究
4.数字散斑相关技术中散斑颗粒尺寸大小对测量精度影响的研究
5.模拟散斑尺寸对数字图像相关算法影响分析
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第24卷 第4期2009年8月实 验 力 学J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICSVol.24 No.4Aug.2009文章编号:100124888(2009)0420269207结合数码显微镜的数字散斑相关方法精度分析及应用3侯方1,雷冬1,2,龚兴龙1(1.中国科学技术大学近代力学系,合肥230027;2.河海大学工程力学系,南京210098)摘要:结合数字散斑相关方法和一种新型的显微镜数码显微镜,提出了一种测量多晶材料晶粒尺度面内变形的新方法,并通过零变形校准实验、重聚焦实验和平移实验等一系列验证实验分析了该方法的精度和实用性。
作为应用实例,对一种镍基合金试件进行了单向拉伸和疲劳实验,得到了晶粒尺度下具有较大应变梯度的应变分布图像。
结果表明,该方法能够得到精确的位移测量数据,是一种理想的测量晶粒尺度变形的光测方法。
关键词:数字散斑相关;数码显微镜;多晶材料中图分类号:T H741 文献标识码:A0 引言多晶材料在今天的工业生产中已经获得了广泛的应用,对这类材料的力学性能的研究已经成为了机械工程和材料科学领域的重要课题。
过去的研究大多集中在宏观尺度,近年来,材料微观尺度上的力学行为开始受到关注,尤其是晶粒尺度的材料力学行为。
对于微细观力学理论来说,定量的基于晶粒尺度的研究,是验证其模型和理论分析正确性与合理性的重要手段。
同时,对晶粒内部的变形、晶间相互作用、异质材料的影响等的了解,也无疑会给多晶材料的微观理论的发展和数值模拟奠定基础[1]。
然而,微尺度力学量的定量测量是实验力学中的一个难题。
晶粒尺度下的变形常处于亚微米量级,大多数传统测量方法无法应用于如此微小的尺度。
实际上,由显微镜拍摄的高倍放大照片,只要微观结构灰度对比度足够大,就形成了广义散斑图.散斑本身包含了变形过程的大量信息,而光测力学中的数字散斑相关方法[2,3]最适合于提取两张散斑图之间的几何差别信息。
因此,结合高倍显微装置,应用数字散斑相关技术,可以解决微区的定量测量问题。
近年来,国内外对微观数字散斑相关方法的研究已经取得了丰富的成果[4-6]。
对数字散斑相关方法而言,能否获得高分辨率的散斑图像,是决定实验成败的关键。
传统的光学显微镜放大倍数有限,并且存在着小景深和镜头畸变的问题,所以大多数研究采用的是电子类显微镜。
然而电子显微镜同样存在着空间和时间畸变。
虽然近来有学者提出了一些补偿方法来减小误差[6-8],但是比较复杂,甚至可能成为微观数字散斑技术应用的障碍。
基于上述研究现状,本文采用了一种新型的显微设备数码显微镜来作为实验的载体。
数字散斑相关方法与其结合起来,作为一种定量测量材料晶粒尺度变形的方法,在国内外的文献中鲜有报道。
本文对该方法的精度和误差进行了实验分析。
作为应用实例,对航空材料GH4169合金单轴拉伸以及疲劳循环中晶粒尺度的力学行为进行了研究。
3收稿日期:2009203227;修订日期:2009205230通讯作者:雷冬(1978-),男,博士后。
主要研究方向:实验力学,材料的疲劳断裂。
E2mail:leidong@1 数码显微镜下的数字散斑相关方法1.1 数字散斑相关方法简介数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Met hod ,DSCM )又称数字图像相关方法(Digital Image Correlation Met hod ,DICM )是上世纪80年代初由美国南卡罗来纳大学的W.H.Peter 和W.F.Ranson [2]以及日本的I.Yamaguchi [3]等人同时独立提出的。
经过多年发展,已经成为实验力学领域中一种广为人知并有着众多应用的非接触无损光学测量方法。
DSCM 通过图像匹配的方法分析试件表面变形前后的散斑图像,跟踪试件表面几何点的运动得到位移场,具有光路简单、非接触、全场、环境适应性好、测量范围广等优点。
近年来,DSCM 在理论研究方面取得了很大的进展,提出了数种精度高运算速度快的亚像素定位算法[9-12]。
基于计算精度与效率的综合考虑,本文选择了基于梯度的亚像素位移算法[14]。
另外,由于DSCM 得到的位移场均含有噪声,直接差分计算应变会带来很大的误差。
本文实验采用了逐点最小二乘法[13]对位移场进行降噪处理再计算应变。
1.2 数码显微镜数码显微镜是显微镜中的新秀。
早期的数码显微镜实际是在一台光学显微镜上配备成像装置,再将拍摄的图片传送到电脑上进行实时预览以及后期处理。
而新型数码显微镜的光路优化程度与图像处理能力都远远超过了以前。
本文使用的是KEYENCE 公司出产的V HX 2100型数码显微镜(图1)。
这种新型数码显微镜的景深很大,其内置光源还能够大大降低外界环境对图像质量的影响,能够得到高放大倍数、高分辨率的彩色金相图像。
1.3 数码显微镜下数字散斑相关方法的精度分析DSCM 的理论位移测量精度能够达到0.01像素,然而在实际应用中影响其精度的因素很多,导致误差会显著大于理论值。
由于它是利用图像灰度直接进行相关计算的测量方法,因此这种方法的测量精度很大程度上取决于图像质量的好坏。
就显微尺度而言,各种类型的显微图像采集系统都或多或少的存在着内部噪声、放大倍数不稳定以及镜头畸变等问题,这些都会影响到所拍摄的图像质量。
为了定量把握各种因素对测量精度的影响,本文进行了实验方面的研究。
实验材料GH4169镍基高温合金拥有很细的晶粒(小于15μm ),目前被广泛应用于航空航天领域。
为了满足DSCM 的要求,对试件进行打磨和抛光,然后用体积比为1∶1∶1的H 2O 2+HNO 3+HCL 溶液对抛光部位进行腐蚀。
经过以上工序,就可以在扫描电镜下得到清晰并具有足够对比度的微观组织图像。
试样的形状与尺寸见图2。
(1)测试系统的精度为了了解系统所能精确测量的最小位移值,即系统精度,进行了零变形的校准实验。
将一腐蚀过的GH4169试件放在显微镜的观测台上,保持试件位置、图像放大倍数、亮度和对比度等不变,在不同时刻采集两幅微观图像。
移动试件的位置,再在不同时刻采集两幅图像。
重复此过程10次,所采集的图像对分别称为图像对1～10。
然后把每对图像中的第一幅视为变形前图像,第二幅视为变形后图像,用072 实 验 力 学 (2009年)第24卷 DSC 软件进行处理。
每个图像对的计算面积为1200×800像素,计算点数为9801个,计算子区尺寸为61×61像素。
尽管事实上试件无位移,但由于系统误差(主要是算法误差)和随机误差的存在,使得计算出的位移不为零。
这个虚假的位移反映了整个系统对位移的敏感性,可以认为是该系统的位移精度。
根据数理统计知识,计算结果的平均值能够反映系统误差的大小,而标准差则可以反映随机误差的大小,因此可以将它们综合起来衡量系统的精度。
结果如图3和图4所示。
从图3可以看出,系统误差很小。
放大3000倍与500倍的系统误差基本在同一水平,最大误差不超过0.06像素。
从图4可知,随机误差随放大倍数增大而增大,放大3000倍时与500倍时相比有量级上的差异。
这是因为随着放大倍数的增大,光源的不稳定性以及内部噪声等因素对显微图像质量的影响也越来越大,而图像的质量直接关系到测量精度。
3000倍下标准差的最大值为0.034像素。
根据数理统计知识,测量的极限误差为标准差的4倍,即0.136像素,这个误差很小。
因此我们可以得出结论,在数码显微镜下应用DSCM 进行变形场的测量,测试系统的精度足以满足需要。
(2)重聚焦带来的影响用DSCM 测量的是物体表面的面内位移,而在实际情况下离面位移总是存在的,在宏观尺度实验中,由于CCD 镜头与试件表面的距离很大,离面位移带来的影响可以忽略。
而微尺度下的物距很小,被离面位移改变的物距会显著影响测量的相关度[20]。
同时,物距的改变也会使变形前后的图像放大倍数发生变化,进而影响测量值。
根据图像放大原理和坐标变换知识可以推导出,在变形前后图像放大倍数发生变化的情况下,用DSCM 测量得到的应变值(只考虑横向应变εx 和εy 纵向应变)相当于真实的应变值加上放大倍数的变化率。
举例来说,当变形前图像放大倍数为500倍,变形后图像放大倍数为501倍时,放大倍数变化率为0.2%,此时测得的横向与纵向应变值与真实值之间的误差也为0.2%。
为了减小误差,在拍摄变形后的图像之前必须进行重聚焦,保证变形前后的物距相同,从而使放大倍数一致。
然而在实际操作中重聚焦不可能精确回到原位,因此总会存在放大倍数不一致所造成的误差。
为了确定这种误差的大小,进行了一系列重聚焦实验。
先采集一副基准图,然后保证其他条件不变,对同一位置重新聚焦采集另一幅图像,将两幅图像作为一个图像对进行处理,共处理10对图像对。
相关计算所用参数与上文相同,在这里研究的是横向与纵向应变。
如果重聚焦很精确,使物距保持不变,那么重聚焦实验也就相当于上文提到的测量系统精度的实验了,此时所测得的应变应等于系统的应变精度。
根据数理统计理论,由于系统应变精度是由系统位移精度的随机误差值计算得到,因此其平均值也应该和随机误差的平均值一样趋于零(上文的精度实验中所有图像对的最大应变平均值没有超过2×10-5。
受篇幅限制,在此就不单独列出结果了)。
然而在实际操作中放大倍数的改变总是存在的,根据上文,改变的放大倍数会给应变加上一个值,此时应变平均值172第4期 侯方等:结合数码显微镜的数字散斑相关方法精度分析及应用就不会趋于零了。
因此可以用所有测量点的横向或纵向应变平均值来衡量放大倍数改变引起的误差大小,结果如图5所示。
从图5可以看出,εx 、εy 在放大500倍时的误差远远大于3000倍时的误差,这是因为显微镜的景深是随着放大倍数的增大而减小的,景深越小,越容易保证重聚焦的精确度。
放大3000倍时,最大误差不超过300个微应变,这个精度是能够满足晶粒尺度测量的要求的。
实际上,由于数码显微镜能够采集到清晰的彩色图像,非常有利于人眼进行重聚焦。
另外可以看出,对一对图像对而言,横向和纵向应变大小基本是相同的,这一点可以验证上文叙述的放大倍数改变对应变的影响。
图5 放大倍数的不稳定性对应变测量的影响Fig.5 Effect of magnification variance on strain measurement(3)平移实验为了衡量系统对微小位移的测量精度,进行了一系列的试样平移实验。
一个用于扫描电镜内的平移实验台在此处被用来对试样进行精确平移。
实验分别在放大倍数为500倍和3000倍下进行。
将平移前后的图像视为一对图像对,数字散斑相关计算所用参数与上文相同。
位移方向为水平方向。
将相关计算所得结果与实际位移值进行比较,结果如表1所示。