基于岩土渐进变形特征的数字散斑相关优化分析法_李元海

的适用前提条件尚未完全交代清楚，对于具体材料的 应用效果也缺少细致研究。 本文基于笔者对岩土材料渐进性变形特征的观察 与分析，提出了一种“局部定向搜索法” ，本质上也是 减少搜索点的数量，但与上述变全局逐点搜索为离散 点搜索方法不同的是，通过缩小搜索方向变全范围搜 索为局部区域搜索。 如果从 DSCM 优化层次或细分级 别上来理解，优化方法可以分为 3 层，即全局逐点搜 索→全局离散点搜索→局部定向（逐点或离散点）搜 索。可见，本文方法是结合岩土材料变形特点的细化 研究，与前述方法的结合，可进一步放大图像分析效 率， 对于 DSCM 在岩土工程试验中的推广应用具有比 较重要的实用价值。
第8期
李元海，等. 基于岩土渐进变形特征的数字散斑相关优化分析法
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性来获取被测目标表面测点位移和应变的一种现代量 测技术[1]。不难看出，图像采集与图像分析是 DSCM 中的两个关键技术，在当前室内试验中，多数情况下 满足要求的图像采集一般来说不是难题，而图像分析 方法及其软件实现则成为推广应用的关键。目前， DSCM 图像分析主要集中在应用研究领域， 并以提高 [2] 精度和速度两个指标为重点 。笔者针对岩土材料的 变形模式，此前对大变形（破裂）岩体的高精度量测 方法做了研究[3]，作为另一个关键问题量测速度，本 文仍然基于岩土材料的变形特点， 来研究 DSCM 的计 算效率。 DSCM 的图像分析类似于有限元分析，运算时间 是人们关注的焦点之一。由于当前数码相机图像分辨 率的不断提高，导致计算存储和运算量很大，例如， 对于 2000 万像素的数码照片， 一个像素点的颜色属性 和坐标位置一般用 RGB 3 个分量和 xy 两个坐标来表 示，相当于至少需要 1 亿个数组单元才能存储，而散 斑相关性分析的数据量则更大。实际分析中虽然并不 总是进行全部像素点的分析，但多数情况下的存储量 和计算量也相当可观，因此，计算速度在 DSCM 方法 应用中显得十分重要。归纳当前文献不难看出，通过 减少 DSCM 相关分析的像素点的数量来提高分析效 率是一个基本思路。如芮嘉白等研究了大量的相关计 算规律，发现相关系数分布呈现为单峰曲面，据此提 出了一种十字搜索方法代替已有的逐点搜索法[4]，但 孙一翎等研究发现对于一些材料，这种单峰具有局限 性，方法的使用会出现误判，为此提出了一种改进算 法，对于多峰（主峰与副峰）通过设定主峰相关系数 阈值， 每隔 3～5 个像素计算一点相关系数， 直到找到 相关系数大于阈值的点， 再按十字搜索法寻找主峰[5]； 简龙晖等则提出一种基于小波多级分解的相关搜索方 法，该方法利用二维离散正交小波技术对图像滤波去 噪同时进行多级分解，在通常搜索全域范围内变逐点 搜索为优选点的搜索[6]；王宜庚提出的计算相关性的 极值搜索法，通过将平面上散斑的连续搜索变为离散 搜索，将二维搜索变为一维搜索，从而使得 DSCM 图 像分析速度得以提高[7]；王昊则提出通过一种预测方 法，将散斑图分成若干子区域，在子区域匹配过程中 充分利用相邻区域的空间信息，预测子区域的位移， 缩小搜索范围，但文中测试是基于计算机理想化的模 拟条件，实际试验应用效果没有和常规方法做一对比 [8] 。此外，还有一些学者研究了遗传算法 [9]、神经网 络[10]、 粒子群优化等算法[11-12]在 DSCM 中的应用， 这 些算法的共有特征都是变全局逐点搜索为离散点搜 索，可以看作是 DSCM 的通用优化算法，为提高 DSCM 分析效率提供了很好的借鉴作用，但多数方法
百度文库
Optimized method for DSCM based on progressive displacement characteristics of geotechnical materials
LI Yuan-hai1, 2, JIA Ran-xu1, 2, YANG Su1, 2
(1. State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
DSCM 可以理解为是利用数码相机、 CCD 摄像机 等照相设备作为图像采集手段，获得观测目标的数字 图像后，再利用数字图像处理技术，通过计算判别变 形前后目标表面图像的灰度信息（数字散斑）的相关
─────── 基金项目 ：国家自然科学基金项目（51174197） ；国家重点基础研究发 展计划（ “ 973”计划）项目（2014CB046905） ；江苏省高校“青蓝工 程”中青年学术带头人培养项目（2012） 收稿日期：2014–09–13
第 37 卷 第 8 期 2015 年 .8 月
岩
土
工
程
学
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.37 No.8 Aug. 2015
DOI：10.11779/CJGE201508019
基于岩土渐进变形特征的数字散斑相关优化分析法
李元海
1，2
，贾冉旭
0 引
言
在岩土工程模型试验中，变形观测是研究岩土介 质与工程结构的基本力学行为、稳定性机理及其控制 方法的基础方法。 数字散斑相关 方法（以下简称 DSCM）以其非接触、高精度、精细度以及操作简单、 使用经济等特点，在变形演变的全程观测与细观力学 特性研究方面都具有突出的优越性，近年来在包括岩 土工程在内的多学科试验力学领域中得到广泛应用。
Abstract: The image analysis efficiency is one of the most important issues in digital speckle correlation method (DSCM) applied in geotechnical experiments. On the other hand, the displacement magnitude and direction of some types of geotechnical materials are characterized by slow changes. In order to improve the image efficiency of DSCM, an optimized method named “local direction search method（LDSM）” based on the progressive displacement characteristics of geotechnical materials is proposed, and its application prerequisites and key algorithm equations are also introduced. Functions of LDSM is implemented by programing in self-developed software PhotoInfor. The most common angle parameter scope from 30 to 45 degrees is given for the image search scope used in LDSM. The research shows that the image analysis results of LDSM are identical with those of the normal search method in DSCM. While the angle parameter in LDSM equals to 45 degrees, the analysis efficiency of LDSM is 1.3~1.6 times more than that of the normal search method. In other words, the analysis efficiency is improved by at least one time and is stable with the increasing analysis points on images. LDSM for DSCM has important practical values in geotechnical experiments. Key words: deformation measurement; digital speckle correlation; digital photogrammetry; local direction search
1，2
，杨 苏
.
1，2
(1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2. 中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116)
摘 要：图像分析效率是数字散斑相关方法（DSCM）在岩土工程试验应用中的关键问题之一，而一些岩土类材料在荷 载作用下的位移大小与方向具有缓慢变化的图像特征。为提高 DSCM 图像分析效率，提出了一种基于岩土渐进变形特 征的“局部定向搜索”（LDSM）优化分析方法，给出了该方法适用的前提条件以及具体算法和实用公式，并在自行研 制的数字照相量测软件 PhotoInfor 中编程实现了相应功能。此外，给出了“局部定向搜索法”的关键参数——搜索角度 的推荐取值范围（30°～45°）。研究表明： “局部定向搜索”优化方法分析结果与常规方法相同；在搜索角度为 45°时， 其计算效率相对于常规方法提高（1.3～1.6）倍；随着测点数量的增多，计算效率呈现出一定的稳定性。局部定向搜索 法对于 DSCM 在岩土力学与工程试验研究领域中的广泛应用，具有比较重要的的实用价值。 关键词：变形量测；数字散斑相关；数字照相量测；局部定向搜索 中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2015)08–1490–07 作者简介：李元海(1969–)，男，博士，教授，主要从事岩土工程数字照相量测技术与应用及地下工程安全分析与稳定 性控制机理等方面的研究工作。E-mail: Lyh@cumt.edu.cn。
1 岩土材料渐进变形特征分析
岩土类材料的变形按其时间发展变化可分为渐进 型和突变型两大类，岩土材料变形过程通常先发生渐 进变形然后产生突变。对于砂土类材料来说，渐进性 变形特征比较明显而且延续时间相对较长，然后在一 定的外载条件下， 可能会发生局部剪切滑动等大变形； 而对于岩石类脆性材料来说，渐进性变形通常发生在 弹塑性阶段，持续不断的高压加载条件下，初期变形 量（应变）相对较小，然后，可能会发生突然断裂等 突发型变形。岩石突变前后的位移变化特征相对比较 复杂，可另文专门研究。本文主要研究的是渐进性变 形阶段的数字散斑相关分析优化问题，以砂土材料为 主要对象，如图 1 所示。可以看出，砂土材料在变形 中，测点位移大小和方向，在某个较小的时间范围或 较小的外部荷载作用下， 是有一定规律的， 如图 1 （c） 相对于图 1（b）的一定区域砂土的位移总是沿着某个 方向趋势变化，而且角度变化较小，位移大小和方向 的变化比较平缓，具有明显的渐进性特征。
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岩 土 工 程 学 报
2015 年
图 1 砂土渐进性变形特征 Fig. 1 Progressive deformation features of sand
2 数字散斑相关基本算法分析
在数字散斑相关变形量测中，通过数字照片序列 上的像素测点所在区域图像相关性的判别，来计算变 形前后测点的坐标变化是关键。如图 2 所示，图像相 关性判别的原理通常是在两幅变形前后的图像上，通 过比较以两点为“中心”的大小相同的像素块中所有 像素 RGB 颜色灰度的相关性，来判别它们是否为相 同点。它以相关系数作为度量指标，采用相关系数公 式（式（1） ）进行计算。首先，计算变形图像上一定 搜索范围内的所有点 Pd 与变形前图像参考点 Pi 的相 关系数，然后，找出其中相关系数最大的点作为要寻 找的目标点，最后，通过计算参考点与目标点的坐标 差值即可获得测点在变形前后的位移，以此为基础， 再借助于有限元等方法进行应变计算[1]。