大型结构变形监测摄像测量研究进展

桥梁、隧道、舰船等大型结构变形的全场、高精度、动态测量,是其动态性能实验和质量监测的基本要求。摄像测量具有非接触、高精度、可测点多、实时动态测量等特点,在大型结构的变形监测方面有独特的优势。本文介绍了作者所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形监测方面的研究新成果和典型应用,包括提出位移传递像机串联网络摄像测量方法与技术,用于自动监测高速铁路、隧道等大型结构的路基沉降;研制天线基座变形摄像测量系统,实时、连续、长时间测量我国远望号测量船的天线基座变形等。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一。摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段。本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括：提出折线光路像机链摄像测量方法与技术,用于船体等大型结构,不稳定平台的静态基准转换,以及地下工程、边坡等的多点变形长期动态监测;采用多摄像机联合组网,用于机翼、风电叶片等大型结构形貌与变形的高精度测量;在投影轮廓线辅助下进行多部像机组网,用于对大型堆场三维形貌、料堆体积和高程等的高精度测量等。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一.摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段.本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括:提出折线光路像机链摄像测量方法与技...     

基于摄像测量原理的船体垂向变形测量半实物仿真实验研究

针对船体垂向变形测量的迫切需求,以及现有方法对于垂向变形适用性差的实际情况,提出了一种利用摄像测量原理实现垂向变形测量的新方法,推导了设备垂向变形角与姿态欧拉角变化量之间的转换关系,在此基础上设计了船体垂向变形测量方案。通过在平台上的CCD像机对与垂向设备基座固连的合作标志的实时观测,解算由于变形引起的合作标志姿态变化量,再利用合作标志与设备基座固连关系计算设备的垂向变形角。在实验室条件下进行了半实物仿真实验,实验结果测量值与参考值变化趋势一致,测量误差均在10″以下,说明该方法在垂向变形测量中正确可行。     

摄像测量技术在国防试验与航天器对接中的应用研究

摄像测量技术正在迅速发展和得到广泛应用,在国防试验和航天飞行任务中发挥着不可替代的作用.本文介绍了作者近年来在该领域所做的应用研究,包括在火箭、导弹发射试验,冲击、碰撞等过程中的动态目标运动测量;针对航天航空和力学工程领域的视频图像实时分析;飞行器三维运动测量以及对接航天器位置和姿态的实时测量.在这些应用中都实现了高精度测量.较近期研发并应用于航天器对接光学测量项目中的算法,对相机参数进行平差修正,能有效地抑制像机参数扰动,具有很强的鲁棒性.     

基于数字近景测量技术反演材料弹性模量新方法

将数字近景测量技术引入材料力学实验用于测量材料的弹性参数。在采用万能实验机进行实验时,由于实验机承压板与试件表面存在接触摩擦,影响试件均匀变形,导致测得参数精度不高。本文以高清数码相机Canon700D为工具,以边长为200mm的正方体均质橡胶试件为实验对象,通过AutoCAD提取摄像图像中试件表面各点变形前后的二维坐标,获得试件表面各点的变形数据;结合ANSYS对实验过程进行数值反演分析,修正实验获得的材料参数。研究结果表明:结合数字近景测量技术与ANSYS数值模拟,可以获得更精确的变形数据,相对误差仅为0.134%,对后续实际工程测量起到了理论指导作用。     

摄像测量在平台微小晃动量测量中的应用方法研究

平台在三维空间中的微小晃动反映到二维像平面上就是像点的变化。本文提出基于摄像测量学的小角度测量方法。通过固连在平台上的CCD像机对惯性空间中静态基准的实时观测,解算得到由于平台微小晃动引起的像机姿态变化量;利用固连关系得到平台的小角度变化量,并通过静态和动态实验证明了该方法准确可行,在36′晃动幅度下,测量精度优于5″。该方法在保证精度前提下,可以降低系统硬件成本,可用于修正车载式光学测量设备的平台晃动误差,具有一定的理论研究意义和工程应用价值。     

基于ASIFT图像特征的大视角点云配准方法

点云配准是物体三维轮廓获取的重要环节。基于图像特征的点云配准方法能较快地实现这一目标。然而,这种方法对于大视角点云的配准并不理想。针对这一问题,本文提出一种基于ASIFT图像特征的大视角点云配准方法。首先,用ASIFT算法提取大视角图像间的二维匹配点对;而后,利用图像像素和点云间的对应关系得到大视角点云间的三维匹配点对;最后,提出一种改进的RANSAC算法实现点云配准。实验结果表明,该方法可成功实现大视角点云配准。     

网格法及其在大变形测量中的应用

网格法具有操作简单、测量范围大、易于自动处理等特点。本文首先介绍了网格法测量的基本原理,其次用仿真的实验对网格法进行了检验,最后用皮革材料进行了拉伸实验。由于对镜头误差得到了修正、变形前后的网格点得到了自动匹配,从而实现了大变形的自动高精度测量。     

昆虫自由飞行参数的双棱镜虚拟双目测量

通过像机前加一个双棱镜实现单像机的虚拟双目拍摄,根据立体视觉原理可以获取空间点三维信息,该装置被用于测量昆虫自由飞行运动参数。如果双棱镜和像机摆放得当,可以简化立体视觉测量中对应点匹配这一最难步骤。实验获得了蜻蜓直飞过程中的一系列运动参数,将这些参数结合起来考察对于研究昆虫飞行机理非常有意义。特别地,我们对昆虫飞行中翅膀的柔性效应进行了初步讨论。     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

成像光路布置对数字相机热致测量误差影响规律的研究

研究了数字相机成像系统中物距和成像系统固定方式两个因素对相机自发热导致的图像变形误差的影响规律,通过分析得到了热致图像"虚变形"与物距的倒数关系并进行了实验检验。推导了固定位置位于镜头上时图像"虚变形"的表达式并进行了实验验证。研究表明,无论是成像系统的固定点位于相机上还是镜头上,自发热都会使得图像发生一个虚的膨胀变形,其大小与镜头接口的热膨胀参数和像距有关。本研究得到的模型和规律为指导实际光测力学应用中的光路布置以减小数字相机自发热导致的测量误差提供了理论依据。     

数字图像相关法在相似材料模拟试验中的应用

利用相似材料模拟试验研究印度某矿长壁开采采场厚硬顶板的破断规律,针对试验中传统的位移测量法的不足,引入了数字图像相关法。通过恰当布设模型、合理控制光照强度,实时用高分辨率数码相机拍摄模型在开采过程中的表面变形图像,借用数字照相图像分析与结果可视化应用软件系统GeoDPDM对序列照片进行相关性分析,得到了开采过程中上覆岩层变形的位移场和应变场。将分析结果与传统测量方法所得结果对比,得到两种方法具有较高的一致性,并将测试精度提高到0.6mm/pixel,成功实现了大范围模型变形的全场、非接触式测量。     

大视场双目投影条纹方法中的相机参数标定与优化研究

投影条纹法具有高精度、高分辨的特点,且实验设备简单,对实验环境要求低,适宜于不同尺度的三维形貌测量.双目投影条纹法通常采用有标准参照物的相机标定方法获取相机参数,以实现物体表面三维形貌重建.然而,在大型结构的三维形貌测量中参照物的相对尺度较小,传统的基于重投影的相机标定方法在特征检测中引入的误差会被放大,从而影响三维表...     

Sampling Moiré Method for Accurate Small Deformation Distribution Measurement

In this paper, a novel accurate deformation distribution measurement technique by using sampling moiré method is proposed. The basic principle and an experimental result of a steel beam in symmetric three-point bending are reported. In this method, the measurement area of a target is attached with an adhesive tape of a known pitch grating firstly. An ordinary CCD camera is installed on a fixed point to record the image during deformation. The captured image is analyzed by performing easy image processing, i.e., thinning-out and linear interpolation, to obtain the multiple phase-shifted moiré patterns. Then, the phase distribution of the moiré pattern can be calculated using phase-shifting method. Finally, the deformation distribution is calculated by the grating pitch times the phase difference of before deformation and after deformation. The experimental results in symmetric three-point bending test show that the displacement of the steel beam at loading point agree well with those obtained by an accurate displacement sensor. The average error of displacement measurement is less than 4 μm when 2 mm grating pitch is used, and it corresponds to 1/500 of the grating pitch accuracy. This indicates that noncontact deformation distribution measurement is possible by simple and easy procedure with high accuracy, high speed, and low cost for the structural evaluation of infrastructures.     

Real-Time Displacement Measurement of a Flexible Bridge Using Digital Image Processing Techniques

In this study, real-time displacement measurement of bridges was carried out by means of digital image processing techniques. This is innovative, highly cost-effective and easy to implement, and yet maintains the advantages of dynamic measurement and high resolution. First, the measurement point is marked with a target panel of known geometry. A commercial digital video camera with a telescopic lens is installed on a fixed point away from the bridge (e.g., on the coast) or on a pier (abutment), which can be regarded as a fixed point. Then, the video camera takes a motion picture of the target. Meanwhile, the motion of the target is calculated using image processing techniques, which require a texture recognition algorithm, projection of the captured image, and calculation of the actual displacement using target geometry and the number of pixels moved. Field tests were carried out for the verification of the present method. The test results gave sufficient dynamic resolution in amplitude as well as the frequency. Use of this technology for a large suspension bridge is discussed considering the characteristics of such bridges having low natural frequencies within 3 Hz and the maximum displacement of several centimeters.     

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

Centrosymmetric 3D Deformation Measurement using Grid Method with a Single-Camera

This study proposes an effective method to measure centrosymmetric 3D static and dynamic deformations from the microscale to macroscale using grid method with a single camera. The camera was tilted at a particular angle and used to observe specimen grids in order to acquire coupling fields of both in-plane and out-of-plane displacement. This study also analyzes the decoupling methods of these two displacement types, and a systematic deduction of a theoretical equation for 3D deformation analysis was conducted based on the method. The sensitivity of morphology measurement was then evaluated and the elimination of noise and rotational errors was discussed. The efficiency and accuracy of this technique was verified through a microscale static feasibility test and a high-speed impact experiment that simulated an underwater explosion. The proposed approach uses minimal equipment, is simple and convenient, and can be used to measure centrosymmetric 3D deformation in multi-scale both statically and dynamically. In addition, this method avoids the non-synchronization problem of a pair of high-speed cameras in high-speed 3D measurements.