基于三维数字图像相关法的全场变形测量技术研究

作     者：梁皓 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：岳林;冯月贵

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：三维数字图像相关法 全场变形 相机标定 三维仿真散斑图 应变场计算 

摘      要：结构表面变形测量是分析材料力学参数、研究结构力学性能的直接手段。三维数字图像相关法在二维数字图像相关法的基础上,结合双目立体视觉原理,可以准确测量结构表面的全场变形。相比于接触式变形测量技术,该方法具有非接触、全场测量等优势;相比于基于激光干涉的非接触式变形测量技术,该方法具有自然光照明、对实验环境要求较低、实验装置简单等优势。因此,三维数字图像相关法备受研究者关注,广泛应用于工程实验领域。为了提高三维数字图像相关法测量精度以及为应用性研究开展奠定基础,在深入理解三维数字图像相关法基础理论后,按照算法改进、软件设计、实验验证的研究思路,本文主要研究工作和成果包括:(1)针对相机标定环节中标定板特征点提取过程进行研究,实现了基于灰度重心法的圆心坐标提取算法,能够高精度、便捷地提取圆心特征在圆点标定板图像中的位置。通过平均重投影误差统计结果表明,新方法有利于改善相机标定精度。(2)提出了一种基于坐标映射的三维仿真散斑图生成算法,将系统测量误差与算法误差分离,可通过仿真分析方式进一步研究三维数字图像相关法误差传递过程。以圆柱件测量对象为例,相比于传统方法,本文所述方法虽然引入了亚像素灰度插值误差,但依然对应着更高的图像匹配精度与三维重建精度。(3)基于三维数字图像相关法基础理论,融合改进关键算法,设计开发了一款非接触全场变形测量软件,该软件可以通过实验中采集的标定图像序列与散斑图像序列,准确标定出两相机内部参数与相对位置参数,计算出结构表面变形过程中的三维位移场及应变场。(4)通过实验分析方式验证所编写软件的主要功能。采用随机抽样统计方法,分析了标定图像数量对标定结果稳定性的影响。以含缺口铝合金平板为测量对象,采用自编软件、商业软件VIC-3D与应变片三种方式,测量平板在静态加载情况下的表面变形,对比结果表明自编软件与商业软件的测量结果相近,为进一步的全场变形测量应用研究奠定了基础。