[发明专利]一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面局部应变及其均匀性的方法

摘要

一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面局部应变及其均匀性的方法属于土工试验技术领域，基于小型三轴试验仪实现，利用外置高速工业相机，对散斑处理后的三轴试样表面进行试验全过程拍摄，采集全过程图像数据；利用PS对试验图像进行预处理，并截取试样全面场矩形图像中的部分图像作为计算条带，利用DIC图像处理技术计算每一个计算区块的区域数据，最终得到各计算区块的中心点实际位移。根据得到的各计算区块的中心点实际位移，计算局部应变。根据计算所得试样体各局部应变，判别试验过程中试样体总体应变发展均匀性。本发明采用的设备装置简单、试验操作方便并能够减小试验过程中对试样的干扰，同时又能够准确测量试样各局部应变的方法。

主权项

1.一种利用数字图像处理技术测量三轴试样动态全表面应变及其均匀性的方法，其特征在于，该方法基于小型三轴试验仪(1)实现，散斑图像处理方法首次应用在动态三轴全表面应变测量及应变均匀性判别，不需外置传感器，避免其对试样变形的干扰，且能够精确测量试样体局部的轴向变形和径向变形，该方法具体包括以下步骤：1)采用小型三轴仪(1)制备三轴试样(6)；2)对乳胶膜(5)进行表面全场散斑处理；3)试样(6)顶部与底部分别放置透水石(4)，并在试样(6)外部套置乳胶膜(5)，将试样(6)放置于试样底座(7)上，安置试样帽(3)，绑扎乳胶膜(5)，完成安装；对试样(6)进行通气、饱和、固结，将连接轴(2)与液压加载系统连接；4)架设外置辅助照明设备，对试样(6)进行光照设置，使试样(6)表面光照均匀；5)架设高速工业相机(8)，并采用高速数据采集线(10)将其与电脑(9)连接，调节高速工业相机(8)的镜头，对试样(6)对焦后调整曝光率；同时，调试图像采集程序，设置采集参数；6)同时触发加载程序和图像采集程序，高频采集全过程试验图像至试验结束，获取试验图像；7)利用PS对试验图像进行预处理，获取试样(6)全面场矩形图像，截取沿长轴方向中心线左右各一定角度的弧长范围内的图像作为计算条带(11)；对计算条带(11)进行分层处理，将条带平均分为L层，获得L块计算区块(12)，并得到各计算区块(12)的灰度值数据，利用DIC图像处理技术分析每一个计算区块(12)的区域数据；其中一个计算区块(12)的计算过程如下：将一个计算区块(12)分成N块方形区域，所述方形区域的快数根据测量部位和测量精度要求选取，每个方形区域称为参考子区(13)，其中一个参考子区的中心点为P(X0,Y0)，除中心点外任一点Q(X,Y)，该参考子区(13)的像素为(2M+1)*(2M+1)，M根据图片质量选取；方形区域内任一点Q点变形后坐标，如公式(2)、(3)所示：其中，U表示变形前后P点横坐标位移值；V表示变形前后P点纵坐标位移值；利用临近域搜索算法，寻找目标子区(14)，利用归一化协方差相关函数计算相关系数极值，经过反复试算迭代计算，找到目标子区(14)，该目标子区(14)与上述参考子区(13)像素信息相同或相近，获得中心点P(X',Y')坐标，利用引入灰度变化的基于梯度的亚像素位移算法计算出该子区中点位移；用上述方法，可以求得N块参考子区(13)中心点的位移D，对求得各参考子区13位移D，利用公式(4)计算最终该计算区块12的中心点位移S；其中，S表示某一计算区块12中心点实际位移；N表示参考子区13的个数；Di表示某参考子区13中心点实际位移；按照上述计算过程，可以得到各计算区块12的中心点实际位移，计算结果如图6所示，本实施例中共计20块计算区块12及相应的各区块中心点位移时程曲线；8)根据步骤7)得到的各计算区块(12)的中心点实际位移，由公式(5)计算局部应变：其中，ε表示应变值；S1、S2表示相应局部的计算区块(12)中心点的实际位移；H是两局部中心点初始位置相对位移。