數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)介紹課件

1、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)簡(jiǎn)介2015.12.30數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展和DIC技術(shù)的產(chǎn)生DIC技術(shù)中相關(guān)圖像分析方法DIC技術(shù)在巖土力學(xué)研究中的應(yīng)用實(shí)例基于MATLAB的圖像處理方法簡(jiǎn)介1. 數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展數(shù)字圖像處理技術(shù)：是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期，早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量。例：美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首次成功應(yīng)用其對(duì)航天探測(cè)器徘徊者7號(hào)在1964年發(fā)回的照片進(jìn)行處理，繪制出了月球表面地圖。1972年英國(guó)EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計(jì)算機(jī)斷層攝

2、影裝置，也就是我們通常所說(shuō)的CT。CT的基該方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理來(lái)重建截面圖像，稱為圖像重建。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、通信工程、測(cè)繪工程、軍事公安、視屏和多媒體等方面都有廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)衛(wèi)星遙感測(cè)繪指紋識(shí)別電子眼測(cè)速點(diǎn)DIC技術(shù)DIC技術(shù)原理：通過(guò)對(duì)變形前后采集物體表面的兩幅圖像進(jìn)行相關(guān)處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物 體變形場(chǎng) 的測(cè)量。 DIC測(cè)量裝置數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)試系統(tǒng)2. 圖像分析方法數(shù)字圖像的基本組成元素是像素，RGB通常用來(lái)表示一個(gè)像素顏色的紅綠藍(lán)三個(gè)顏色分量，像素的顏色和坐標(biāo)是圖像分析的二個(gè)要素。在連續(xù)拍

3、攝的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌蛄兄?，識(shí)別出與初始照片上設(shè)定的量測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)是關(guān)鍵。模型試驗(yàn)上點(diǎn)的位移由像素塊的追蹤算法完成。位移追蹤通過(guò)試驗(yàn)數(shù)字照片序列上點(diǎn)的相關(guān)性判別，追蹤模型變形前后測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置是實(shí)現(xiàn)非接觸變形測(cè)量的關(guān)鍵圖像匹配的基本原理是在兩幀相關(guān)圖像上，通過(guò)比較以兩個(gè)點(diǎn)為中心的大小相同的像素塊的像素RGB顏色的相關(guān)性，來(lái)判別它們是否為相同的點(diǎn)。這里假設(shè)圖像上任一像素塊中的像素點(diǎn)的分布各不相同。相關(guān)性判別在變形前后圖像上搜索區(qū)域內(nèi)，如果二個(gè)像素塊的相關(guān)性最好時(shí)，相關(guān)函數(shù)的值達(dá)到峰值。在此給出四中具有代表性的相關(guān)函數(shù)。相關(guān)函數(shù)表達(dá)式絕對(duì)差相關(guān)函數(shù)最小差值平方和相關(guān)函數(shù)正則化互相關(guān)函數(shù)成像原理攝像機(jī)的

4、成像原理就是透鏡成像原理，攝攝像機(jī)的成像涉及到三個(gè)坐標(biāo)系分別為攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系。攝像機(jī)的成像過(guò)程就是這個(gè)三個(gè)坐標(biāo)系的一系列轉(zhuǎn)換。 攝像機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)是攝像機(jī)的光心，用 表示其坐標(biāo)值。 圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)則為 CCD 圖像平面的中心,坐標(biāo)值用( x , y )表示。像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義為 CCD 圖像平面的左上角頂點(diǎn),坐標(biāo)值用(u , v )表示。圖像坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換uvxy圖像坐標(biāo)系與像素坐標(biāo)系的關(guān)系圖 其中，dx和dy 分別是每個(gè)像素在圖像平面上 x 與 y 方向上的物理尺寸。圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換其中，f 是焦距也就是像平面與攝像機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)間的

5、距離。DIC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)非接觸測(cè)量、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、既可以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)也可以進(jìn)行局部變形測(cè)量、應(yīng)用范圍廣。粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）粒子圖像測(cè)速技術(shù)是流體力學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)手段，PIV是一種瞬態(tài)流動(dòng)平面二維流速場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，其基本原理是選擇具有良好流動(dòng)跟隨性和光散射性的微小示蹤粒子播散于流場(chǎng)中，用激光片光源把被測(cè)流場(chǎng)的某一測(cè)試平面照明，通過(guò)圖像采集系統(tǒng)，分別記錄下 、 時(shí)刻的流場(chǎng)粒子圖像，通過(guò)數(shù)字圖像處理，求出拍攝時(shí)間間隔內(nèi)粒子的位移，即可算出速度場(chǎng)。 典型的PIV系統(tǒng)示蹤粒子以及待測(cè)流場(chǎng)攝像頭高功率激光器光路同步裝置連接激光器和透鏡的光導(dǎo)纖維PIV系統(tǒng)硬件組成3D-PIV傳統(tǒng)的二維PIV技術(shù)只

6、能測(cè)量片光面內(nèi)速度。實(shí)際上，許多工藝裝置中的流動(dòng)都是復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)。用2D-PIV技術(shù)測(cè)量可能導(dǎo)致較大的誤差，解決這一問(wèn)題的方法是使用三維測(cè)量技術(shù)，這也是PIV技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。3D-PIV的關(guān)鍵問(wèn)題是示蹤粒子三維圖像的獲得及其三維坐標(biāo)的確定。目前獲取示蹤粒子三維坐標(biāo)信息的方法有：體視成像法和全息圖像法。標(biāo)定測(cè)試區(qū)空間尺度確定透視像距體積光照明測(cè)試區(qū)域采集兩組二維PIV圖像示蹤粒子三維定位同一示蹤粒子識(shí)別計(jì)算示蹤粒子速度向量基本試驗(yàn)測(cè)試程序圖1 地基承載力試驗(yàn)裝置圖2為基礎(chǔ)下沉5 mm時(shí)模型照片,試驗(yàn)階段位于荷載變形曲線峰值附近。圖2 地基下沉5mm模型照片圖36分別為地基模型垂直位移等

7、值線分布、位移矢量分布、模型最大剪應(yīng)變和體積應(yīng)變分布圖(坐標(biāo)單位為mm)。圖3和圖4表明用數(shù)字圖像相關(guān)法可以很好地量測(cè)砂土的位移變形,圖5清晰地顯示出試驗(yàn)峰值荷載附近基礎(chǔ)下方剪切帶的出現(xiàn)和位置，圖6再現(xiàn)了剪切帶內(nèi)外的砂土剪脹特征。圖3 模型地基垂直位移分布圖4 模型地基位移矢量分布圖5 模型地基最大剪應(yīng)變分布圖6 模型地基體積應(yīng)變分布試驗(yàn)研究結(jié)果表明:在砂土模型試驗(yàn)中無(wú)需布設(shè)任何實(shí)際量測(cè)標(biāo)點(diǎn)或描畫網(wǎng)格,直接利用數(shù)字照相和圖像分析方法,在一定變形范圍內(nèi),是一種簡(jiǎn)便有效而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的變形場(chǎng)非接觸量測(cè)方法,同時(shí)對(duì)進(jìn)一步量化分析研究巖土模型的難點(diǎn)問(wèn)題局部化變形和剪切帶問(wèn)題提供了一條可能的途徑,并可為相

8、關(guān)本構(gòu)模型的建立、檢驗(yàn)和改進(jìn)提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。模型試驗(yàn)中,針對(duì)土顆粒過(guò)大的錯(cuò)動(dòng)和滑移以及光照角度發(fā)生大的變化等因素對(duì)量測(cè)精度的影響,需要進(jìn)一步研究。結(jié)論基于數(shù)字圖像法的樁 土接觸面特性試驗(yàn)研究 陳亞?wèn)| 王旭東（南京工業(yè)大學(xué)） 工業(yè)建筑 2012.03摘 要: 樁與土接觸面的力學(xué)特性是樁 土共同作用研究中的一個(gè)重要課題。利用基于數(shù)字圖像的非接觸光學(xué)測(cè)量方法，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)密實(shí)砂土中樁 土接觸面上荷載傳遞特性、剪切位移場(chǎng)及剪應(yīng)變場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明: 密砂中單樁樁側(cè)摩阻力與沉降關(guān)系呈軟化型，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值所需樁身沉降約為樁橫截面邊長(zhǎng)的3% 。樁周土體剪切滑動(dòng)區(qū)發(fā)生在有限范圍的

9、土體中，最大剪應(yīng)變首先出現(xiàn)在樁頂及樁底附近土體中，而后向樁身中部發(fā)展，在極限荷載條件下，最大剪應(yīng)變沿樁身呈“兩頭大中間小”的分布形式。試驗(yàn)結(jié)果為合理建立樁 土接觸面模型和相關(guān)數(shù)值計(jì)算提供有益的參考。樁 土接觸面試驗(yàn)設(shè)計(jì)模型箱尺寸: 長(zhǎng)1. 0 m，寬1. 0 m，深1. 0 m; 模型槽正面用鋼化玻璃代替，以便照相，其他三面及底板用鋼板焊接而成。模型土料為細(xì)砂，密度為1. 65 g / cm3 ，內(nèi)摩擦角為32. 5，平均含水率為5. 03% ，相對(duì)密實(shí)度為0. 81，土粒相對(duì)密度為2. 65。試驗(yàn)時(shí)分層攤鋪，每層厚度為5 cm，多遍夯擊，直至砂土面達(dá)到設(shè)計(jì)高度。預(yù)先埋設(shè)模型方樁，方樁由細(xì)石混

10、凝土澆筑而成，邊長(zhǎng)b 為3 cm，樁長(zhǎng)為60 cm。試驗(yàn)中取樁身中段40 cm 范圍作為分析對(duì)象，即觀測(cè)區(qū)為樁頂下10 cm開始至樁端以上10 cm 止。圖1 為豎向荷載作用單樁樁 土接觸面模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。圖1 現(xiàn)場(chǎng)圖片采用反力架及絲桿升降機(jī)施加豎向荷載，用拉壓傳感器測(cè)量樁頂荷載; 基礎(chǔ)沉降采用量程為5 cm的位移計(jì)量測(cè)，兩只位移計(jì)對(duì)角布置，取其平均值為基礎(chǔ)沉降值。樁身側(cè)摩阻力由樁身各段軸力反算而來(lái)，樁身軸力由粘貼于樁身的電阻應(yīng)變片測(cè)得。試驗(yàn)結(jié)果及分析單樁荷載 沉降關(guān)系圖2 單樁荷載沉降對(duì)比曲線圖2 為單樁的荷載 樁頂沉降曲線。由圖2 可知，在加載初始階段，沉降呈線性發(fā)展; 加載后期非線性變

11、形特性較明顯，單樁呈陡降型破壞，屬于均勻土中的摩擦樁。樁土接觸面荷載傳遞特性圖3 為平均樁側(cè)摩阻力與樁頂沉降曲線。在加載的開始階段，單樁沉降較小，其平均側(cè)摩阻力與沉降呈直線關(guān)系，隨著荷載的增加，平均側(cè)摩阻力增長(zhǎng)趨緩，在沉降達(dá)到1 mm 左右，平均側(cè)摩阻力達(dá)到峰值，說(shuō)明在加載過(guò)程中，平均樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值所需要樁身沉降是很小的，約為0. 03b。由于密實(shí)砂土存在剪脹及應(yīng)變軟化特性，因此，隨著沉降的繼續(xù)增加，平均樁側(cè)摩阻力呈下降趨勢(shì)，并在沉降達(dá)到2 mm 左右趨于恒定，即樁側(cè)平均摩阻力 沉降關(guān)系呈軟化型。圖3 樁側(cè)摩阻力與樁頂沉降曲線樁 土接觸面土體剪切位移場(chǎng)圖4 為樁 土接觸面土體在不同沉降條

12、件下的剪切位移場(chǎng)。由圖4 可知，剪切位移主要分布在樁側(cè)附近，其影響范圍有限。在加載初期，樁周土顆粒以豎向位移為主，且數(shù)值較小，這階段土體處于擠密的過(guò)程; 隨著樁沉降的增加，樁 土相對(duì)位移增加，從而由樁帶動(dòng)樁周土體顆粒運(yùn)動(dòng)，接觸面上的土顆粒位移逐漸變大，位移矢量方向以斜向下為主。樁身下段較大水平位移的出現(xiàn)，說(shuō)明在壓樁過(guò)程中密砂發(fā)生了剪脹。樁 土接觸面剪切位移等值線圖5 為不同沉降條件下樁 土接觸面土體豎向剪切位移等值線圖。由圖5 可知，隨著離開樁軸線距離的增大，剪切位移不斷減小; 沿著樁頂至樁底，剪切位移有不斷增大趨勢(shì)。在沉降達(dá)到10 mm 左右，剪切位移影響范圍基本保持不變。剪切位移首先出現(xiàn)在

13、樁身下部，這是由于下部樁側(cè)表面正應(yīng)力較大，樁與土貼合較緊，樁帶動(dòng)樁周土體一起向下運(yùn)動(dòng)。隨著樁頂沉降的增加，剪切位移逐步向樁身上部及樁兩側(cè)發(fā)展。最終的剪切位移影響范圍由樁頂?shù)? 倍樁徑增加至樁底的3 倍樁徑( 從樁中心算起) 。as = 0. 96 mm bs = 4. 213 5 mm;cs = 10. 572 5 mm ds = 17. 132 5 mm圖5 豎向剪切位移等值線樁 土接觸面剪切位移沿樁身的分布圖6 為樁身不同部位，距樁中心線不同距離處的樁側(cè)土體剪切位移分布曲線，圖中r 為距樁中心線的距離，w 為樁側(cè)土體剪切位移。由圖6 可知，樁側(cè)土體變形主要集中在樁身周圍。當(dāng)r 不大于3b

14、時(shí)，隨著離開樁中心線距離增加，樁側(cè)土體變形急劇減小; 樁側(cè)土體變形沿著深度方向逐漸增大，其增速亦逐漸增大。當(dāng)大于3b 后，樁側(cè)土體變形即保持為恒定值。圖6 樁身附近剪切位移分布樁 土接觸面土體最大剪應(yīng)變場(chǎng)圖7 為不同沉降條件下樁 土接觸面土體最大剪應(yīng)變?cè)茍D。由圖7 可知，在靠近樁身處的剪應(yīng)變較大，隨著離樁軸線距離的增加而減小。在加載初期，最大剪應(yīng)變首先出現(xiàn)在樁頂及樁底附近土體中，隨著樁頂荷載的增大，最大剪應(yīng)變逐漸向樁身中部發(fā)展。在極限荷載條件下，最大剪應(yīng)變沿著樁身表現(xiàn)為“兩頭大中間小”的分布形式。在沉降達(dá)到10 mm后，樁已接近承載能力極限狀態(tài)，樁周土體最大剪應(yīng)變的分布形式基本保持不變。as

15、= 0. 96 mm bs = 4. 213 5 mm;cs = 10. 572 5 mm ds = 17. 132 5 mm圖7 樁周土體最大剪應(yīng)變場(chǎng)結(jié)論平均樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限值所需樁身沉降約為0. 03b，平均樁側(cè)摩阻力 沉降關(guān)系呈軟化型。樁側(cè)土體剪切位移發(fā)生在有限范圍的土體中，剪切位移影響范圍由樁頂至樁底逐漸增大。最大剪應(yīng)變首先出現(xiàn)在樁頂及樁底附近土體中，而后向樁身中部發(fā)展，在極限荷載條件下，最大剪應(yīng)變沿樁身呈“兩頭大中間小”的分布形式。基于PIV 技術(shù)的沉樁過(guò)程土體位移場(chǎng)模型試驗(yàn)研究曹兆虎 孔綱強(qiáng)（河海大學(xué)） 工程力學(xué) 2014.08摘 要：基于粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)，利用自行設(shè)計(jì)

16、的靜壓樁自動(dòng)沉樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)沉樁過(guò)程中樁周土體位移場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。在沉樁過(guò)程中，利用CCD(charge coupled device)高速工業(yè)相機(jī)連續(xù)拍攝試驗(yàn)觀測(cè)面上樁周土體變形的灰度圖像，然后對(duì)初始點(diǎn)和峰值點(diǎn)進(jìn)行分析，得到位移場(chǎng)分布。研究了不同沉樁深度、樁-土摩擦系數(shù)和樁尖形式情況下沉樁對(duì)周圍土體位移場(chǎng)的影響規(guī)律；相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果與圓孔擴(kuò)張理論解進(jìn)行對(duì)比分析，其徑向位移變形的規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的可靠性。相對(duì)常規(guī)試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，對(duì)環(huán)境要求不高，可以進(jìn)行非插入式全場(chǎng)測(cè)量。模型試驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)由光學(xué)平臺(tái)、模型槽、加載系統(tǒng)、圖像攝錄及后處理系統(tǒng)組成，具體如圖1 所示。光學(xué)平臺(tái)采用阻尼材

17、料，鐵磁不銹鋼表面，蜂窩狀支撐內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，抗振性能好，可減少加載系統(tǒng)和外界環(huán)境所產(chǎn)生的振動(dòng)，提高整個(gè)模型試驗(yàn)的可靠度；模型槽為長(zhǎng)方體，有機(jī)玻璃制成，內(nèi)部加肋以增加整體剛度，上部開口，外邊平面尺寸為130mm130mm，壁厚為5mm，高度為260mm；其中一側(cè)面通過(guò)精密機(jī)床標(biāo)定，設(shè)置有一系列參考點(diǎn)，用于測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，進(jìn)行像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)化；加載系統(tǒng)采用靜力沉樁自動(dòng)加載，由電機(jī)提供恒定加載速率，范圍0.1mm/s10mm/s，配有位移量測(cè)計(jì)，可同步記錄沉樁深度；圖像攝錄采用CCD 高速工業(yè)相機(jī)，分辨率1280960。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制可同步記錄沉樁過(guò)程，連續(xù)拍攝，得到一系列圖像；后處理軟件采

18、用PIVview2；圖1 模型試驗(yàn)裝置實(shí)物圖模型試驗(yàn)準(zhǔn)備土樣制備與模型樁制作砂土試樣采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，干樣，厚度為250mm，其比重為2.643，Cu=1.542，Cc=1.104，最大干密度和最小干密度分別為1.74g/cm3、1.43g/cm3。所采用砂土試樣的密實(shí)度為78%，制樣時(shí)，采用分層攤鋪，控制每層重量。圓形樁沉樁變形屬于軸對(duì)稱問(wèn)題，故模型試驗(yàn)采用半樁，不銹鋼材質(zhì)，保證其剛度，沉樁時(shí)樁中心線對(duì)準(zhǔn)模型槽觀察面中心線，緊貼著槽壁內(nèi)側(cè)下沉。模型試驗(yàn)工況為了研究沉樁過(guò)程中，樁身摩擦、樁尖角度和沉樁深度對(duì)樁周土體變形及流動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)了一系列模型試驗(yàn)工況如表1 所示。在考慮摩擦?xí)r，通過(guò)機(jī)床加工

19、在樁身切割縱橫交錯(cuò)的斜紋；在考慮光滑時(shí)，則用機(jī)械打磨光滑，并涂抹潤(rùn)滑劑。表1 模型試驗(yàn)工況圖沉樁過(guò)程中拍攝得到的一系列圖片通過(guò)PIVview2 軟件進(jìn)行處理，將整個(gè)圖像劃分為若干小圖像塊，通過(guò)計(jì)算各個(gè)小的圖像塊的位移得到整個(gè)圖像的位移場(chǎng)，再將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)即可得到相應(yīng)物理坐標(biāo)下的位移場(chǎng)。其圖像匹配的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)函數(shù)為：其中：M、N 為圖像塊的長(zhǎng)、寬；f 為t1 時(shí)刻圖像中，某圖像塊中心點(diǎn)坐標(biāo)(m, n)處的灰度值分布函數(shù)；g為 t2 時(shí)刻圖像中，該圖像塊中心點(diǎn)坐標(biāo)(m + ,n + )處的灰度值分布函數(shù)； 、 分別為 x、y 方向的位移增量。試驗(yàn)結(jié)果分析樁周土體的位移可以用箭頭矢量圖來(lái)表示

20、，以T1 為例，圖2(a)表示樁端從11R 沉到12R，樁周土體的位移，圖2(b)表示樁端從0 沉到12R，樁周土體的總位移。坐標(biāo)表示距離，單位mm。由圖2 可知，在接近樁端底部及樁身的區(qū)域內(nèi)剪切變形較大，當(dāng)所劃分的小圖像塊進(jìn)入該區(qū)域后，往往很難追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡，所以在徑向小于2R，豎向小于12R 區(qū)域內(nèi)的位移顯示不出。圖2 位移矢量圖沉樁深度L 的影響分析取樁身光滑、樁尖角90情況，對(duì)沉樁深度L分別為6R、9R、12R 的樁周土體位移進(jìn)行分析。如圖3 所示，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)為歸一化的樁周土體水平位移輪廓圖。隨著沉樁深度的不斷增大，樁側(cè)土體的水平位移不斷增大，最大影響范圍在6R

21、8R 附近。圖3 歸一化水平位移輪廓圖圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)為歸一化的樁周土體豎向位移輪廓圖。從圖4 發(fā)現(xiàn)，樁底端土體以向下位移為主，最大影響范圍在樁底4R5R 附近；樁側(cè)以向上位移為主，隨著沉樁深度的增大，豎向位移影響范圍逐漸增大，可能原因是隨著沉樁深度增加，排開土體的土顆粒增多，一方面土體顆粒之間發(fā)生擠密作用，一方面顆粒向斜上方運(yùn)動(dòng)，但由于模型槽的邊界效應(yīng)，土體顆粒逐漸向豎向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)造成土體表面的一定隆起。圖4 歸一化豎向位移輪廓圖樁尖角度的影響分析取相同沉樁深度L=12R，樁身光滑情況。圖5(a)、圖5(b)分別為樁尖角度45時(shí)樁周土體的水平位移輪廓圖和豎向位移輪廓圖。對(duì)比

22、圖5(a)與圖3(c)、圖5(b)與圖4(c)，由于樁尖角度的存在，改變了沉樁過(guò)程中土體顆粒的運(yùn)動(dòng)，樁底端排開的土體顆粒由于擠壓，向樁側(cè)斜上方運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致樁側(cè)水平、豎向位移影響范圍增大；而樁底向下的豎向位移及其影響范圍均減小。圖5 樁尖角45歸一化位移輪廓圖樁土摩擦系數(shù)的影響分析取相同沉樁深度L=12R，樁端水平情況。圖6(a)、圖6(b)為考慮摩擦的歸一化樁周土體水平位移輪廓圖和豎向位移輪廓圖。對(duì)比圖6(a)與圖3(c)，由于樁身摩擦的存在，增加了土體顆粒與樁身之間的擠壓作用，樁側(cè)土體的水平位移增大，最大影響范圍增大1R2R。對(duì)比圖6(b)與圖4(c)，由于樁身摩擦的存在，同樣樁側(cè)的豎向位移增

23、大，其影響范圍增大1R2R，而樁身摩擦對(duì)樁端底部的豎向位移改變不大。圖6 考慮摩擦的樁尖角90歸一化位移輪廓圖取相同沉樁深度L=12R，樁尖角度45情況。圖7(a)、圖7(b)為對(duì)應(yīng)的考慮摩擦的歸一化樁周土體水平位移輪廓圖和豎向位移輪廓圖。對(duì)比圖7(a)與圖5(a)、圖7(b)與圖5(b)，樁身摩擦對(duì)水平位移和豎向位移影響均不大，可能原因是樁尖與土體顆粒間擠壓作用影響較大。圖7 考慮摩擦的樁尖角45歸一化位移輪廓圖將T3、T5 試驗(yàn)結(jié)果中的水平位移與圓孔擴(kuò)張理論方法的結(jié)果進(jìn)行比較。如圖8 所示，選取沉樁深度L 等于12R，沿樁身高度z 分別為3R、6R、9R、12R、15R 處水平位移做比較，

24、圖中橫坐標(biāo)為歸一化的半徑r/R，縱坐標(biāo)為歸一化的水平位移r /R。模型試驗(yàn)與圓孔擴(kuò)張理論結(jié)果的對(duì)比分析由圖8 可知，試驗(yàn)結(jié)果和圓孔擴(kuò)張理論解關(guān)于水平位移的變化規(guī)律基本一致，同時(shí)由于試驗(yàn)條件和理論條件的不同，其結(jié)果存在一定的差異性。當(dāng)r/R5 時(shí)，對(duì)于樁身高度為6R 和9R 時(shí)，T5 的水平位移大于圓孔擴(kuò)張方法，可能是樁身摩擦引起的；當(dāng)r/R5 時(shí)，T3、T5 的水平位移均小于圓孔擴(kuò)張方法，這主要是由于模型試驗(yàn)的邊界效應(yīng)。當(dāng)樁身深度為15R 時(shí)，T3、T5 的水平位移基本相同，接近于0，說(shuō)明沉樁過(guò)程對(duì)于樁端底部深度大于3R的土體影響不大，這與考慮沉樁深度對(duì)樁端底部的最大影響范圍4R5R 結(jié)論相近

25、。圖8 L=12R 時(shí)歸一化水平位移對(duì)比圖結(jié)論(1) 通過(guò)基于PIV 技術(shù)的單樁砂土沉樁試驗(yàn)，得到沉樁過(guò)程中樁周土體水平和豎向位移場(chǎng)。研究結(jié)果表明，整個(gè)沉樁模型系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)試驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)便，對(duì)環(huán)境要求不高，可以進(jìn)行非插入式全場(chǎng)測(cè)量，相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果與圓孔擴(kuò)張理論解對(duì)比，水平位移規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的可靠性。(2) 對(duì)于平底圓樁，沉樁過(guò)程對(duì)樁側(cè)土體位移影響范圍在8R 附近，對(duì)樁端底部土體影響范圍在4R 附近；樁側(cè)水平位移隨著距樁軸距離的增大逐漸減小，土體由于擠壓而產(chǎn)生豎向位移，造成地面一定隆起；樁身摩擦的存在使得樁側(cè)向土體位移影響范圍增大2R 左右，對(duì)樁端底部土體位移基本沒有影響。(3) 當(dāng)

26、樁尖角度45時(shí)，對(duì)比相同工況下平底圓樁，樁側(cè)的水平和豎向位移均增大，樁端底部的豎向位移明顯減小；而樁身摩擦對(duì)其水平位移和豎向位移影響不大?；贛ATLAB的圖像處理方法圖像的分類在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，將圖像分為模擬圖像和數(shù)字圖像兩種，計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，所以在計(jì)算機(jī)上處理的圖像均為數(shù)字圖像。根據(jù)數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中表示方法不同，分為二進(jìn)制圖像，索引圖像，灰度圖像，RGB圖像和多幀圖像；根據(jù)計(jì)算機(jī)中圖像文件格式不同，圖像又分為位圖和矢量圖。可見，圖像的屬性是多角度的，圖像的分類也是多維的。二進(jìn)制圖像二進(jìn)制圖像也稱為二值圖像，通常用一個(gè)二維數(shù)組來(lái)描述，1位表示一個(gè)像素，組成圖像的像素值非0即

27、1，沒有中間值，通常0表示黑色，1表示白色。如下圖所示。二進(jìn)制圖像一般用來(lái)描述文字或者圖形，其優(yōu)點(diǎn)是占用空間少，缺點(diǎn)是當(dāng)表示人物或風(fēng)景圖像時(shí)只能描述輪廓?；叶葓D像也稱為單色圖像，通常也由一個(gè)二維數(shù)組表示一副圖像，8位表示一個(gè)像素，0表示黑色，255表示白色，1254表示不同的深淺灰色，一副灰度圖像放大44大小像素，如下圖所示。通?；叶葓D像顯示了黑色與白色之間許多級(jí)的顏色深度，比人眼所能識(shí)別的顏色深度范圍要寬的多?；叶葓D像RGB圖像也稱為真彩色，是一種彩色圖像的表示方法，利用3個(gè)大小相同的二維數(shù)組表示一個(gè)像素，3個(gè)數(shù)組分別代表R、G、B三個(gè)分量，R表示紅色，G表示綠色，B表示藍(lán)色，通過(guò)三種基本顏

28、色可以合成任意顏色，如圖1.10所示RGB圖像。每個(gè)像素中的每種顏色分量占8位，每一位由0，255中的任意數(shù)值表示，那么一個(gè)像素由24位表示，允許的最大值為224（即1677216，通常記為16M）。RGB圖像索引圖像是一種把像素值直接作為RGB調(diào)色板下標(biāo)的圖像。在MATLAB中，索引圖像包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣X和一個(gè)顏色映射（調(diào)色板）矩陣map。數(shù)據(jù)矩陣可以是8位無(wú)符號(hào)整型、16位無(wú)符號(hào)整型或雙精度類型的。索引圖像圖像類型的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)矩陣索引色圖像二值圖像真彩色圖像灰度圖像圖形類型轉(zhuǎn)換關(guān)系圖在MATLAB中，要進(jìn)行圖形類型轉(zhuǎn)換可以直接調(diào)用MATLAB函數(shù)。函數(shù)名函數(shù)功能dither圖像抖動(dòng)，將灰度圖

29、變成二值圖或者將真彩色圖像抖動(dòng)成索引色圖像gray2ind將灰度圖像轉(zhuǎn)換成索引圖grayslice通過(guò)設(shè)定閾值將灰度圖像轉(zhuǎn)換成索引色圖像im2bw通過(guò)設(shè)定亮度閾值將真彩、索引色、灰度圖轉(zhuǎn)換成二值圖像ind2gray將索引色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像ind2rgb將索引色圖像轉(zhuǎn)換成真彩色圖像mat2gray將數(shù)值矩陣轉(zhuǎn)換成灰度圖像rgb2gray將真彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像rgb2ind將真彩色圖像轉(zhuǎn)換成索引色圖像例：RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像MATLAB代碼程序執(zhí)行結(jié)果例：RGB圖像轉(zhuǎn)換為索引圖像MATLAB代碼程序執(zhí)行結(jié)果膨脹與腐蝕膨脹是將與物體接觸的所有背景點(diǎn)合并到該物體中，使邊界向外部擴(kuò)展的過(guò)程。通

30、過(guò)膨脹，可以填充圖像中的小孔及在圖像邊緣處的小凹陷部分。在MATLAB中，采用函數(shù)imdilate（）進(jìn)行膨脹操作。IM2=imdilate（IM,SE）:該函數(shù)對(duì)圖像IM進(jìn)行膨脹，采用的結(jié)構(gòu)元素為SE，返回值IM2為膨脹后得到的圖像。MATLAB代碼程序執(zhí)行結(jié)果程序執(zhí)行結(jié)果MATLAB代碼程序執(zhí)行結(jié)果例：膨脹操作腐蝕和膨脹是對(duì)偶操作。腐蝕是一種消除邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)收縮的過(guò)程，利用腐蝕操作，可以消除小且無(wú)意義的物體。在MATLAB中，采用函數(shù)imerode（）進(jìn)行膨脹操作。IM2=imerode（IM,SE）:該函數(shù)對(duì)圖像IM進(jìn)行腐蝕，采用的結(jié)構(gòu)元素為SE，返回值IM2為腐蝕后得到的圖像。MATLAB代碼程序執(zhí)行結(jié)果MATLAB代碼程序執(zhí)行結(jié)果例：腐蝕操作開運(yùn)算和閉運(yùn)算結(jié)構(gòu)元素B對(duì)A的開運(yùn)算，計(jì)作 ,定義為：即首先采用結(jié)構(gòu)元素對(duì)A做腐蝕運(yùn)算，然后做膨脹運(yùn)算，使用相同的結(jié)構(gòu)元素。在MATLAB中，采用函數(shù)imopen（）進(jìn)行二值圖像或灰度圖像的開運(yùn)算。IM2=imopen（IM,SE）:該函數(shù)對(duì)圖像IM進(jìn)行開運(yùn)算，采用的結(jié)構(gòu)元素為SE，返回值IM2為開運(yùn)算后得到的圖像。在上圖中，左圖為原始圖像，右圖為開運(yùn)算后得到的圖像。通過(guò)開運(yùn)算，去除了圖像中比較小的圖像。閉運(yùn)算是開運(yùn)算的對(duì)偶運(yùn)算，計(jì)作