數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)介紹

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)簡介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)在巖土力學研究中的應用實例基于MATLAB的圖像處理方法簡介1.數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展數(shù)字圖像處理技術(shù)：是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、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科大約形成于20世紀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：美國噴氣推進實驗室首次成功應用其對航天探測器徘徊者7號在1964年發(fā)回的照片進行處理，繪制出了月球表面地圖。1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT。CT的基該方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計算機處理來重建截面圖像，稱為圖像重建。伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展十分迅速，在航空航天、生物醫(yī)學、通信工程、測繪工程、軍事公安、視屏和多媒體等方面都有廣泛的應用。衛(wèi)星遙感監(jiān)測衛(wèi)星遙感測繪指紋識別電子眼測速點DIC技術(shù)DIC技術(shù)原理：通過對變形前后采集物體表面的兩幅圖像進行相關(guān)處理，進而實現(xiàn)物

體變形場的測量。

DIC測量裝置數(shù)字圖像相關(guān)方法測試系統(tǒng)進行基于數(shù)字相關(guān)系數(shù)的圖像匹配計算圖片上像素點的位移量利用標定像素當量的結(jié)果得到實際變形量讀取試驗對象變形前后的圖像對讀取到的照片進行去畸變處理數(shù)字圖像相關(guān)算法流程圖數(shù)字圖像相關(guān)算法DIC技術(shù)2.圖像分析方法數(shù)字圖像的基本組成元素是像素，RGB通常用來表示一個像素顏色的紅綠藍三個顏色分量，像素的顏色和坐標是圖像分析的二個要素。在連續(xù)拍攝的試驗模型照片序列中，識別出與初始照片上設定的量測點的對應點是關(guān)鍵。模型試驗上點的位移由像素塊的追蹤算法完成。位移追蹤通過試驗數(shù)字照片序列上點的相關(guān)性判別，追蹤模型變形前后測點的坐標位置是實現(xiàn)非接觸變形測量的關(guān)鍵圖像匹配的基本原理是在兩幀相關(guān)圖像上，通過比較以兩個點為中心的大小相同的像素塊的像素RGB顏色的相關(guān)性，來判別它們是否為相同的點。這里假設圖像上任一像素塊中的像素點的分布各不相同。相關(guān)性判別在變形前后圖像上搜索區(qū)域內(nèi)，如果二個像素塊的相關(guān)性最好時，相關(guān)函數(shù)的值達到峰值。在此給出四中具有代表性的相關(guān)函數(shù)。相關(guān)函數(shù)表達式絕對差相關(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)絕對差相關(guān)函數(shù)介紹以兩像素塊各像素點灰度差的絕對值總和為最小作為相關(guān)性判別，是一種簡便快速的方法。匹配過程在變形前圖像上，以點為中心作一長寬為（2k+1）個像素的像素塊Block-i,u(x,y)是任一點顏色值。在變形圖像上指定的搜索范圍內(nèi)，檢查任一點是否為的對應點，同樣以為中心作一長寬為（2k+1）個像素的像素塊Block-d,v(x,y)是任一點顏色值。根據(jù)計算公式計算相關(guān)系數(shù)，在搜索范圍內(nèi)最大對應的點即是在變形后的圖像上的對應點。成像原理攝像機的成像原理就是透鏡成像原理，攝攝像機的成像涉及到三個坐標系分別為攝像機坐標系、圖像坐標系、像素坐標系。攝像機的成像過程就是這個三個坐標系的一系列轉(zhuǎn)換。攝像機坐標系的坐標原點是攝像機的光心，用表示其坐標值。圖像坐標系的坐標原點則為CCD圖像平面的中心,坐標值用(x,y)表示。像素坐標系的原點定義為CCD圖像平面的左上角頂點,坐標值用(u,v)表示。圖像坐標系與像素坐標系的轉(zhuǎn)換uvxy圖像坐標系與像素坐標系的關(guān)系圖其中，dx和dy分別是每個像素在圖像平面上x與y方向上的物理尺寸。圖像坐標系與攝像機坐標系間的轉(zhuǎn)換其中，f是焦距也就是像平面與攝像機坐標系原點間的距離。DIC技術(shù)優(yōu)點非接觸測量、對測量環(huán)境要求低、實現(xiàn)簡單、既可以實現(xiàn)全場也可以進行局部變形測量、應用范圍廣。粒子圖像測速技術(shù)（PIV）粒子圖像測速技術(shù)是流體力學的重要實驗手段，PIV是一種瞬態(tài)流動平面二維流速場測試技術(shù)，其基本原理是選擇具有良好流動跟隨性和光散射性的微小示蹤粒子播散于流場中，用激光片光源把被測流場的某一測試平面照明，通過圖像采集系統(tǒng)，分別記錄下、時刻的流場粒子圖像，通過數(shù)字圖像處理，求出拍攝時間間隔內(nèi)粒子的位移，即可算出速度場。

典型的PIV系統(tǒng)示蹤粒子以及待測流場攝像頭高功率激光器

光路同步裝置連接激光器和

透鏡的光導纖維PIV系統(tǒng)硬件組成STEP1在流場中布撒大量示蹤粒子（如固體粒子、液滴或氣泡）STEP2使用激光片光源照射流場待測切面STEP3使用CCD記錄示蹤粒子位置STEP4應用計算機分析圖像并計算所測區(qū)域內(nèi)粒子速度STEP5得到流場速度并計算其他參數(shù)試驗步驟雙曝光的圖象3D-PIV傳統(tǒng)的二維PIV技術(shù)只能測量片光面內(nèi)速度。實際上，許多工藝裝置中的流動都是復雜的三維湍流流動。用2D-PIV技術(shù)測量可能導致較大的誤差，解決這一問題的方法是使用三維測量技術(shù)，這也是PIV技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。3D-PIV的關(guān)鍵問題是示蹤粒子三維圖像的獲得及其三維坐標的確定。目前獲取示蹤粒子三維坐標信息的方法有：體視成像法和全息圖像法。標定測試區(qū)空間尺度確定透視像距體積光照明測試區(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別計算示蹤粒子速度向量基本試驗測試程序DIC技術(shù)在巖土力學研究中的應用實例《基于圖像相關(guān)分析的砂土模型試驗變形場測量》李海元朱合華（同濟大學）

巖土工程學報2004.01

摘要:高分辨率數(shù)碼相機的出現(xiàn)為砂土模型試驗變形場非接觸量測法的研究開發(fā)提供了一條簡便經(jīng)濟而且實用的途徑,在模型試驗觀測面上,不再需要布置嵌入式量測標志點或描畫網(wǎng)格,直接用數(shù)碼相機在試驗各階段拍攝照片,然后對照片序列進行圖像相關(guān)分析,即可得出模型試驗的變形場分布。利用圖像匹配技術(shù)追蹤模型上點的位移,借用FEM常用的等參單元的概念進行圖像校準和應變計算,采用雙線性插值技術(shù)可以實現(xiàn)微小變形量測。應用實例———地基承載力試驗地基承載力試驗在日本德島大學離心機上進行(如圖1所示)。地基模型材料為曲豆浦標準砂,平均含水率小于0.3%,密度為1.6g/cm3,相對密度為90%,模型長寬厚度為40cm×30cm×20cm,基礎為鋁質(zhì)材料,寬度30mm,模型采用空中落下法制成。離心機有效半徑1.55m,最大加速度200g,試驗加速度為20g。使用美能達Dimage7型數(shù)碼相機拍攝照片,相機鏡頭中心距離模型觀測面1m。圖1地基承載力試驗裝置圖2為基礎下沉5mm時模型照片,試驗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3～6分別為地基模型垂直位移等值線分布、位移矢量分布、模型最大剪應變和體積應變分布圖(坐標單位為mm)。圖3和圖4表明用數(shù)字圖像相關(guān)法可以很好地量測砂土的位移變形,圖5清晰地顯示出試驗峰值荷載附近基礎下方剪切帶的出現(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模型地基最大剪應變分布圖6模型地基體積應變分布試驗研究結(jié)果表明:在砂土模型試驗中無需布設任何實際量測標點或描畫網(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),是一種簡便有效而且經(jīng)濟實用的變形場非接觸量測方法,同時對進一步量化分析研究巖土模型的難點問題———局部化變形和剪切帶問題提供了一條可能的途徑,并可為相關(guān)本構(gòu)模型的建立、檢驗和改進提供重要的試驗依據(jù)。模型試驗中,針對土顆粒過大的錯動和滑移以及光照角度發(fā)生大的變化等因素對量測精度的影響,需要進一步研究。結(jié)論《基于數(shù)字圖像法的樁－土接觸面特性試驗研究》陳亞東王旭東（南京工業(yè)大學）

工業(yè)建筑2012.03摘要:樁與土接觸面的力學特性是樁－土共同作用研究中的一個重要課題。利用基于數(shù)字圖像的非接觸光學測量方法，通過室內(nèi)模型試驗，對密實砂土中樁－土接觸面上荷載傳遞特性、剪切位移場及剪應變場分布規(guī)律進行研究。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)摩阻力達到極限值所需樁身沉降約為樁橫截面邊長的3%。樁周土體剪切滑動區(qū)發(fā)生在有限范圍的土體中，最大剪應變首先出現(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，最大剪應變沿樁身呈“兩頭大中間小”的分布形式。試驗結(jié)果為合理建立樁－土接觸面模型和相關(guān)數(shù)值計算提供有益的參考。樁－土接觸面試驗設計模型箱尺寸:長1.0m，寬1.0m，深1.0m;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。模型土料為細砂，密度為1.65g/cm3

，內(nèi)摩擦角為32.5°，平均含水率為5.03%，相對密實度為0.81，土粒相對密度為2.65。試驗時分層攤鋪，每層厚度為5cm，多遍夯擊，直至砂土面達到設計高度。預先埋設模型方樁，方樁由細石混凝土澆筑而成，邊長b為3cm，樁長為60cm。試驗中取樁身中段40cm范圍作為分析對象，即觀測區(qū)為樁頂下10cm開始至樁端以上10cm止。圖1為豎向荷載作用單樁樁－土接觸面模型試驗現(xiàn)場圖片。圖1現(xiàn)場圖片采用反力架及絲桿升降機施加豎向荷載，用拉壓傳感器測量樁頂荷載;基礎沉降采用量程為5cm的位移計量測，兩只位移計對角布置，取其平均值為基礎沉降值。樁身側(cè)摩阻力由樁身各段軸力反算而來，樁身軸力由粘貼于樁身的電阻應變片測得。按初步計算的極限承載力確定加載分級，每級加載量為0.1kN。每級加載后，第15、30min采集一次荷載、位移及應變等數(shù)據(jù)，其后施加下一級荷載。采用數(shù)碼相機拍攝每級荷載下樁－土接觸面附近土體圖像，利用自行編制的基于數(shù)字圖像相關(guān)法變形場測量程序分析土體位移場，像素塊大小為64×64像素，實踐證明該系統(tǒng)具有較高的測量精度。將數(shù)字圖像相關(guān)方法測得的相鄰四個像素塊的位移作為四邊形單元的四個結(jié)點，然后采用有限單元法中常用的四邊形等參單元的概念和基于位移模式的應變計算式，計算出單元中心點的應變值。試驗結(jié)果及分析單樁荷載－沉降關(guān)系圖2單樁荷載—沉降對比曲線圖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)摩阻力增長趨緩，在沉降達到1mm左右，平均側(cè)摩阻力達到峰值，說明在加載過程中，平均樁側(cè)摩阻力達到極限值所需要樁身沉降是很小的，約為0.03b。由于密實砂土存在剪脹及應變軟化特性，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，并在沉降達到2mm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圖4為樁－土接觸面土體在不同沉降條件下的剪切位移場。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程;隨著樁沉降的增加，樁－土相對位移增加，從而由樁帶動樁周土體顆粒運動，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)，說明在壓樁過程中密砂發(fā)生了剪脹。a—s=0.96mmb—s=4.2135mm;c—s=10.5725mmd—s=17.1325mm圖4剪切位移場樁－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。在沉降達到10mm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)在樁身下部，這是由于下部樁側(cè)表面正應力較大，樁與土貼合較緊，樁帶動樁周土體一起向下運動。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)。a—s=0.96mmb—s=4.2135mm;c—s=10.5725mmd—s=17.1325mm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r不大于3b時，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變場圖7為不同沉降條件下樁－土接觸面土體最大剪應變云圖。由圖7可知，在靠近樁身處的剪應變較大，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，最大剪應變逐漸向樁身中部發(fā)展。在極限荷載條件下，最大剪應變沿著樁身表現(xiàn)為“兩頭大中間小”的分布形式。在沉降達到10mm后，樁已接近承載能力極限狀態(tài)，樁周土體最大剪應變的分布形式基本保持不變。a—s=0.96mmb—s=4.2135mm;c—s=10.5725mmd—s=17.1325mm圖7樁周土體最大剪應變場結(jié)論平均樁側(cè)摩阻力達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)的沉樁過程土體位移場模型試驗研究》曹兆虎孔綱強（河海大學）

工程力學2014.08摘要：基于粒子圖像測速(PIV)技術(shù)，利用自行設計的靜壓樁自動沉樁模型試驗系統(tǒng)，對沉樁過程中樁周土體位移場進行測量。在沉樁過程中，利用CCD(chargecoupleddevice)高速工業(yè)相機連續(xù)拍攝試驗觀測面上樁周土體變形的灰度圖像，然后對初始點和峰值點進行分析，得到位移場分布。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周圍土體位移場的影響規(guī)律；相應試驗結(jié)果與圓孔擴張理論解進行對比分析，其徑向位移變形的規(guī)律基本一致，驗證了模型試驗的可靠性。相對常規(guī)試驗方法，該試驗操作簡便，對環(huán)境要求不高，可以進行非插入式全場測量。模型試驗系統(tǒng)系統(tǒng)由光學平臺、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。光學平臺采用阻尼材料，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，提高整個模型試驗的可靠度；模型槽為長方體，有機玻璃制成，內(nèi)部加肋以增加整體剛度，上部開口，外邊平面尺寸為130mm×130mm，壁厚為5mm，高度為260mm；其中一側(cè)面通過精密機床標定，設置有一系列參考點，用于測量系統(tǒng)的標定，進行像素坐標與物理坐標之間的轉(zhuǎn)化；加載系統(tǒng)采用靜力沉樁自動加載，由電機提供恒定加載速率，范圍0.1mm/s~10mm/s，配有位移量測計，可同步記錄沉樁深度；圖像攝錄采用CCD高速工業(yè)相機，分辨率1280×960。通過計算機控制可同步記錄沉樁過程，連續(xù)拍攝，得到一系列圖像；后處理軟件采用PIVview2；圖1模型試驗裝置實物圖模型試驗準備土樣制備與模型樁制作砂土試樣采用福建標準砂，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度為78%，制樣時，采用分層攤鋪，控制每層重量。圓形樁沉樁變形屬于軸對稱問題，故模型試驗采用半樁，不銹鋼材質(zhì)，保證其剛度，沉樁時樁中心線對準模型槽觀察面中心線，緊貼著槽壁內(nèi)側(cè)下沉。模型試驗工況為了研究沉樁過程中，樁身摩擦、樁尖角度和沉樁深度對樁周土體變形及流動的影響，設計了一系列模型試驗工況如表1所示。在考慮摩擦時，通過機床加工在樁身切割縱橫交錯的斜紋；在考慮光滑時，則用機械打磨光滑，并涂抹潤滑劑。表1模型試驗工況圖沉樁過程中拍攝得到的一系列圖片通過PIVview2軟件進行處理，將整個圖像劃分為若干小圖像塊，通過計算各個小的圖像塊的位移得到整個圖像的位移場，再將像素坐標轉(zhuǎn)化為物理坐標即可得到相應物理坐標下的位移場。其圖像匹配的標準關(guān)聯(lián)函數(shù)為：其中：M、N

為圖像塊的長、寬；f為t1

時刻圖像中，某圖像塊中心點坐標(m,n)處的灰度值分布函數(shù)；g為t2

時刻圖像中，該圖像塊中心點坐標(m+

,n+

)處的灰度值分布函數(shù)；、分別為x、y方向的位移增量。試驗結(jié)果分析樁周土體的位移可以用箭頭矢量圖來表示，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，當所劃分的小圖像塊進入該區(qū)域后，往往很難追蹤其運動軌跡，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，對沉樁深度L分別為6R、9R、12R的樁周土體位移進行分析。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~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4R~5R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動，但由于模型槽的邊界效應，土體顆粒逐漸向豎向運動，同時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°時樁周土體的水平位移輪廓圖和豎向位移輪廓圖。對比圖5(a)與圖3(c)、圖5(b)與圖4(c)，由于樁尖角度的存在，改變了沉樁過程中土體顆粒的運動，樁底端排開的土體顆粒由于擠壓，向樁側(cè)斜上方運動，導致樁側(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1R~2R。對比圖6(b)與圖4(c)，由于樁身摩擦的存在，同樣樁側(cè)的豎向位移增大，其影響范圍增大1R~2R，而樁身摩擦對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)為對應的考慮