變形測量中的數(shù)字散斑相關(guān)搜索方法

譚理則

【摘要】對數(shù)字散斑的研究的方法有很多，本文主要通過仿射變化對其基本原理進(jìn)行了闡述。通過散斑的位移和其導(dǎo)數(shù)與物體變形前后散斑圖【1】的聯(lián)系性進(jìn)行了分析，并對散斑位移和導(dǎo)數(shù)進(jìn)行的相關(guān)算法進(jìn)行了簡化，并提出一些恰當(dāng)?shù)乃阉鞣椒ㄒ怨﹨⒖肌Ｍ瑫r(shí)，通過典型的試驗(yàn)對該方法進(jìn)行了測定，證明了其確實(shí)可行。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字散斑；搜索方法；變形測量；相關(guān)分析

一、前言

變形測量作為一個(gè)十分重要的測量方法，對其的開發(fā)和運(yùn)用可謂相當(dāng)?shù)膹V泛，尤其體現(xiàn)在力學(xué)研究中。而數(shù)字散斑相關(guān)的方法是對光學(xué)進(jìn)行變形測量的一種方法，也就是在物體變形及應(yīng)變的測量中引入數(shù)字散斑的相關(guān)方法，并經(jīng)過不斷的發(fā)展，逐漸被人們應(yīng)用到各個(gè)重要的領(lǐng)域中，展現(xiàn)出他的優(yōu)越性。

二、數(shù)字散斑在變形測量中運(yùn)用的發(fā)展過程

隨著人類的不斷探索，人們對力學(xué)的研究不斷的深入，數(shù)字圖像技術(shù)在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用也越來越廣泛。六十年代，Dyson和Dew首次運(yùn)用電子輔助儀器進(jìn)行了條紋分析，隨后的科學(xué)家們也紛紛致力于將圖像處理技術(shù)引入到力學(xué)研究的領(lǐng)域。這主要是由于光測法突出的優(yōu)點(diǎn)形成的，主要體現(xiàn)在全場與非接觸（如全息、散斑法）上，其得到的圖像往往也是呈現(xiàn)出條紋狀，所以分析重點(diǎn)也轉(zhuǎn)移到對條形圖譜的分析上來了?；谶@些，科學(xué)家們就開始利用圖像處理技術(shù)對其進(jìn)行處理，大大減輕了人工分析的工作量。經(jīng)過不斷的發(fā)展，到目前為止相關(guān)學(xué)者已經(jīng)提出了許多的、成體系的方法供人們使用，實(shí)現(xiàn)了一系列的自動、半自動的對條紋進(jìn)行了跟蹤、定級、細(xì)分等相關(guān)的分析。

三、實(shí)驗(yàn)

本文運(yùn)用到的相關(guān)搜索方法，具體的對缸體的轉(zhuǎn)動和移位以及均勻變形都進(jìn)行了具體的分析驗(yàn)算。對這些做的相關(guān)分析計(jì)算都是在Magiscan-2A這種圖像分析儀上進(jìn)行的，其采用的掃描陣列是512*512型的，并使用的是6比特（64輝階）的輝度水平。除此之外，試驗(yàn)中另一個(gè)重要的儀器是顯微鏡，具體目的在于：在需要的時(shí)候?qū)⑸哳w粒進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到與攝像機(jī)分辨率相匹配的程度上，使得得出的散斑場的離散誤差達(dá)到最小，相關(guān)的搜索實(shí)施是通過實(shí)現(xiàn)編制好的程序來實(shí)現(xiàn)的。

1、剛體移位

在進(jìn)行剛體移位試驗(yàn)中，選用的是如【1】所示的兩個(gè)試件。（A）是一副散斑圖，其具體是由一塊全息玻璃干板對特定的一個(gè)散斑場進(jìn)行曝光處理而得到的；而（B）則是一塊僅僅只印有一些字母而組成的玻璃片，玻璃片上隨機(jī)分布的字母就可以形成一個(gè)相對意義上的散斑場（白光散斑）。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，借助微調(diào)平臺和顯微鏡進(jìn)行配合，就可對試件施加一定的作用，使其產(chǎn)生一定的位移量。然后，使用攝影機(jī)將原始位置的試件進(jìn)行記錄，移位之后再進(jìn)行一次記錄，對這兩次采集的信息進(jìn)行數(shù)字化的處理輸入Magiscan-2A這種圖像分析儀，進(jìn)行相關(guān)的搜索分析。得到的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果被繪制成下圖，對其進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：對位移量的測量最小的、可測定的是0.1像素的位移量，小于這個(gè)值之后儀器就不能進(jìn)行測量了；而最大的可測的位移從原則上來說是沒上限的，但對其不能進(jìn)行測量主要是因?yàn)槭艿綌z像機(jī)視場的限制。但是對兩個(gè)剛體進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)試件的結(jié)果是相當(dāng)?shù)慕咏?，這也就表明在對剛體進(jìn)行位移的測量時(shí)，物體表面只需要擁有一些散斑的特性就可進(jìn)行。本次實(shí)驗(yàn)計(jì)算所取的散斑子區(qū)域的大小介于7*7與17*17像素之間，具體來說，子區(qū)域大小對于結(jié)果的影響幾乎是沒有的，只要選取的散斑子區(qū)域至少有一個(gè)散斑就可以達(dá)到相應(yīng)的目的。

2、剛體轉(zhuǎn)動

同樣，也可以采用以上兩個(gè)試件進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動試驗(yàn)，轉(zhuǎn)動試驗(yàn)的轉(zhuǎn)角可以通過測量兩點(diǎn)的位移差來獲取。具體的試驗(yàn)結(jié)果表明，對轉(zhuǎn)角的測量最大在15°內(nèi)，如果剛體的轉(zhuǎn)角超過15°之后，結(jié)果就會出現(xiàn)很大的誤差，更嚴(yán)重的情況就是無法測出。這是因?yàn)閯傮w在轉(zhuǎn)動的時(shí)候一些參數(shù)不為零，轉(zhuǎn)角一旦變大，就不得不考慮這些參數(shù)的影響。如果忽略了這個(gè)重要的條件，就會帶來巨大的誤差，甚至使原來相關(guān)的散斑子區(qū)出現(xiàn)不相關(guān)的現(xiàn)象，導(dǎo)致對散斑子區(qū)的分辨出現(xiàn)問題。

3、面內(nèi)應(yīng)變

在進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，如果我們采用如【1】的試驗(yàn)儀器來記錄來直接測量物面應(yīng)變，會因?yàn)槠洚a(chǎn)生的激光束直徑太小，導(dǎo)致即使應(yīng)變場比較復(fù)雜，我們在激光束照射的區(qū)域得到應(yīng)變場仍然是均勻的。這樣，采用下圖的記錄方式以及相關(guān)的搜索測量的方法對每個(gè)物面產(chǎn)生的應(yīng)變場產(chǎn)生均可以進(jìn)行測量。我們用兩張全息的干板對物體變形前后的散斑場進(jìn)行測量，并記錄在XOY平面上，經(jīng)過光學(xué)處理得到兩張散斑圖【1】。在被測量的兩個(gè)剛體的法線對稱位置的兩點(diǎn)進(jìn)行測量，并運(yùn)用相關(guān)的搜索方法計(jì)算出相應(yīng)的散斑位移，再由相關(guān)的計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，從而得出被測點(diǎn)的應(yīng)變。在試驗(yàn)中，運(yùn)用光學(xué)顯微鏡可以使法線對稱兩點(diǎn)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攝像機(jī)的視場范圍。采用這種方式，其結(jié)果相當(dāng)于擴(kuò)大了圖像處理機(jī)可以掃描到的范圍。在顯微鏡操作的條件下，法線對稱的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離就相當(dāng)于攝像機(jī)視場的十倍，理論上來講相應(yīng)的最小可測應(yīng)變應(yīng)該降低了十倍，同時(shí)考慮到地位等相關(guān)因素的累積誤差，應(yīng)變的靈敏度提高了4-5倍。試驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)還表明，測量應(yīng)變的靈敏度和精度主要受到相關(guān)分析儀器的圖像分辨率的影響，除此之外，還需要合理的選擇散斑子區(qū)的大小，如果對散斑子區(qū)的選擇范圍過大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；對散斑子區(qū)的選擇過小，則容易出現(xiàn)錯誤的判斷，所以，選擇適當(dāng)?shù)纳邊^(qū)域的大小，可以保證搜索過程快速而準(zhǔn)確的進(jìn)行。

四、結(jié)束語

數(shù)字散斑技術(shù)經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展和進(jìn)步，被越來越廣泛的進(jìn)行著運(yùn)用。這種技術(shù)是適合于不能直接對物體 進(jìn)行接觸的測量，同時(shí)有希望通過不斷的發(fā)展實(shí)現(xiàn)變形測量的自動化。相信在相關(guān)人員的不斷努力下，數(shù)字散斑技術(shù)一定可以得到更高層次的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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