專利名稱：一種含動(dòng)態(tài)裂隙材料的數(shù)字散斑相關(guān)變形分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種近景數(shù)字?jǐn)z影測量的數(shù)字圖像相關(guān)分析方法，特別是一種含動(dòng)態(tài)裂隙材料的數(shù)字散斑相關(guān)變形分析方法。
背景技術(shù)：
基于數(shù)字散斑相關(guān)分析的變形量測是一種應(yīng)用日漸廣泛的現(xiàn)代非接觸測量技術(shù)， 特別是在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的材料變形模式及其歷時(shí)演變規(guī)律研究中。一般來說，眾多材料在外荷載作用過程中出現(xiàn)不斷發(fā)展的動(dòng)態(tài)裂隙是一種常見現(xiàn)象，而當(dāng)采用數(shù)字散斑相關(guān)量測技術(shù)和進(jìn)行數(shù)字圖像分析時(shí)，都會(huì)遇到一個(gè)數(shù)字散斑相關(guān)分析問題，在裂隙出現(xiàn)前后的兩張數(shù)字圖像上，裂隙出現(xiàn)后相對于出現(xiàn)前在圖像上表現(xiàn)為裂隙區(qū)域灰度值產(chǎn)生較大變化，這必然會(huì)導(dǎo)致在裂隙出現(xiàn)前后的該區(qū)域圖像灰度相關(guān)性的改變。而當(dāng)前數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)所采用的圖像相關(guān)分析中，采用的方法都是選擇一個(gè)考察像素點(diǎn)，然后以其為中心來構(gòu)建一個(gè)用于進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算的像素塊，這樣一來，如果考察像素點(diǎn)位于裂隙邊緣，則在裂隙出現(xiàn)前的圖像上以該坐標(biāo)確定的像素點(diǎn)為中心構(gòu)建的像素塊沒有裂隙存在，而在裂隙產(chǎn)生后的圖像上以該點(diǎn)為中心構(gòu)建的像素塊包含了裂隙，造成前后兩張圖像上兩個(gè)本該屬于同一點(diǎn)為中心構(gòu)建的兩個(gè)像素塊的相關(guān)性降低，不可避免地導(dǎo)致根據(jù)相關(guān)性系數(shù)的大小對同一像素點(diǎn)在不同圖像上位置變化的判別出現(xiàn)較大誤差甚至錯(cuò)誤，因此，當(dāng)前相關(guān)技術(shù)中采用的圖像分析方法未能有效解決含動(dòng)態(tài)裂隙材料的數(shù)字散斑相關(guān)變形分析問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種含動(dòng)態(tài)裂隙材料的數(shù)字散斑相關(guān)變形分析方法，解決使用常規(guī)數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對含動(dòng)態(tài)裂隙材料進(jìn)行分析時(shí)存在較大誤差甚至錯(cuò)誤的問題。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的使用數(shù)碼相機(jī)拍攝一組在外荷載作用下的材料圖像，這一組材料圖像作為一個(gè)序列，選擇其中兩張圖像，一張為裂隙產(chǎn)生前的圖像A，一張為裂隙產(chǎn)后的圖像B，將這兩張圖像通過數(shù)據(jù)電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，當(dāng)要分析圖像A上裂隙邊緣的任意一個(gè)像素測點(diǎn)1 的位移時(shí)，就需準(zhǔn)確找到它在圖像B上的對應(yīng)點(diǎn)，即同名點(diǎn)1 ； 其主要通過改變傳統(tǒng)數(shù)字圖像相關(guān)的像素塊的構(gòu)建方法，再利用自行編制的計(jì)算機(jī)程序?qū)D像A和圖像B進(jìn)行數(shù)字散斑相關(guān)變形分析來實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下
(1)首先，根據(jù)材料承受的外荷載大小以及受力變形特性對材料表面的最大位移做出初步估算，據(jù)此在圖像B上劃定一個(gè)1 點(diǎn)的搜索范圍，如以1 點(diǎn)為中心，半邊長為300像素的一個(gè)正方形像素區(qū)域；
(2)對于圖像A的1 像素點(diǎn)，以其為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)分別構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊Bal、Ba2、Ba3、Ba4和Ba5 ；
(3)在圖像B搜索范圍內(nèi)選擇任意一點(diǎn)Η ，也以其為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)分別構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊Κ 、Bbi2、Bbi3、 Bbi4 和 Bbi5 ；(4)像素塊的坐標(biāo)均采用局部坐標(biāo)系，用來確定像素塊上各個(gè)像素點(diǎn)的位置，只要兩個(gè)像素塊大小相同，其坐標(biāo)原點(diǎn)及范圍相同，計(jì)算結(jié)束后可轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)；
(5)分別按公式(1)計(jì)算出Bbil 和 Bal、Bbi2 和 Ba2、Bbi3 和 Ba3、Bbi4 和 Ba4 和 Bbi5 和Ba5的相關(guān)系數(shù)；
2^+12/c+l
2 2 力x u(x，y、
Λ 二1 Ji=I
it12 = , ( 1 ) /2Η-12 +12A+12Jc+lv 1J
\
\ ssl J.I =1^s=I Ji =S 1
式中R12—兩個(gè)大小相同的像素塊的一個(gè)顏色分量的灰度相關(guān)系數(shù)，對RGB三個(gè)顏色分量分別計(jì)算得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)值，然后取平均值作為兩個(gè)像素塊的相關(guān)系數(shù)值； V (x,y) 一圖像A上坐標(biāo)為(x，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，取值(Γ255; u (x,y) 一圖像B上坐標(biāo)為(x，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，取值(Γ255; k一像素塊的邊長除以2后取整數(shù)。(6)對圖像B上劃定的搜索范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)均按(3) (5)步驟計(jì)算出相關(guān)系數(shù)，然后從中找出相關(guān)系數(shù)最大對應(yīng)的像素點(diǎn)Pbi作為圖像A上1 點(diǎn)在圖像B上的對應(yīng)點(diǎn) Pb，即得到Pa在圖像B上的同名點(diǎn)Pb ；
(7)分別記錄圖像A上1 點(diǎn)的坐標(biāo)和圖像B上1 點(diǎn)的坐標(biāo)，按式(2)即可得到1 點(diǎn)的位移值，圖像A其他像素點(diǎn)的位移分析與之相同。
Δχ= xb -χαJiF=X^yi2(2)
As = jAx2 + Aj2
式中Δ χ— 1 點(diǎn)在橫向方向上的位移； xa_圖像A上1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)； Xb—圖像B上1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)； Δγ—Pa點(diǎn)在豎向方向上的位移； ya_圖像A上1 點(diǎn)的豎坐標(biāo)； yb—圖像B上Pb點(diǎn)的豎坐標(biāo)； As+I^a點(diǎn)的總位移；
有益效果，由于采用了上述方案，本發(fā)明提出的方法與當(dāng)前方法的重要區(qū)別在于像素塊的構(gòu)建方法與數(shù)量不同，圖像灰度相關(guān)性系數(shù)計(jì)算采用的公式和對應(yīng)點(diǎn)的判別方法與當(dāng)前數(shù)字散斑相關(guān)方法相同，即對于圖像A上的P像素點(diǎn)和圖像B搜索范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)P’， 分別以它們?yōu)樽笊辖屈c(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)來構(gòu)建五個(gè)邊長為21 像素的正方形像素塊；由于小范圍局部裂隙的伸展方向可簡化為4種線性形式垂直型、水平型、左下傾斜型和右上傾斜型，因此，這5種像素塊的相關(guān)性計(jì)算中至少有一種會(huì)避開裂隙的影響，計(jì)算分析出的兩幅圖像的“相同點(diǎn)”在實(shí)際中也是同名點(diǎn)，進(jìn)而按同名點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出的像點(diǎn)位移誤差就很小。另外，由于本發(fā)明方法涵蓋了非裂隙區(qū)域的傳統(tǒng)圖像相關(guān)性分析，因此也同樣適用于非裂隙區(qū)域或沒有裂隙產(chǎn)生的材料的變形分析。
該方法可準(zhǔn)確地在兩幅相關(guān)圖像中尋找到各個(gè)同名點(diǎn)，圖像中可含裂隙，所述的同名點(diǎn)為實(shí)際物點(diǎn)在不同圖像上的投影點(diǎn)，解決了使用常規(guī)數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對含動(dòng)態(tài)裂隙材料進(jìn)行分析時(shí)存在較大誤差甚至錯(cuò)誤的問題，提高了含動(dòng)態(tài)裂隙材料的變形量測精度，達(dá)到了本發(fā)明的目的。優(yōu)點(diǎn)有效避免了現(xiàn)有數(shù)字散斑相關(guān)變形分析技術(shù)對含動(dòng)態(tài)裂隙的序列圖像上同名點(diǎn)的判斷錯(cuò)誤，提高了含動(dòng)態(tài)裂隙材料的變形量測精度，鞏固了數(shù)字散斑相關(guān)方法在材料復(fù)雜變形破裂精細(xì)化觀測中的優(yōu)勢地位，有利于數(shù)字散斑技術(shù)在實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。


圖1為裂隙產(chǎn)生前的圖像示意圖。圖2為裂隙產(chǎn)生后的圖像示意圖。圖3為常規(guī)方法對含局部裂隙材料裂隙前的分析示意圖。圖4為常規(guī)方法對含局部裂隙材料裂隙后的分析示意圖。圖5為巖體局部裂隙分布的4種簡化型式。圖6為本發(fā)明的“一點(diǎn)五塊”法”對含局部裂隙材料裂隙前的分析示意圖。圖7為本發(fā)明的“一點(diǎn)五塊”法”對含局部裂隙材料裂隙后的分析示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 使用數(shù)碼相機(jī)拍攝一組在外荷載作用下的材料圖像，這一組材料圖像作為一個(gè)序列，選擇其中兩張圖像，一張為裂隙產(chǎn)生前的圖像A，一張為裂隙產(chǎn)后的圖像B， 將這兩張圖像通過數(shù)據(jù)電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，當(dāng)要分析圖像A上裂隙邊緣的任意一個(gè)像素測點(diǎn)1 的位移時(shí)，就需準(zhǔn)確找到它在圖像B上的對應(yīng)點(diǎn)，即同名點(diǎn)1 ；其主要通過改變傳統(tǒng)數(shù)字圖像相關(guān)的像素塊的構(gòu)建方法，再利用自行編制的計(jì)算機(jī)程序?qū)D像A和圖像B進(jìn)行數(shù)字散斑相關(guān)變形分析來實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下
(1)首先，根據(jù)材料承受的外荷載大小以及受力變形特性對材料表面的最大位移做出初步估算，據(jù)此在圖像B上劃定一個(gè)1 點(diǎn)的搜索范圍，如以1 點(diǎn)為中心，半邊長為300像素的一個(gè)正方形像素區(qū)域；
(2)對于圖像A的1 像素點(diǎn)，以其為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)分別構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊Bal、Ba2、Ba3、Ba4和Ba5 ；
(3)在圖像B搜索范圍內(nèi)選擇任意一點(diǎn)Η ，也以其為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)分別構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊Κ 、Bbi2、Bbi3、 Bbi4 和 Bbi5 ；
(4)像素塊的坐標(biāo)均采用局部坐標(biāo)系，用來確定像素塊上各個(gè)像素點(diǎn)的位置，只要兩個(gè)像素塊大小相同，其坐標(biāo)原點(diǎn)及范圍相同，計(jì)算結(jié)束后可轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)；
(5)分別按公式(1)計(jì)算出Bbil 和 Bal、Bbi2 和 Ba2、Bbi3 和 Ba3、Bbi4 和 Ba4 和 Bbi5 和Ba5的相關(guān)系數(shù)；
權(quán)利要求
1. 一種含動(dòng)態(tài)裂隙材料的高精度數(shù)字散斑相關(guān)變形分析方法，其特征是使用數(shù)碼相機(jī)拍攝一組在外荷載作用下的材料圖像，這一組材料圖像作為一個(gè)序列，選擇其中兩張圖像，一張為裂隙產(chǎn)生前的圖像A，一張為裂隙產(chǎn)后的圖像B，將這兩張圖像通過數(shù)據(jù)電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，當(dāng)要分析圖像A上裂隙邊緣的任意一個(gè)像素測點(diǎn)1 的位移時(shí)，就需準(zhǔn)確找到它在圖像B上的對應(yīng)點(diǎn)，即同名點(diǎn)1 ；其主要通過改變傳統(tǒng)數(shù)字圖像相關(guān)的像素塊的構(gòu)建方法，再利用自行編制的計(jì)算機(jī)程序?qū)D像A和圖像B進(jìn)行數(shù)字散斑相關(guān)變形分析來實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下(1)首先，根據(jù)材料承受的外荷載大小以及受力變形特性對材料表面的最大位移做出初步估算，據(jù)此在圖像B上劃定一個(gè)1 點(diǎn)的搜索范圍，如以1 點(diǎn)為中心，半邊長為300像素的一個(gè)正方形像素區(qū)域；(2)對于圖像A上的1 像素點(diǎn)，以其為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)分別構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊Bal、Ba2、Ba3、Ba4和Ba5 ；(3)在圖像B上的搜索范圍內(nèi)選擇任意一像素點(diǎn)Η ，也以其為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)和左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)分別構(gòu)建一個(gè)邊長為21個(gè)像素的正方形像素塊m3il、Bbi2、 Bbi3、Bbi4 和 Bbi5 ；(4)像素塊的坐標(biāo)均采用局部坐標(biāo)系，用來確定像素塊上各個(gè)像素點(diǎn)的相對位置，只要兩個(gè)像素塊大小相同，其坐標(biāo)原點(diǎn)及范圍相同，計(jì)算結(jié)束后可轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)；(5)分別按公式(1)計(jì)算出Bbil 和 Bal、Bbi2 和 Ba2、Bbi3 和 Ba3、Bbi4 和 Ba4 和 Bbi5 和Ba5的相關(guān)系數(shù)；式中R12—兩個(gè)大小相同的像素塊的一個(gè)顏色分量的灰度相關(guān)系數(shù)，對RGB三個(gè)顏色分量分別計(jì)算得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)值，然后取平均值作為兩個(gè)像素塊的相關(guān)系數(shù)值； ν (x,y) 一圖像A上坐標(biāo)為(x，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，取值(Γ255; u (x,y) 一圖像B上坐標(biāo)為(x，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，取值(Γ255; k一像素塊的邊長除以2后取整數(shù)；(6)對圖像B上劃定的搜索范圍內(nèi)所有像素點(diǎn)均按(3) (5)步驟計(jì)算出相關(guān)系數(shù)，然后從中找出相關(guān)系數(shù)最大對應(yīng)的像素點(diǎn)Pbi作為圖像AiI^a點(diǎn)在圖像B上的對應(yīng)點(diǎn)Pb，即得到1 在圖像B上的同名點(diǎn)1 ;(7)分別記錄圖像A上1 點(diǎn)的坐標(biāo)和圖像B上1 點(diǎn)的坐標(biāo)，按式(2)即可得到1 點(diǎn)的位移值，圖像A其他像素點(diǎn)的位移分析與之相同；式中Δ χ— 1 點(diǎn)在橫向方向上的位移； xa_圖像A上1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)； Xb—圖像B上1 點(diǎn)的橫坐標(biāo)； Δγ—Pa點(diǎn)在豎向方向上的位移； ya_圖像A上1 點(diǎn)的豎坐標(biāo)； yb—圖像B上Pb點(diǎn)的豎坐標(biāo)； Δ s—1 點(diǎn)的總位移。
全文摘要
一種含動(dòng)態(tài)裂隙材料的高精度數(shù)字散斑相關(guān)變形分析方法。首先，在材料產(chǎn)生裂隙前后的數(shù)字圖像A和B上，利用數(shù)字圖像相關(guān)原理分析裂隙附近像素點(diǎn)的位移時(shí)，針對圖像A上一個(gè)像素測點(diǎn)P，在圖像B上一定搜索范圍內(nèi)考察它的對應(yīng)點(diǎn)時(shí)，分別以該測點(diǎn)和任意待考察的點(diǎn)為左上角點(diǎn)、右上角點(diǎn)、右下角點(diǎn)、左下角點(diǎn)以及中心點(diǎn)來構(gòu)建五個(gè)邊長相同的正方形像素塊，然后，進(jìn)行對應(yīng)像素塊的像素灰度相關(guān)系數(shù)計(jì)算，接著，在圖像B的搜索范圍內(nèi)找出其中與圖像A上的P點(diǎn)相關(guān)系數(shù)最大的對應(yīng)點(diǎn)，最后，計(jì)算出這兩點(diǎn)的坐標(biāo)差值作為測點(diǎn)P的位移。該方法能夠有效避免圖像上的裂隙對其附近測點(diǎn)的像素灰度相關(guān)性計(jì)算的影響，從而提高了含動(dòng)態(tài)裂隙材料的變形量測精度。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102384726SQ20111034940
公開日2012年3月21日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者李元海, 楊圣奇, 林志斌, 靖洪文 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)