三维数字图像相关法的关键技术及应用研究

【摘要】三维数字图像相关法是一种高效的非接触式的全场光学测量方法。它结合了数字图像相关法和计算机视觉原理,可以准确测量物体表面的三维形貌和变形。相比于实验力学其他几种基于干涉原理的光测方法(如散斑干涉法、云纹法和全息干涉法等),它具有诸多优势,如白光光源,无需隔振,量程大等等。本文从四个方面研究了三维数字图像相关法的关键技术：图像采集、相机标定、图像匹配、三维应变计算。对于图像采集关键技术,首先研制了采集硬件系统,然后从几个方面阐述了在实际实验中图像采集应注意的问题。对于相机标定关键技术,首先介绍了针孔相机的成像模型,并通过模型建立了物理三维空间中点与相机成像平面上点的位置联系。然后,详尽的阐述了相机标定的具体实现步骤,包括(1)单相机参数初值估计；(2)单相机参数迭代优化；(3)三维重建与双相机标定。对于三维应变的计算方法,介绍了通过建立局部坐标系,拟合位移场函数计算得到应变张量的方法。对于图像匹配关键技术,主要通过以下几个方面进行了深入研究：(1)子区匹配对被测物的要求；(2).几种相关函数的数学形式及其适用条件；(3)子区形函数的概念及其零阶、一阶和二阶数学形式；(4)基于空域迭代的亚像素匹配算法,包括优化方法(Gauss-Newton法和Levenberg-Marquardt法)、匹配策略(正向增量型、正向组合型和反向组合型)和迭代收敛准则；(5)几种初值估计和全场匹配的方法以及对它们的改进；(6)图像插值的原理及其具体实现方法；(7)模拟散斑的基本概念、变形施加方法及匹配精度评估方法；(8)对处于计算区域边界、非规则形状子区的处理方法；(9)在图像发生较大变形情况下的增量图像相关方法。(10)提出了一种基于二阶形函数的反向组合型Gauss-Newton算法IC-GN2,阐述了该算法的迭代过程,通过模拟散斑实验和真实实验证明了该算法具有二阶精度和较高的计算效率。最后,本文通过若干个具体的实验,进一步将三维数字图像相关法应用到工程实际中,以解决各种载荷下的构件变形测量问题。首先将该方法应用于Portevin-LeChatelier效应的研究中,获得了PLC带的形貌及运动特征。然后,通过若干个实验力学标准试验,阐述了面对几种实际情况的分析处理方法。
【作者】高越；
【导师】张青川；
【作者基本信息】中国科学技术大学，固体力学，2014，博士
【关键词】三维数字图像相关法；计算机视觉；光学测量；

【参考文献】
[1]林娜.全髋关节置换术后利伐沙班预防深静脉血栓形成的研究[D].湖北中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[2]唐莹莹.旅游综合体的评价研究[D].沈阳师范大学,旅游管理,2013,硕士.
[3]程豪.基于Hadoop的交通大数据计算应用研究[D].长安大学,交通信息工程及控制,2014,硕士.
[4]姚烨.电视新闻节目平民化研究[D].渤海大学,新闻学,2013,硕士.
[5]燕法红.第一部分 异基因造血干细胞移植后CD4+T细胞免疫重建特征及与侵袭性真菌感染关系的研究 第二部分 异基因造血干细胞移植后肠道急性移植物抗宿主病危险因素分析[D].北京协和医学院,内科学（专业学位）,2014,博士.
[6]张大虎.农村初中体育课引入自防自救生存教育的可行性研究[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[7]倪小元.VPS虚拟全景空间的设计与实现[D].西安建筑科技大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[8]洪明骏.浙江江山市廿八都古镇清代民间戏曲壁画考述[D].杭州师范大学,艺术学,2013,硕士.
[9]陈绍双.基于CAN总线的车载网络信息平台的设计和研究[D].浙江大学,2007.
[10]郑雪莲.城市农民工住房保障问题研究[D].黑龙江八一农垦大学,农业经济管理,2014,硕士.
[11]关龙.基于数字证书的远程移动支付系统设计与实现[D].东北大学,计算机应用技术,2011,硕士.
[12]李光泉,高志伟,陈国威,郑丕谔.广义分散前馈控制系统有穷固定模的研究[J].自动化学报,1994,06:723-727.
[13]葛仲义.羟基和羧基修饰的芳香磺酸配合物的合成、结构与性质研究[D].黑龙江大学,无机化学,2013,硕士.
[14]王晋佳.城市扩建过程中征地居民补偿安置模式探究[D].贵州财经大学,行政管理,2013,硕士.
[15]刘丽.Ti_3SiC_2改性锂离子电池LiFePO_4/C正极材料低温性能的研究[D].天津大学,2014.
[16]纪晓琳.中国当代油画创作中的表现主义倾向[D].鲁东大学,美术学,2014,硕士.
[17]袁悦.试析艺术家的自画像[D].湖南师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[18]郭小龙.全电动高速注塑成型装备及工艺的研究[D].北京化工大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[19]王燕.清代苏州私家藏书研究[D].河北大学,图书馆学,2014,硕士.
[20]丁俊杰.癫痫患儿丙戊酸群体药动学及个体化给药应用研究[D].复旦大学,儿科学,2013,博士.
[21]陈日雄,于淑会,孙蓉,赵玉宝.超级电容器用石墨烯的制备与性能研究[J].化工新型材料,2012,06:66-68.
[22]李小草.宋代工笔花鸟画与十七世纪西方静物画的比较研究[D].湖南师范大学,美术学,2013,硕士.
[23]王春玲.湖羊、东湖杂交羊MC4R、POMC、CSN3、β-lg基因多态性及其与生长性状的相关性研究[D].南京农业大学,动物遗传育种与繁殖,2013,硕士.
[24]许声毓.直面“微型曼哈顿计划”的挑战[J].中国科技财富,2010,13:32-35.
[25]徐田兵.涪江特大桥悬臂施工关键技术研究[D].西南交通大学,建筑与土木工程,2012,硕士.
[26]张红锋.社会主义市场经济条件下人的发展问题研究[D].中共中央党校,马克思主义中国化,2014,博士.
[27]苏影.5-8岁儿童基于事实的解释性心理理论的发展研究[D].东北师范大学,发展与教育心理学,2012,硕士.
[28]于文超.大学生人格特质、专业承诺和时间管理倾向关系研究[D].曲阜师范大学,应用心理学,2013,硕士.
[29]陈刚,何江,吴小辰,柳勇军,时伯年.基于混合动态仿真的发电机组模型有效性评估[J].电力系统自动化,2011,01:34-38+49.
[30]夏添.长三角地区加工贸易的环境效应研究[D].南京农业大学,国际贸易学,2011,硕士.
[31]商利宏.基于复数ICA的MGDM系统信号分离技术研究[D].吉林大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[32]陈君.内蒙古哈民忙哈遗址出土动物遗存及相关问题研究[D].吉林大学,考古学及博物馆学,2014,硕士.
[33]骆怡蔓.超宽谱太赫兹源的研究[D].首都师范大学,光学工程,2014,硕士.
[34]秦梅.高分子共混体系热力学相行为的研究[D].哈尔滨理工大学,材料物理与化学,2003,硕士.
[35]张瑞.离子注入制备石墨烯[D].武汉大学,2014.
[36]刘春.矿烧结厂白灰窑除尘风机实现变频调速[J].冶金自动化,2002,01:74.
[37]李伟.Copula函数在多变量洪水联合分布中的应用研究[D].华中科技大学,水利工程,2013,硕士.
[38]付占方.编码孔径光谱数据处理与复原[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）,通信与信息系统,2013,硕士.
[39]从洪云.平板式氧传感器的制备及性能研究[D].湖南大学,物理化学,2011,硕士.
[40]何颖乐.基于人力资源的信息系统项目风险管理研究[D].西安建筑科技大学,信息管理与信息系统,2013,硕士.
[41]李鑫.东丽区企事业单位职称申报与管理系统的设计与开发[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[42]贾穗子,袁泉,曹万林.框支-斜交密肋复合墙结构影响因素及框支梁内力系数研究[J].大连理工大学学报,2014,06:612-617.
[43]沈利华.单壁纳米碳管的CVD制备、表征及提纯的初步研究[D].浙江大学,材料物理与化学,2004,硕士.
[44]王燕.论利益衡量及其在司法裁判中的运用[D].西南政法大学,法律逻辑学,2012,硕士.
[45]邓卫,裴玮,齐智平.基于IEC61850标准的微电网信息交互[J].电力系统自动化,2013,03:6-11.
[46]欧琼嫦.初中英语快乐课堂建构的实证研究[D].华中师范大学,教育学,2013,硕士.
[47]张艳娇.高斯视频摘要下的区域图目标检测研究[D].河北师范大学,无线电物理,2014,硕士.
[48]龚震东,范春菊,田羽.一种适合于同杆4回线的故障测距方法[J].电力系统自动化,2007,23:70-73.
[49]周海廷.机器学习与生物信息学[J].信息与控制,2003,04:352-357.
[50]闫姝.中学毕业班教师休息权保障研究[D].沈阳师范大学,教育法学,2014,硕士.