【正文】 坐標(biāo)系作為攝影測量坐標(biāo)系。 每次攝影測量重建時(shí)，均會(huì)重新產(chǎn)生一次攝影測量坐標(biāo)系，從而導(dǎo)致每次攝影測量重建時(shí)，所產(chǎn)生的坐標(biāo)系往往各不相同。 2)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 在靜態(tài)變形測量中，主要存在的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為:坐標(biāo)配準(zhǔn)中的攝影測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一(如圖_52中0} x}Y,z，和0z xzYzzz間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)和后期變形分析時(shí)的攝影測量坐標(biāo)系與物方(空間)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換(如圖_52中0} x}Y,z，和O XYZ間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)。這兩個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系本質(zhì)均為兩個(gè)三維坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。 3)坐標(biāo)配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)方案 根據(jù)上述的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可知如果要將坐標(biāo)系統(tǒng)一，就需要求取坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。而為了求得旋轉(zhuǎn)和平移矩陣，則需要尋找多組滿足公式(51)的點(diǎn)對(duì)。 如圖_53所示為坐標(biāo)配準(zhǔn)流程。 在攝影測量過程中，使用到了兩種標(biāo)志點(diǎn):編碼標(biāo)志點(diǎn)和非編碼標(biāo)志點(diǎn)。其中非編碼標(biāo)志點(diǎn)的ID編號(hào)在重建過程中，連續(xù)編號(hào)，而編碼標(biāo)志點(diǎn)的ID編號(hào)根據(jù)其自身特征在圖像識(shí)別時(shí)己經(jīng)明確唯一標(biāo)識(shí)。所以根據(jù)攝影測量技術(shù)的這一特征，通過使用編碼標(biāo)志點(diǎn)作為多個(gè)變形狀態(tài)中的攝影測量坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，求取多個(gè)變形狀態(tài)中的攝影測量坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后通過對(duì)各個(gè)變形狀態(tài)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，使各個(gè)變形狀態(tài)中的坐標(biāo)系統(tǒng)一。 4)坐標(biāo)配準(zhǔn)計(jì)算 根據(jù)全球點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，首先，使用全球點(diǎn)的形心在兩個(gè)狀態(tài)中的位置關(guān)系，將所有全球點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對(duì)其形心的坐標(biāo)，這樣兩個(gè)狀態(tài)中的全球點(diǎn)相互關(guān)系就轉(zhuǎn)化為了旋轉(zhuǎn)關(guān)系。然后，使用配準(zhǔn)算法求取旋轉(zhuǎn)矩陣。最后，根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣求得實(shí)際的平移矩陣。配準(zhǔn)算法如下所述。 假設(shè)第i個(gè)變形狀態(tài)相對(duì)于基礎(chǔ)狀態(tài)，有m對(duì)全球點(diǎn)，第i個(gè)變形狀態(tài)下的所有4)相同變形點(diǎn)匹配算法驗(yàn)證相同變形點(diǎn)匹配的精度和效率在實(shí)際的使用中，嚴(yán)重影響變形測量的使用效率，本文以一個(gè)物體受力變形中使用變形測量系統(tǒng)進(jìn)行檢測的實(shí)例對(duì)相同變形點(diǎn)匹配算法進(jìn)行驗(yàn)證。 如圖_56所示，狀態(tài)1為被測物體未附加載荷的情況下的自然狀態(tài)。狀態(tài)2為在被測物體上放置重物，使被測物體發(fā)生變形后的變形狀態(tài)。使用攝影測量和坐標(biāo)配準(zhǔn)的方法后，獲得所有非編碼標(biāo)志點(diǎn)的ID和空間坐標(biāo)信息，由于在非編碼標(biāo)志點(diǎn)重建過程中，由于所有的非編碼標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)為連續(xù)編號(hào)，兩個(gè)狀態(tài)之間的同一個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)的ID編號(hào)不同。根據(jù)所設(shè)定的搜索半徑使用上文中的相同變形點(diǎn)匹配算法后，各個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)的ID編號(hào)均被重置，如圖_57所示，根據(jù)相同ID編號(hào)的變形點(diǎn)，計(jì)算位移變形量的大小和方向，然后繪制位移變形色譜圖，結(jié)果符合實(shí)際的變形情況。 在靜態(tài)變形測量的實(shí)際使用過程中，被測量物體所發(fā)生的變形并不僅僅是規(guī)則的線性變形，同時(shí)還有伴隨著剛體旋轉(zhuǎn)過程中所發(fā)生的變形(如汽輪機(jī)葉片變形)和非線性變形(如剛結(jié)構(gòu)架的受力變形)等變形過程。如果單純的使用相同變形點(diǎn)匹配算法，在測量過程中將會(huì)出現(xiàn)由于剛體旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的匹配錯(cuò)誤或無法匹配和由于變形的非線性只能根據(jù)最大變形量而選擇非編碼標(biāo)志點(diǎn)的放置間距導(dǎo)致測量點(diǎn)不足。 為了解決這一問題，本文提出了一種新的相同變形點(diǎn)匹配方法。 1)相關(guān)拼合方法實(shí)現(xiàn) 由于在實(shí)際的靜態(tài)變形中，存在著伴隨著剛體旋轉(zhuǎn)過程中所發(fā)生的變形(如汽輪機(jī)葉片變形)和非線性變形(如鋼結(jié)構(gòu)件的受力變形)等變形情況。在這些變形情況的檢測中，單純的根據(jù)全球點(diǎn)的坐標(biāo)配準(zhǔn)和相同變形點(diǎn)匹配算法進(jìn)行靜態(tài)變形檢測，將會(huì)有一部分變形點(diǎn)無法匹配或匹配錯(cuò)誤。而在實(shí)際的測量實(shí)驗(yàn)過程中，由于為了攝影測量技術(shù)的重建在被測物體的被測變形區(qū)域內(nèi)，不僅有非編碼標(biāo)志點(diǎn)作為變形點(diǎn)存在，同時(shí)也有編碼標(biāo)志點(diǎn)作為攝影測量重建控制點(diǎn)存在。這一部分編碼標(biāo)志點(diǎn)在被測物體上隨著被測物體的變形而發(fā)生位置改變，本文所設(shè)計(jì)的相關(guān)拼合方法就是利用了這一部分的編碼標(biāo)志點(diǎn)消除被測物體由于旋轉(zhuǎn)和非線性變形所引起的非編碼標(biāo)志點(diǎn)的位置變化，從而提高相同變形點(diǎn)匹配的精度和匹配效率。 如圖_58所示，相關(guān)拼合方法實(shí)現(xiàn)的流程為: (1)相關(guān)點(diǎn)配準(zhǔn)和相同變形點(diǎn)匹配 根據(jù)被測物體變形情況，如果是伴隨著剛體旋轉(zhuǎn)過程中所發(fā)生地變形或非線性變形或相類似的變形情況，在設(shè)置全球點(diǎn)結(jié)束后，并不要馬上進(jìn)行根據(jù)全球點(diǎn)列表進(jìn)行的坐標(biāo)配準(zhǔn)，而是在被測物體的被測變形區(qū)域中，根據(jù)變形區(qū)域的尺寸、形狀和變形的大小，放置相關(guān)點(diǎn)。放置相關(guān)點(diǎn)時(shí)應(yīng)使相關(guān)點(diǎn)大于3個(gè)，并且所有相關(guān)點(diǎn)應(yīng)不在同一平面內(nèi)。如果為剛體旋轉(zhuǎn)過程中所發(fā)生地變形，相關(guān)點(diǎn)的選取應(yīng)為伴隨被測變形區(qū)域旋轉(zhuǎn)的編碼標(biāo)志點(diǎn)。如果為非線性變形，相關(guān)點(diǎn)的選取應(yīng)為每個(gè)變形階段中變形量接近各自變形階段平均值的區(qū)域上的編碼標(biāo)志點(diǎn)。根據(jù)所選擇的相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，使被測變形區(qū)域內(nèi)的變形數(shù)據(jù)坐標(biāo)系盡量統(tǒng)一。根據(jù)相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)配準(zhǔn)，進(jìn)行非編碼標(biāo)志點(diǎn)ID編號(hào)的重置，使被測變形區(qū)域內(nèi)的非編碼標(biāo)志點(diǎn)所代表的變形點(diǎn)匹配。 (2)全球點(diǎn)坐標(biāo)配準(zhǔn)繪制位移變形色譜圖 根據(jù)全球點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)，相同變形點(diǎn)匹配結(jié)束后，通過全球點(diǎn)坐標(biāo)配準(zhǔn)的方式，將所有狀態(tài)的坐標(biāo)系統(tǒng)一。相關(guān)拼合結(jié)束，計(jì)算變形量繪制位移變形色譜圖。 2)相關(guān)拼合方法驗(yàn)證 如圖_59所示，當(dāng)發(fā)生的變形情況為剛體旋轉(zhuǎn)變形時(shí)，在坐標(biāo)配準(zhǔn)后直接進(jìn)行相同變形點(diǎn)匹配，由于各點(diǎn)均發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，每個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)的搜索區(qū)域內(nèi)均存在多個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)或無可匹配點(diǎn)，使得相同變形點(diǎn)匹配失敗。而根據(jù)剛體旋轉(zhuǎn)時(shí)在剛體上的編碼標(biāo)志點(diǎn)281, 283, 285和287的坐標(biāo)信息，使其作為相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)拼合后進(jìn)行相同變形點(diǎn)匹配，每個(gè)非編碼標(biāo)志點(diǎn)所代表的變形點(diǎn)均準(zhǔn)確匹配了起來，然后再進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)將坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，計(jì)算位移變形量繪制位移變形色譜圖如(b)所示。 可見，通過使用相關(guān)拼合，可以在變形情況特殊，變形點(diǎn)匹配困難的情況下，提高系統(tǒng)的匹配效率和匹配的準(zhǔn)確度。 數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation, DIC)是一種對(duì)全場位移和應(yīng)變進(jìn)行量化分析的光測實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法。該方法的基本思想就是在變形前的圖像中選取一個(gè)子區(qū) (一般為矩形)，利用子區(qū)中的散斑灰度信息，在變形后的圖像中尋找其所對(duì)應(yīng)的位置，從而獲得子區(qū)位置和形狀的變化，從這些信息中，我們可以得到物體在這一點(diǎn)上的位移和應(yīng)變的數(shù)值。 基本原理如圖_510所示，首先利用攝像機(jī)獲取物體表面變形前后的數(shù)字散斑圖像，其次，將物體表面變形前的散斑圖像連續(xù)分割成很多小的尺寸相同的子區(qū)域(如A, B區(qū))作為相關(guān)區(qū)域，相關(guān)區(qū)域大小一般從1 _5 X 1 _5像素到30 X 30像素，相關(guān)區(qū)域的中心點(diǎn)作為待測點(diǎn)，記為P，然后，將分割的相關(guān)區(qū)域與物體表面變形后的散斑圖像進(jìn)行匹配，以獲取對(duì)應(yīng)的圖像子區(qū)和子區(qū)中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(即待測點(diǎn)在變形后物體表面散斑圖像上的圖像坐標(biāo))，這樣就可以計(jì)算被測點(diǎn)P的位移，經(jīng)進(jìn)一步數(shù)值計(jì)算可以獲得應(yīng)變信息。 較之其它光測力學(xué)方法，數(shù)字圖像相關(guān)方法的優(yōu)點(diǎn)是:1)實(shí)驗(yàn)具有非接觸性、無損測試的特點(diǎn)。2)光路簡單，可以使用白光做光源。3)表面處理技術(shù)簡便，可直接從被測物體表面自然或人工形成的隨機(jī)斑點(diǎn)來提取所需的變形信息。4)對(duì)測量環(huán)境要求不高，便于實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。如:該方法可實(shí)現(xiàn)微區(qū)的細(xì)觀力學(xué)測量，以及用于高溫、高壓等惡劣環(huán)境和高速?zèng)_擊、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)過程力學(xué)量的測量。利用顯微鏡及其它輔助設(shè)備，可適用于從微觀到宏觀等多種情況的測量。 近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展以及一些更為有效的算法的提出，使其獲得了更廣泛的應(yīng)用。該方法提出以來，經(jīng)過近20年的發(fā)展，圖像相關(guān)法己經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域中一種重要的測量方法，無論在測試方法的改進(jìn)與完善方面，還是在其應(yīng)用研究方面都取得了重要的成果。 數(shù)字散斑三維變形測量分析系統(tǒng)是通過分析數(shù)字散斑圖像來獲得被測物表面位移等變形場數(shù)據(jù)。因此，散斑圖像的質(zhì)量，將直接影響系統(tǒng)的測量精度。實(shí)際測量中某些因素會(huì)使采集到的散斑圖像質(zhì)量降低，使三維位移等變形場計(jì)算的精度降低，主要有以下幾個(gè)方面: (1) ccD相機(jī)的質(zhì)量和分辨率。如果ccD相機(jī)質(zhì)量不高，所采集的散斑圖像質(zhì)量必然降低，圖像清晰度、圖像灰度對(duì)比較差，從而影響散斑圖像的相關(guān)匹配計(jì)算精度。另外，如果ccD相機(jī)的分辨較低，那么對(duì)應(yīng)的實(shí)際空間分辨率也不高，使測量結(jié)果精度有限。隨著圖像采集設(shè)備的發(fā)展，目前市場上的ccD相機(jī)的分辨率高達(dá)千萬像素，幀率從十幾一萬幀，相比以往，影像更加銳利、分辨率更高、色彩層次更加豐富，能滿足測量系統(tǒng)的要求。 (2)光照不均勻。在測量過程中，光源的光強(qiáng)及方位均有可能會(huì)發(fā)生改變。反映在散斑圖像上，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像的光照發(fā)生不均勻變化，如圖sIg所示。由于測量系統(tǒng)后續(xù)的計(jì)算處理以散斑圖像的灰度值為基礎(chǔ)，因此，光照的不均勻變化將影響系統(tǒng)的測量精度。 (3)系統(tǒng)的標(biāo)定精度。測量前，用于圖像采集的兩個(gè)CCD攝像機(jī)的相對(duì)方位和距離等參數(shù)應(yīng)該精確確定，這就要求高精度的系統(tǒng)標(biāo)定操作，否則，即使散斑圖像質(zhì)量很好、圖像處理和匹配的精度很高，最終計(jì)算得到的位移等變形場的精度也不能保證，從而影響系統(tǒng)的測量精度。與之相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)在本文第三章己經(jīng)詳述，本文采用的標(biāo)定算法具有較高的實(shí)驗(yàn)精度。 (4)圖像匹配算法的精度。本文涉及的圖像匹配也就是散斑圖像相關(guān)運(yùn)算，包括散斑特征的匹配和跟蹤。圖像匹配是三維重建的基礎(chǔ)，也是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，對(duì)采用的匹配算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 (5)兩CCD攝像機(jī)的配置。系統(tǒng)安裝時(shí)，兩攝像機(jī)之間的距離和角度也會(huì)影響系統(tǒng)測量的精度。根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)位置布置的不同，可以實(shí)現(xiàn)視場不同的測量系統(tǒng)，而視場越大，測量系統(tǒng)的精度越低。此外，為了保證散斑圖像匹配的精度，兩攝像機(jī)所采集圖像的灰度分布應(yīng)基本不變，這就要求兩攝像機(jī)中心線的夾角很小，最理想的情況是兩攝像機(jī)中心線平行，當(dāng)然這是不可能的，否則違反雙目立體視覺原理，不能實(shí)現(xiàn)三維重建。 以上是影響系統(tǒng)測量精度的幾個(gè)主要因素，而這些因素之間又相互影響，并非相互獨(dú)立的，因此，要提高系統(tǒng)的測量精度，就必須綜合考慮，優(yōu)化校正這些