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《中国科学技术大学》 2017年
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教学图像相关方法中局域变形场测量精度及补偿方法研究

徐小海  
【摘要】:作为一种高精度的非接触式全场光学测量方法,数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)在工程测量中发挥着越来越重要的作用。然而,DIC方法的测量精度仍然限制着该方法的推广应用。DIC方法对于简单曲表面的简单变形(如伸缩变形)的测量精度(~20με)已基本满足工程测量的需求。然而,在很多实际工况下,局域变形场(应变高度集中,如PLC带、试件缺口附近和裂纹尖端等)的测量结果受计算参数影响很大(不同计算参数下测量结果的相对误差可达百分之几十甚至更高),这也导致使用者很难判断测量结果的可靠性。论文研究了局域变形场中DIC方法的测量精度问题,并将其推广到数字体积相关方法(Digital Volume Correlation,DVC)在细胞牵引力的测量中。此外,还研究了基于二维数字图像相关(Two-Dimensional DIC,2D DIC)的补偿方法。第二章针对DIC方法在局域变形场中的测量精度问题,首先以PLC带为例,实验分析了局域变形场中DIC方法的位移和应变测量误差,提出了当采用一阶和二阶形函数测量结果的相对误差小于10%时,采用二阶形函数的测量结果可靠的判据。然后理论推导了位移和应变系统误差,提出了一种通过不同子区尺寸下的位移场预估位移测量误差的方法。最后通过实验和理论分析的结论指导实验并优化计算参数。第三章将DIC方法在局域变形场中的研究推广到DVC方法。针对水凝胶基底上细胞的牵引力测量,将基于二阶形函数的反向组合算法(IC-GN2)引入DVC方法中,得到了比采用一阶形函数的方法更为准确的位移测量结果。另外,将半无限大平面的弹性介质受力问题的理论解与DVC方法测量的位移场关联,推导了根据已知的位移场和预先设定的牵引力的作用位置和作用区域得到牵引力大小的表达式,并通过模拟实验验证和用于细胞牵引力测量实验。第四章针对2D DIC方法受离面运动和斜光轴影响的问题,研究了基于2D DIC的补偿算法。首先,在现有的补偿算法(基于小离面变形假设)基础上,提出了更为稳定的改进补偿算法。其次,提出了不受斜光轴影响的基于坐标变换的补偿方法,扩展了 2D DIC方法的适用范围。
【关键词】:数字图像相关方法 局域变形场 测量精度 数字体积相关方法 补偿方法
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O348
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-14
  • 第1章 绪论14-21
  • 1.1 引言14-16
  • 1.1.1 数字图像相关方法的起源与发展14
  • 1.1.2 数字图像相关方法的基本原理14-16
  • 1.1.3 数字图像相关方法的应用领域16
  • 1.2 数字图像相关方法面临的挑战16-19
  • 1.3 论文概述19-21
  • 第2章 局域变形场中数字图像相关方法测量精度研究21-55
  • 2.1 实验分析21-35
  • 2.1.1 参数依赖性21-24
  • 2.1.2 数值模拟实验24-25
  • 2.1.3 参数影响25-33
  • 2.1.4 可靠性判据33-35
  • 2.2 理论分析35-49
  • 2.2.1 形函数欠匹配误差35-39
  • 2.2.2 曲面拟合函数欠匹配误差39-45
  • 2.2.3 数值模拟验证45-49
  • 2.3 参数优化49-53
  • 2.3.1 预估测量误差49-51
  • 2.3.2 自适应参数51-53
  • 2.4 本章小结53-55
  • 第3章 数字体积相关方法在细胞牵引力测量中的应用55-69
  • 3.1 数字体积相关方法56-63
  • 3.1.1 正向和反向算法56-58
  • 3.1.2 二阶形函数58-61
  • 3.1.3 精度与效率分析61-63
  • 3.2 从位移场到牵引力63-66
  • 3.3 细胞牵引力测量66-67
  • 3.3.1 扫描图像序列66-67
  • 3.3.2 位移场67
  • 3.3.3 细胞牵引力67
  • 3.4 本章小结67-69
  • 第4章 二维数字图像相关补偿方法研究69-100
  • 4.1 基于小离面变形假设的补偿方法69-85
  • 4.1.1 Pan提出的方法69-72
  • 4.1.2 改进补偿方法72-73
  • 4.1.3 稳定性、精度和效率分析73-81
  • 4.1.4 应用分析81-85
  • 4.2 基于坐标变换的补偿方法85-98
  • 4.2.1 基本原理86-90
  • 4.2.2 有效性分析90-95
  • 4.2.3 实验分析95-98
  • 4.3 本章小结98-100
  • 第5章 总结与展望100-104
  • 5.1 总结100-101
  • 5.2 创新点101
  • 5.3 展望101-104
  • 参考文献104-113
  • 致谢113-115
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果115-117

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