数字散斑相关方法的研究和应用

【摘要】： 数字散斑相关方法(DSCM)是起源于20世纪80年代的一种光学测量方法,研究该方法的重要意义在于,它具备目前其它传统光测方法所缺乏的应用于工程测量的诸多有利条件,如可用白光光源,光路简单,无需隔振,测量范围大等等。但是目前的DSCM方法无论在位移、应变测量精度以及数据处理速度上还存在许多不足,难以满足工程测量的要求,如受噪声的影响或算法本身的局限性,位移测量精度不高,从而导致应变测量精度很低,不能显示变形规律及现象;另外,DSCM方法在重要的三维测量方面的研究尚属起步且应用于工程实际中做得很少。本文对DSCM二维测量和三维测量中的一些关键技术做了研究,并开发了DSCM软件测量系统,满足了实际测量要求,为DSCM在科学研究和工程测量中的应用提供了基本条件。 本文所做的主要工作以及取得的主要成果如下:(1)发展了基于灰度梯度迭代的适用于各种测量条件的二维数字散斑相关方法(DSCM-2D)及基于有限元光滑技术(FEM Smoothing technique)与二维广义交互验证(2D Generalized cross validation,2D GCV)的数据光滑方法,完成位移数据光滑,消减测量过程中的噪声影响。经模拟和真实散斑实验验证,该算法在复杂的变形条件以及一定程度的噪声干扰下,仍能保证较高的位移测量精度,可以满足科学研究和工程测量中对应变场测量的要求,这是目前其它一些散斑相关算法难以做到的;(2)发展了基于小平面假设和摄像机模型的三维数字散斑相关方法(DSCM-3D),该方法解决了双目立体视觉中,两个摄像机所记录散斑图像间的匹配问题,完成了从图像坐标重建空间三维坐标,实现了空间三维位移的计算,并以真实实验检验了三维测量的精度;(3)发展了可生成非均匀应变的模拟数字散斑图算法,并提出将实际摄像机模型引入模拟数字散斑图生成算法中,为定量分析摄像机对测量的影响提供了条件;(4)开发了实用的DSCM软件测量系统,并用此测量系统完成了五种重要工程应用课题,其中包括大型的工程测量和生物运动三维测量。