摘要
数字图像相关方法自提出以来以其光路简单、设备搭建方便、测量环境要求较低以及能够进行全场非接触式测量等优势得到了迅速的发展，成为光测力学中一种十分重要的测试方法，并已在工程领域得到广泛研究与应用。其通过相机跟踪并记录附着在测量表面的特征信息变化，结合计算机视觉与数字图像处理技术，可以准确测量物体表面的形貌、位移、应变等物理量。虽然数字图像相关技术经过多年的发展已较为成熟，特别是在硬件和内部算法方面，但是在图像的外部影响因素方面还值得作进一步研究。相机采集的散斑图是数字图像相关方法进行变形求解的基础，因此散斑图质量对测量精度至关重要，而散斑图受到测量表面散斑特征信息、相机与镜头成像参数、光照条件等外部因素的影响。本文主要就数字图像相关测量中外部图像影响因素对测量精度的作用效果进行研究，并将数字图像相关方法应用至工程实际中，以辅助机械设备的设计与测量。 本文首先对计算机视觉基础以及数字图像相关方法的基本原理进行了系统性分析，并初步研究了形函数、插值方法、初值估计以及图像匹配算法等内部因素。在此基础上，根据散斑图形成的光路，分别研究了散斑、成像参数、光照条件等外部因素对数字图像相关方法测量精度的影响。 通过对偏置误差来源的分析，提出了一种与图像一阶灰度梯度和二阶灰度梯度相关的指标来评价不同质量的散斑图对测量偏置误差的影响。数字图像相关方法是一种基于试件表面随机散斑的非接触式测量方法，其测量误差与表面散斑的质量直接相关，而不同实验者制备的散斑又千差万别。为验证所提出评价指标的有效性，首先利用实际中不同散斑制备方法得到的散斑图进行模拟平移实验，然后对单因素变化条件下的模拟散斑图进行分析。结果表明，在有噪声的情况下，覆盖率为50%、散斑粒径为4像素的散斑图计算精度最高。 本文基于静态实验方法研究分析了相机增益、曝光时长以及光圈大小对散斑图质量及数字图像相关方法测量精度的影响。通过计算不同成像条件下的散斑图参数与误差，发现仅改变增益并不会改变散斑图的质量及测量精度，但增大曝光时长和光照强度能提升散斑图质量并有效地减小测量误差。此外，光圈值的大小也会明显地影响散斑图质量及测量精度。基于实验结果，设计了一套能够根据采集散斑图的过曝率自动调节光照强度和曝光时长的系统以辅助实际测量中成像参数的设置。针对透镜畸变对成像质量及测量精度的影响，结合不同形函数分析了先进行图像校正后进行节点坐标求解的有效性。 为提高数字图像相关方法在变化光照环境中进行测量的鲁棒性，本文提出了一种基于子区局部像素坐标和主光照变化方向的灰度变换模型用于减小全局非均匀光照变化对测量精度的影响，并基于变形逆向映射提出了一种过曝散斑灰度值估计方法用于减小散斑过曝对测量精度的影响。光照条件是数字图像相关中不可忽视的影响图像质量的外部因素，合理的光照应保证光照均匀且变形前后无明显变化。但实际测量中，光照变化可能会造成变形前后的散斑图产生明显差异，从而使得测量误差增大。为验证上述方法对减小散斑图差异所造成误差的有效性，利用仿真与实验进行验证。结果表明，两种方法都能减小光照变化对数字图像相关方法测量精度的影响。 本文利用数字图像相关方法内外影响因素研究对实际测量的指导意义，将数字图像相关方法应用于工程实际，满足了不同应用场合下机械构件的测量需求，包括三维形貌测量、二维位移与应变测量、三维位移与应变测量。结果表明，数字图像相关方法对工程应用中机械构件的加工精度验证、设计优化、变形测量等提供了有力的辅助。
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