一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法
2023-05-06 09:26:51
一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法
【專利摘要】一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法，屬於土工實驗測試【技術領域】。其特徵是採用透明的方形壓力室，刻有可追蹤標記的特製橡皮膜，採用前後兩個數字相機和相應的圖像採集控制和處理系統，通過追蹤橡皮膜上的角點在圖像上位置的變化，並採取一定的假設，獲得試樣表面橡皮膜上的特徵點的空間坐標，並對前後兩個相機採集到的圖像進行拼接，實現了三軸試驗過程中，試樣三維變形的測量。與ANSYS有限元軟體相結合，得到試樣的三維變形網格和三維全表面應變場。本發明的效果和益處是能夠從前後兩個方向獲取三軸試驗過程中試樣全面的變形特徵。能夠獲得三軸試驗中表面特徵點的空間位置，實現對試樣三維變形的重構，能夠獲得試樣的三維表面應變場的分布。
【專利說明】一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於巖土力學的實驗測試【技術領域】，涉及測試土體、碎石及土石混合體的三軸試樣三維變形重構和測量的方法。
【背景技術】
[0002]三軸試驗技術是巖土力學中一種最重要的試驗技術，被廣泛用來研究巖土體材料的強度、應力應變關係和構建本構模型。傳統的三軸試驗採用力傳感器測量作用在試樣上的應力，採用位移傳感器測量土體發生的應變，給出土體宏觀的單值應力應變關係。隨著巖土力學研究的深入和發展，人們開始關注土體的應變局部化和剪切帶的形成及發展的趨勢和變化規律等問題，因此也對三軸試驗方法提出了更高的要求。由於傳統的三軸儀一般採用位移傳感器的方法對試樣的變形進行測量，其試驗結果只能反映試樣整體的變形，不能反映試樣的三維和局部變形的特徵。三軸試驗中試樣的三維變形重構和應變的測量對於利用三軸試驗研究剪切帶和本構模型等問題具有非常大的應用價值，因此有許多學者對傳統的三軸試驗方法進行改進。如專利CN 1319812A 「三軸試驗土樣變形的數字圖像測量方法及設備」。採用透明鋼化玻璃方形密封容器和數字圖像採集設備和圖像處理程序測定試樣的軸向和徑向變形。該方法能夠實現對試樣局部變形的測量，但是該設備和方法的缺陷為只能測量圓柱形試樣單面的變形，不能實現試樣全表面三維變形的測量，更不能實現三軸試驗三維變形的重構。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種在三軸試驗過程中實現試樣全表面變形測量和三維重構的方法，解決現有三軸試驗數字圖像測量技術只能測量試樣單面的徑向和軸向變形的局限性，實現對三軸試驗中試樣變形的三維測量和重構。
[0004]本發明的技術方案是:首先，傳統的三軸試驗圓桶形壓力室改為全透明的方形壓力室；全透明的方形壓力室安裝於三軸試驗機上；採用印有黑白相間方格的橡皮膜代替傳統的無標識橡皮膜，如圖2所示。其次，三軸試驗機前後各放置一個三角架，數字相機分別安裝在三腳架上，放置於試樣的前後兩面。相機控制和圖像採集軟體能夠實現對兩個相機的同步採集，兩個相機能同時採集到同一時刻試樣前後兩個表面的變形圖片(圖1)。進一步，對採集到的試樣前後兩個面的圖像(包裹在三軸試樣表面印有黑白相間方格的橡皮膜)進行提取角點像素坐標的處理工作，同時採用計算機圖像處理中邊界識別的方法提取試樣外所包裹的橡皮膜的邊界，如圖3所示。要求在安裝三軸試樣過程中儘量保證橡皮膜上的同一行方格上邊和下邊的兩個角點均分別位於垂直於試樣中心軸平面的同一個圓周上，假定在試驗過程中試樣變形後原來位於同一個圓周的角點仍然位於垂直於試樣中心軸平面的同一個圓周上。利用提取的邊界和位於同一個圓周角點的像素坐標確定邊界點的坐標，邊界點是前後兩個圖像的公共可識別點，如圖2所示。建立兩個三維坐標系統。以試樣初始時的中心軸為z軸，試樣的端部的中心為坐標原點，以試樣與相機光軸垂直的方向為X軸，建立空間坐標系OXYZ，如圖3所示。以所採集圖像像平面的中心0』點為像素坐標的原點，以試樣成像平面為X』 V平面，與成像平面垂直的軸為V軸，建立刻度為像素的三維坐標系統0』 X』 V Z』，如圖4所示。在做完這些前期的工作後，下一步要進行試樣變形的三維重構。首先，在三維像素坐標系統O』X』Y』Z』中重構試樣三維變形的圖像。通過角點提取，得到角點的X』和Ζ』像素坐標，根據邊界提取，獲得角點所在圓周的直徑2R』(圖6).根據提取的邊界和角點坐標，確定邊界點的像素坐標。根據點在圓周上滿足關係式:X』2+Y』2=R』2，得到所有角點和邊界點的Y』坐標。根據這一假定，可得到試樣前後表面所有角點和邊界點的X』 V V坐標，坐標以像素表示。
[0005]在角點的提取過程中，採用了 Harris角點提取的方法，並預先設定好角點所可能處於的範圍。在邊界的提取中，採用了 Prewitt因子提取邊界的方法。這些方法能給出比較準確的有關信息。
[0006]在提取了角點和邊界點的完整的坐標後，下一步要對前後兩個相機捕捉的圖像進行拼接處理的工作。由於前後兩個相機得到的圖像其X』軸的坐標是相反的，需要將一個相機中得到的X』方向的坐標進行轉換，這一轉換是通過對其中一個相機採集到圖像的角點和邊界點的X』坐標取負值實現的。然後根據前後兩個圖像其邊界點為共用特徵點，對其中一個圖像中的所有坐標進行平移坐標轉換，這樣前後兩個相機採集的角點和邊界點的坐標就一致了，從而實現了三軸試樣前後表面圖像的拼接。
[0007]進一步進行三軸壓縮試驗過程中試樣變形的三維重構工作。根據上面所得到角點和邊界點的三維像素坐標，採用ANSYS或者其他的軟體建立三軸試樣的三維變形網格，如圖6所示。進一步的，利用ANSYS軟體的後處理功能，將三軸試樣的表面看做一個殼體，每個角點和邊界點的位移作為殼體單元節點的位移約束，就可以繪製出試樣表面的三維變形場和應變場，從而實現了三軸壓縮試驗過程中試樣全表面三維應變場的測量和繪製工作。上述工作是在像素坐標為刻度的空間坐標系0』 X』 V V中實現的。
[0008]在真實空間坐標系0ΧΥΖ中三軸試驗變形三維重構和變形測量是按照下面的方法實現的。試樣的初始狀態真實的直徑長度與試樣初始像平面內直徑長度的比值為線性比例因子，比例因子=真實長度/像素長度。根據這一比例因子，計算出真實試樣的角點和邊界點所在圓周的直徑，進一步計算出每一個角點和邊界點的真實空間坐標X』，Y』，和Ζ』。然後結合ANSYS軟體可以建立三軸試樣的三維變形網格並繪製三軸試樣變形的三維表面應變場。
[0009]本發明的效果和益處是:一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法，能夠從前後兩個方向獲取三軸試驗過程中試驗全面的變形特徵。能夠獲得三軸試驗中表面特徵點的空間位置，實現對試樣三維變形的重構，能夠獲得試樣的三維表面應變場的分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明基於雙相機的測量三維變形的測量裝置示意圖。
[0011]圖中:1計算機控制採集系統；2三軸儀；3方形三軸壓力室；4(XD相機；5三腳架；6試樣；7橡皮膜。
[0012]圖2是發明採用的分布有黑白方格的橡皮膜實物圖。
[0013]圖3是本發明中建立的三軸試樣真實的三維空間坐標系統0ΧΥΖ圖。[0014]圖4是本發明中建立的三軸試樣成像平面的三維空間坐標系統0』 X』 Y』 Z』圖。
[0015]圖5是本發明中採用圖像中邊界提取的方法得到的三軸試樣的變形邊界圖。
[0016]圖6是本發明中利用ANSYS軟體得到的三維變形網格圖。
[0017]圖中:(a)初始狀態示意圖；(b)變形狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的【具體實施方式】。
[0019]如圖1所示，本發明實現三維測量的方案包括以下的設備:計算機控制採集系統1，三軸儀2，方形三軸壓力室3，兩臺(XD相機4，兩臺三腳架5，三軸試樣6，刻有黑白方格的橡皮膜7，方格大小為7_χ7_。三軸儀為南京土壤儀器廠生產的TSZ10-1.0型應變控制式三軸儀。方形壓力室由有機玻璃材料做成，壁厚2.0cm，邊長為11.0cm。C⑶相機採用大恆圖像生產的DH-HV3151UC相機，像素解析度為2048X 1536。鏡頭為Computers公司生產的最大焦距為16mm可調焦鏡頭。具體實施步驟描述如下:首先，在試樣外邊套上橡皮膜7，注意使橡皮膜同一行方格的上邊的角點位於同一個高度，然後套有橡皮膜的試樣安裝到三軸儀上面，放上方形的壓力室。壓力室內充滿水，密封好，這些操作與常用三軸試驗儀器的操作相似。然後，在三軸壓力室前後各放置一臺C⑶相機(4)，C⑶相機安裝在三角架5上。調整三腳架的高度，使得兩個相機處於同一個高度，並都能拍攝到試樣，兩臺相機能夠由計算機軟體控制實現同時拍攝。三軸壓力室內施加既定的圍壓後，則可以開始三軸壓縮試驗，試驗過程中試樣受壓產生變形。三軸試驗開始，同時計算機圖像採集軟體控制兩臺CCD相機進行圖像採集。這樣就獲得了三軸試驗過程中試驗變形的前後面的圖像。
[0020]進一步，對採集到的試樣前後兩個面的圖像(包裹在三軸試樣表面印有黑白相間方格的橡皮膜)進行提取角點像素坐標的處理工作，同時採用圖像中邊界識別的方法提取試樣外所包裹的橡皮膜的邊界。在角點的提取過程中，可以採用Harris角點提取的方法，並預先設定好角點所可能處於的範圍。在邊界的提取中，可以採用Prewitt因子提取邊界的方法。提取後的邊界如圖3所示。然後根據提取的邊界和角點的坐標確定和角點位於同一圓周上的邊界點的坐標，如圖2所示。在前後採集到的試樣的圖像上，每一行共提取10個特徵點。
[0021]進一步，建立兩個三維坐標系統。以試樣初始時的中心軸為Z軸，試樣的端部的中心為坐標原點，以試樣與相機光軸垂直的方向為X軸，建立空間坐標系0ΧΥΖ,如圖4所不。以所採集圖像像平面的中心0』點為像素坐標的原點，以試樣成像平面為X』 V平面，與成像平面垂直的軸為Y』軸，建立刻度為像素的三維坐標系統0』 X』 Y』 Z』，如圖5所示。在做完這些前期的工作後，下一步進行試樣變形的三維重構。首先，在三維坐標系統0』 X』 V V中重構試樣三維變形的圖像。假定，初始每一行方格的上面和下面的兩個角點在安裝三軸試樣時均分別位於垂直於試樣中心軸平面的同一個圓周上，試樣變形後原來位於同一個圓周的角點仍然位於垂直於試樣中心軸平面的同一個圓周上。通過角點和邊界提取，得到10個特徵點的X』和V像素坐標，獲得特徵點所在圓周的直徑2R』，如圖3所示.根據點在圓周上滿足關係式:X』2+Y』2=R』2，得到特徵點的Y』坐標。根據這一假定，可得到試樣前後表面所有特徵點的X』 V V坐標，以像素表示。
[0022]在提取了特徵點的完整的坐標後，對前後兩個相機捕捉的圖像進行拼接處理的工作。由於前後兩個相機得到的圖像其X』軸的坐標是相反的，需要將一個相機中得到的X』方向的坐標進行轉換，通過對X』坐標取負值實現坐標的變換。然後根據前後兩個圖像的邊界點為共用點，對其中一個圖像中的所有坐標進行平移坐標轉換，這樣前後兩個相機採集的特徵點的坐標就一致了，從而實現了圖像的拼接。
[0023]進一步進行三軸壓縮試驗過程中試樣變形的三維重構。根據上面所得到的特徵點，角點和邊界點，的三維像素坐標，採用ANSYS或者其他的軟體建立三軸試樣的三維變形網格，如圖6所示。進一步的，利用ANSYS軟體的後處理功能，將三軸試樣的表面看作一個殼體，每個特徵點的位移作為殼體單元節點(採用ANSYS軟體中的52號殼體單位)的位移約束，就可以繪製出試樣表面的三維變形場和應變場，從而實現了三軸壓縮試驗過程中試樣全表面三維應變場的測量和繪製工作。上述工作是在像素坐標為刻度的空間坐標系0』 X』 Y』 V中實現的。
[0024]在真實空間坐標系0ΧΥΖ中三軸試驗變形三維重構和變形測量是按照下面的方法實現的。試樣的初始狀態真實的直徑長度與試樣初始像平面內直徑長度的比值為線性比例因子。例如真實長度為39.1mm,像素長度為200像素,則比例因子為39.1/200 (mm/像素)。根據這一比例因子，計算出每一個特徵點，邊界點和角點，的真實空間坐標X』，Y』，和Ζ』。然後結合ANSYS軟體可以建立三軸試樣的三維變形網格並繪製三軸試樣變形的三維表面應變場。
【權利要求】
1.一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法，其特徵在於採用兩個CCD相機分別從方形壓力室的前後觀測記錄三軸試驗中試樣變形的試驗設置；假定試樣變形前位於垂直於試樣中心軸平面內的同一圓周上的特徵角點在變形後仍然位於垂直於試樣中心軸某一平面內的同一圓周上；建立兩套坐標系統，以試樣初始時的中心軸為Z軸，試樣的端部的中心為坐標原點，以試樣與相機光軸垂直的方向為X軸，建立空間坐標系OXYZ,以所米集圖像像平面的中心0』點為像素坐標的原點，以試樣成像平面為X』 V平面，與成像平面垂直的軸為r軸，建立刻度為像素的三維坐標系統0』 X』 v v ;利用邊界提取的方法確定試樣的圓周直徑；採用邊界和角點提取相結合的方法確定邊界點的坐標；根據前後相機獲得的試樣前表面和後表面共用一個邊界點的方法進行試樣前後表面的三維拼接，基於三維坐標系統0』 X』 V V ;利用不同時刻由圖像測量方法獲得的特徵點的位移和ANSYS有限元軟體相結合進行三軸試驗三維變形的重構和三維表面應變場的繪製工作；利用線性比例的方法實現從三維坐標系統0』 X』 V V到真實三維空間坐標0ΧΥΖ的變換。
2.根據權利要求1所述的一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法，其特徵還在於對前後相機獲得的試樣前表面和後表面共用一個邊界點進行三維拼接時，首先對其中一個表面所提取的特徵點的坐標進行X坐標值取負值的處理，特徵點包括角點和邊界點，；並進一步根據試樣前後表面的圖像公用邊界點的坐標值應該一致，對其中的一個表面取得的特徵點的坐標進行坐標平移變化的處理，從而實現試樣前後表面圖像的三維拼接。
3.根據權利要求1所述的一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法，其特徵在於根據線性比例的方法實現從三維坐標系統0』 X』 Y』 V到真實三維空間坐標0ΧΥΖ的變換，根據試樣的真實直徑和圖像上按照邊界提取方法確定的試樣直徑的像素長度，確定出線性比例因子。
4.根據權利要求1所述的一種三軸試驗三維變形重構和測量的方法，其特徵還在於根據不同時刻由圖像測量方法獲得的特徵點的位移採用有限元中軟體ANSYS的殼體單元實現三軸試驗三維變形的重構和三維表面應變場的繪製工作。
【文檔編號】G01B11/16GK103644858SQ201310676322
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】趙紅華, 郭靖, 常豔, 李鵬飛 申請人:大連理工大學