一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法
【專利摘要】一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法，屬于土工實驗測試【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是采用透明的方形壓力室，刻有可追蹤標(biāo)記的特制橡皮膜，采用前后兩個數(shù)字相機和相應(yīng)的圖像采集控制和處理系統(tǒng)，通過追蹤橡皮膜上的角點在圖像上位置的變化，并采取一定的假設(shè)，獲得試樣表面橡皮膜上的特征點的空間坐標(biāo)，并對前后兩個相機采集到的圖像進行拼接，實現(xiàn)了三軸試驗過程中，試樣三維變形的測量。與ANSYS有限元軟件相結(jié)合，得到試樣的三維變形網(wǎng)格和三維全表面應(yīng)變場。本發(fā)明的效果和益處是能夠從前后兩個方向獲取三軸試驗過程中試樣全面的變形特征。能夠獲得三軸試驗中表面特征點的空間位置，實現(xiàn)對試樣三維變形的重構(gòu)，能夠獲得試樣的三維表面應(yīng)變場的分布。
【專利說明】一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土力學(xué)的實驗測試【技術(shù)領(lǐng)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(gòu)和測量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三軸試驗技術(shù)是巖土力學(xué)中一種最重要的試驗技術(shù)，被廣泛用來研究巖土體材料的強度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和構(gòu)建本構(gòu)模型。傳統(tǒng)的三軸試驗采用力傳感器測量作用在試樣上的應(yīng)力，采用位移傳感器測量土體發(fā)生的應(yīng)變，給出土體宏觀的單值應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。隨著巖土力學(xué)研究的深入和發(fā)展，人們開始關(guān)注土體的應(yīng)變局部化和剪切帶的形成及發(fā)展的趨勢和變化規(guī)律等問題，因此也對三軸試驗方法提出了更高的要求。由于傳統(tǒng)的三軸儀一般采用位移傳感器的方法對試樣的變形進行測量，其試驗結(jié)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征。三軸試驗中試樣的三維變形重構(gòu)和應(yīng)變的測量對于利用三軸試驗研究剪切帶和本構(gòu)模型等問題具有非常大的應(yīng)用價值，因此有許多學(xué)者對傳統(tǒng)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(shù)字圖像測量方法及設(shè)備”。采用透明鋼化玻璃方形密封容器和數(shù)字圖像采集設(shè)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?qū)崿F(xiàn)對試樣局部變形的測量，但是該設(shè)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(xiàn)試樣全表面三維變形的測量，更不能實現(xiàn)三軸試驗三維變形的重構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種在三軸試驗過程中實現(xiàn)試樣全表面變形測量和三維重構(gòu)的方法，解決現(xiàn)有三軸試驗數(shù)字圖像測量技術(shù)只能測量試樣單面的徑向和軸向變形的局限性，實現(xiàn)對三軸試驗中試樣變形的三維測量和重構(gòu)。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:首先，傳統(tǒng)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于三軸試驗機上；采用印有黑白相間方格的橡皮膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無標(biāo)識橡皮膜，如圖2所示。其次，三軸試驗機前后各放置一個三角架，數(shù)字相機分別安裝在三腳架上，放置于試樣的前后兩面。相機控制和圖像采集軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對兩個相機的同步采集，兩個相機能同時采集到同一時刻試樣前后兩個表面的變形圖片(圖1)。進一步，對采集到的試樣前后兩個面的圖像(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(biāo)的處理工作，同時采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盡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于垂直于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后原來位于同一個圓周的角點仍然位于垂直于試樣中心軸平面的同一個圓周上。利用提取的邊界和位于同一個圓周角點的像素坐標(biāo)確定邊界點的坐標(biāo)，邊界點是前后兩個圖像的公共可識別點，如圖2所示。建立兩個三維坐標(biāo)系統(tǒng)。以試樣初始時的中心軸為z軸，試樣的端部的中心為坐標(biāo)原點，以試樣與相機光軸垂直的方向為X軸，建立空間坐標(biāo)系OXYZ，如圖3所示。以所采集圖像像平面的中心0’點為像素坐標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)0’ X’ V Z’，如圖4所示。在做完這些前期的工作后，下一步要進行試樣變形的三維重構(gòu)。首先，在三維像素坐標(biāo)系統(tǒng)O’X’Y’Z’中重構(gòu)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(biāo)，根據(jù)邊界提取，獲得角點所在圓周的直徑2R’(圖6).根據(jù)提取的邊界和角點坐標(biāo)，確定邊界點的像素坐標(biāo)。根據(jù)點在圓周上滿足關(guān)系式:X’2+Y’2=R’2，得到所有角點和邊界點的Y’坐標(biāo)。根據(jù)這一假定，可得到試樣前后表面所有角點和邊界點的X’ V V坐標(biāo)，坐標(biāo)以像素表示。
[0005]在角點的提取過程中，采用了 Harris角點提取的方法，并預(yù)先設(shè)定好角點所可能處于的范圍。在邊界的提取中，采用了 Prewitt因子提取邊界的方法。這些方法能給出比較準(zhǔn)確的有關(guān)信息。
[0006]在提取了角點和邊界點的完整的坐標(biāo)后，下一步要對前后兩個相機捕捉的圖像進行拼接處理的工作。由于前后兩個相機得到的圖像其X’軸的坐標(biāo)是相反的，需要將一個相機中得到的X’方向的坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換，這一轉(zhuǎn)換是通過對其中一個相機采集到圖像的角點和邊界點的X’坐標(biāo)取負(fù)值實現(xiàn)的。然后根據(jù)前后兩個圖像其邊界點為共用特征點，對其中一個圖像中的所有坐標(biāo)進行平移坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這樣前后兩個相機采集的角點和邊界點的坐標(biāo)就一致了，從而實現(xiàn)了三軸試樣前后表面圖像的拼接。
[0007]進一步進行三軸壓縮試驗過程中試樣變形的三維重構(gòu)工作。根據(jù)上面所得到角點和邊界點的三維像素坐標(biāo)，采用ANSYS或者其他的軟件建立三軸試樣的三維變形網(wǎng)格，如圖6所示。進一步的，利用ANSYS軟件的后處理功能，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(jié)點的位移約束，就可以繪制出試樣表面的三維變形場和應(yīng)變場，從而實現(xiàn)了三軸壓縮試驗過程中試樣全表面三維應(yīng)變場的測量和繪制工作。上述工作是在像素坐標(biāo)為刻度的空間坐標(biāo)系0’ X’ V V中實現(xiàn)的。
[0008]在真實空間坐標(biāo)系0ΧΥΖ中三軸試驗變形三維重構(gòu)和變形測量是按照下面的方法實現(xiàn)的。試樣的初始狀態(tài)真實的直徑長度與試樣初始像平面內(nèi)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(jù)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(biāo)X’，Y’，和Ζ’。然后結(jié)合ANSYS軟件可以建立三軸試樣的三維變形網(wǎng)格并繪制三軸試樣變形的三維表面應(yīng)變場。
[0009]本發(fā)明的效果和益處是:一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法，能夠從前后兩個方向獲取三軸試驗過程中試驗全面的變形特征。能夠獲得三軸試驗中表面特征點的空間位置，實現(xiàn)對試樣三維變形的重構(gòu)，能夠獲得試樣的三維表面應(yīng)變場的分布。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明基于雙相機的測量三維變形的測量裝置示意圖。
[0011]圖中:1計算機控制采集系統(tǒng)；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(fā)明采用的分布有黑白方格的橡皮膜實物圖。
[0013]圖3是本發(fā)明中建立的三軸試樣真實的三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)0ΧΥΖ圖。[0014]圖4是本發(fā)明中建立的三軸試樣成像平面的三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)0’ X’ Y’ Z’圖。
[0015]圖5是本發(fā)明中采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(fā)明中利用ANSYS軟件得到的三維變形網(wǎng)格圖。
[0017]圖中:(a)初始狀態(tài)示意圖；(b)變形狀態(tài)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明實現(xiàn)三維測量的方案包括以下的設(shè)備:計算機控制采集系統(tǒng)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(chǎn)的TSZ10-1.0型應(yīng)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相機采用大恒圖像生產(chǎn)的DH-HV3151UC相機，像素分辨率為2048X 1536。鏡頭為Computers公司生產(chǎn)的最大焦距為16mm可調(diào)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于同一個高度，然后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(nèi)充滿水，密封好，這些操作與常用三軸試驗儀器的操作相似。然后，在三軸壓力室前后各放置一臺C⑶相機(4)，C⑶相機安裝在三角架5上。調(diào)整三腳架的高度，使得兩個相機處于同一個高度，并都能拍攝到試樣，兩臺相機能夠由計算機軟件控制實現(xiàn)同時拍攝。三軸壓力室內(nèi)施加既定的圍壓后，則可以開始三軸壓縮試驗，試驗過程中試樣受壓產(chǎn)生變形。三軸試驗開始，同時計算機圖像采集軟件控制兩臺CCD相機進行圖像采集。這樣就獲得了三軸試驗過程中試驗變形的前后面的圖像。
[0020]進一步，對采集到的試樣前后兩個面的圖像(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(biāo)的處理工作，同時采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，可以采用Harris角點提取的方法，并預(yù)先設(shè)定好角點所可能處于的范圍。在邊界的提取中，可以采用Prewitt因子提取邊界的方法。提取后的邊界如圖3所示。然后根據(jù)提取的邊界和角點的坐標(biāo)確定和角點位于同一圓周上的邊界點的坐標(biāo)，如圖2所示。在前后采集到的試樣的圖像上，每一行共提取10個特征點。
[0021]進一步，建立兩個三維坐標(biāo)系統(tǒng)。以試樣初始時的中心軸為Z軸，試樣的端部的中心為坐標(biāo)原點，以試樣與相機光軸垂直的方向為X軸，建立空間坐標(biāo)系0ΧΥΖ,如圖4所不。以所采集圖像像平面的中心0’點為像素坐標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)0’ X’ Y’ Z’，如圖5所示。在做完這些前期的工作后，下一步進行試樣變形的三維重構(gòu)。首先，在三維坐標(biāo)系統(tǒng)0’ X’ V V中重構(gòu)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于垂直于試樣中心軸平面的同一個圓周上，試樣變形后原來位于同一個圓周的角點仍然位于垂直于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個特征點的X’和V像素坐標(biāo)，獲得特征點所在圓周的直徑2R’，如圖3所示.根據(jù)點在圓周上滿足關(guān)系式:X’2+Y’2=R’2，得到特征點的Y’坐標(biāo)。根據(jù)這一假定，可得到試樣前后表面所有特征點的X’ V V坐標(biāo)，以像素表示。
[0022]在提取了特征點的完整的坐標(biāo)后，對前后兩個相機捕捉的圖像進行拼接處理的工作。由于前后兩個相機得到的圖像其X’軸的坐標(biāo)是相反的，需要將一個相機中得到的X’方向的坐標(biāo)進行轉(zhuǎn)換，通過對X’坐標(biāo)取負(fù)值實現(xiàn)坐標(biāo)的變換。然后根據(jù)前后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(biāo)進行平移坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這樣前后兩個相機采集的特征點的坐標(biāo)就一致了，從而實現(xiàn)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(gòu)。根據(jù)上面所得到的特征點，角點和邊界點，的三維像素坐標(biāo)，采用ANSYS或者其他的軟件建立三軸試樣的三維變形網(wǎng)格，如圖6所示。進一步的，利用ANSYS軟件的后處理功能，將三軸試樣的表面看作一個殼體，每個特征點的位移作為殼體單元節(jié)點(采用ANSYS軟件中的52號殼體單位)的位移約束，就可以繪制出試樣表面的三維變形場和應(yīng)變場，從而實現(xiàn)了三軸壓縮試驗過程中試樣全表面三維應(yīng)變場的測量和繪制工作。上述工作是在像素坐標(biāo)為刻度的空間坐標(biāo)系0’ X’ Y’ V中實現(xiàn)的。
[0024]在真實空間坐標(biāo)系0ΧΥΖ中三軸試驗變形三維重構(gòu)和變形測量是按照下面的方法實現(xiàn)的。試樣的初始狀態(tài)真實的直徑長度與試樣初始像平面內(nèi)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(jù)這一比例因子，計算出每一個特征點，邊界點和角點，的真實空間坐標(biāo)X’，Y’，和Ζ’。然后結(jié)合ANSYS軟件可以建立三軸試樣的三維變形網(wǎng)格并繪制三軸試樣變形的三維表面應(yīng)變場。
【權(quán)利要求】
1.一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法，其特征在于采用兩個CCD相機分別從方形壓力室的前后觀測記錄三軸試驗中試樣變形的試驗設(shè)置；假定試樣變形前位于垂直于試樣中心軸平面內(nèi)的同一圓周上的特征角點在變形后仍然位于垂直于試樣中心軸某一平面內(nèi)的同一圓周上；建立兩套坐標(biāo)系統(tǒng)，以試樣初始時的中心軸為Z軸，試樣的端部的中心為坐標(biāo)原點，以試樣與相機光軸垂直的方向為X軸，建立空間坐標(biāo)系OXYZ,以所米集圖像像平面的中心0’點為像素坐標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)0’ X’ v v ;利用邊界提取的方法確定試樣的圓周直徑；采用邊界和角點提取相結(jié)合的方法確定邊界點的坐標(biāo)；根據(jù)前后相機獲得的試樣前表面和后表面共用一個邊界點的方法進行試樣前后表面的三維拼接，基于三維坐標(biāo)系統(tǒng)0’ X’ V V ;利用不同時刻由圖像測量方法獲得的特征點的位移和ANSYS有限元軟件相結(jié)合進行三軸試驗三維變形的重構(gòu)和三維表面應(yīng)變場的繪制工作；利用線性比例的方法實現(xiàn)從三維坐標(biāo)系統(tǒng)0’ X’ V V到真實三維空間坐標(biāo)0ΧΥΖ的變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法，其特征還在于對前后相機獲得的試樣前表面和后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征點的坐標(biāo)進行X坐標(biāo)值取負(fù)值的處理，特征點包括角點和邊界點，；并進一步根據(jù)試樣前后表面的圖像公用邊界點的坐標(biāo)值應(yīng)該一致，對其中的一個表面取得的特征點的坐標(biāo)進行坐標(biāo)平移變化的處理，從而實現(xiàn)試樣前后表面圖像的三維拼接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法，其特征在于根據(jù)線性比例的方法實現(xiàn)從三維坐標(biāo)系統(tǒng)0’ X’ Y’ V到真實三維空間坐標(biāo)0ΧΥΖ的變換，根據(jù)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種三軸試驗三維變形重構(gòu)和測量的方法，其特征還在于根據(jù)不同時刻由圖像測量方法獲得的特征點的位移采用有限元中軟件ANSYS的殼體單元實現(xiàn)三軸試驗三維變形的重構(gòu)和三維表面應(yīng)變場的繪制工作。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】趙紅華, 郭靖, 常艷, 李鵬飛 申請人:大連理工大學(xué)