一种基于数值计算的包含非均匀变形散斑图制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程检测中的应变测量技术，特别是一种包含非均匀乃至局部化变形 的散斑图的高精度、高效率计算机编程制作方法。
【背景技术】
[0002] 数字图像相关方法是对变形前后采集的物体表面的两幅图像（散斑图）进行相关 处理，以实现物体应变场和位移场的测量。该方法光路简单，测量环境要求简单，可在野外 应用。散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然纹理。在大至宇宙空间中 的星系运动，小至纳米材料变形的测量中，都可见到该方法应用的影子。
[0003] 散斑图是一种媒介或载体，物体的变形或运动被包含在拍摄的一系列散斑图上。 数字图像相关方法通过相关运算来获取物体的变形和运动规律。数字图像相关方法的计 算精度检验离不开包含有变形或运动的散斑图。在发表的大量文献中，数字图像相关方法 的计算精度检验一般按照如下方式进行操作：首先，对散斑图预加一定量的变形量或运动 量；然后，再用数字图像相关方法进行计算，通过比较计算结果和预加的变形量或运动量相 差的程度，评价数字图像相关方法的精度。另外，在相关运算过程中，往往需要若干参数，例 如，子区的尺寸、间距等，这些参数对计算结果的影响研宄也需要包含有变形或运动的散斑 图。应当指出，对散斑图预加的基本运动包括平动和转动，对散斑图预加的基本变形包括 拉伸、压缩或剪切。这些预加量一般都是均匀的，这适于在均匀变形或刚体运动条件下数 字图像相关方法的计算精度检验或参数敏感性研宄。但是，在加载条件下，物体的变形并 不总是均匀的。以岩土材料单轴压缩为例，随着纵向应变的增加，其变形场从均匀分布向 非均匀分布转变，直至出现变形局部化现象，此后才出现宏观裂纹。剪切变形局部化区域 称为剪切带。剪切带内应变的分布十分不均匀。最近的研宄发现，在砂土材料的剪切带之 外，应变的分布也是不均匀的（王学滨，杜亚志，潘一山.单轴压缩湿砂样局部及整体体 积应变的数字图像相关方法观测.岩土工程学报，2014, 36(9) : 1648-1656 ;王学滨，杜亚 志，潘一山，等.基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测.岩土 力学，2015, 36 (3) : 625-632)。为了采用数字图像相关方法准确地测量非均匀乃至局部化变 形条件下的应变场和位移场，就必须了解数字图像相关方法在此条件下的计算精度，而这 一精度的获取离不开包含非均匀乃至局部化变形的散斑图。目前，包含非均匀乃至局部化 变形的散斑图的制作方法还少见报道。现有的一些制作方法主要依据一些简单的函数制作 非均匀变形条件下的散斑图，没有普遍性和广泛的适用性。有的文献采用剪切带变形场的 理论解答制作包含局部化变形的散斑图（王学滨，杜亚志，潘一山.考虑一阶和二阶位移 梯度的数字图像相关方法在剪切带测量中的比较.工程力学，2013, 30(7) : 282-287)，仅适 用于简单剪切条件，无法制作剪切带外包含非均匀变形的散斑图。实际上，现有的剪切带变 形场的理论解答非常有限，由于问题的复杂性，即使在压剪、直接剪切、双轴压缩等相对简 单的载荷条件下，剪切带内变形场的理论解答的获取也是极其困难的。
[0004] 本发明提供了一种包含非均匀乃至局部化变形的散斑图的高精度、高效率计算机 编程制作方法。本发明的实质在于：将非经典数值计算技术的结果作为数字图像相关方法 的结果，实现将未变形的散斑图映射到变形后的网格上。该方法由于引入了非经典数值计 算技术，不再需要任何有关剪切带变形场的理论解答，利用该方法可以制作各种简单载荷 及复合载荷条件下的包含非均匀乃至局部化变形的散斑图。
【发明内容】
[0005] 在非均匀乃至局部化变形条件下，为了制作用于数字图像相关方法计算精度检验 和计算参数灵敏度研宄的散斑图，本发明提供了一种基于数值计算技术的包含非均匀变形 散斑图制作方法，非经典数值计算技术的结果被作为数字图像相关方法的结果，通过建立 数值模型中单元或包围节点的一定区域与数字图像相关方法中子区的关联，获取包含非均 匀乃至局部化变形的散斑图。本发明利用计算机编程实现全部步骤，大大提高了包含非均 匀乃至局部化变形的散斑图制作的精度和效率，而且，不受载荷类型的限制，适用于简单载 荷类型（例如，拉伸、压缩和剪切等），也适用于复合载荷类型（例如，拉剪和压剪等）。
[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种基于数值计算技术的非均匀散斑图制作方 法，其特征在于，包括：
[0007] 利用非经典数值计算技术，获取各单元的应变和各节点的位移；
[0008] 建立数值模型中单元或包围节点的一定区域与数字图像相关方法中子区的关 联；
[0009] 将变形前子区内各像素的位置及灰度值映射到变形后的子区上。
[0010] 所述利用非经典数值计算技术获取各单元的应变和各节点的位移进一步为：
[0011] 在弹塑性应变软化本构模型的屈服函数中引入内部长度参数和应变梯度的二阶 项，创建二维数值计算模型，获取各单元的应变和各节点的位移。
[0012] 进一步地，其中，
[0013] 所述二维数值计算模型由若干正方形单元组成，单元之间通过节点相连，单元尺 寸等于子区尺寸。
[0014] 进一步地，其中，
[0015] 所述屈服函数f具有如下形式：
【主权项】
1. 一种基于数值计算技术的包含非均匀变形的散斑图制作方法，其特征在于，包括： 利用非经典数值计算技术，获取各单元的应变和各节点的位移；建立数值模型中单元或包 围节点的一定区域与数字图像相关方法中子区的关联；将变形前子区内各像素的位置及灰 度值映射到变形后的子区上。
2. 根据权利要求1所述的一种基于数值计算技术的包含非均匀变形散斑图制作方法， 其特征在于，所述利用非经典数值计算技术，获取各单元的应变和各节点的位移，进一步分 为：在弹塑性应变软化本构模型的屈服函数中引入内部长度参数和应变梯度的二阶项，创 建二维数值计算模型，获取各单元的应变和各节点的位移。
3. 根据权利要求2所述的二维数值计算模型由若干正方形单元组成，单元之间通过节 点相连，单元尺寸等于子区尺寸。
4. 根据权利要求2所述的内部长度参数确定了局部化带的尺寸和能量耗散，利用有限 元或有限差分获得的数值计算结果的网格敏感性将消失，唯一性和客观性能得到保障。
5. 根据权利要求1所述的一种基于数值计算技术的包含非均匀变形散斑图制作方法， 其特征在于，所述建立数值模型中单元或包围节点的一定区域与数字图像相关方法中子区 的关联，进一步分为：获取子区中心点的位移，或者由数值计算技术直接获得，或者由1个 单元的4个节点的位移结果取平均获得；获得子区的应变，或者由数值计算技术直接获得， 或者由若干单元的应变结果取平均获得，或者由数值技术直接获得的位移场通过中心差分 方法获得。
6. 根据权利要求1所述的一种基于数值计算技术的包含非均匀变形散斑图制作方法， 其特征在于，所述将变形前子区内各像素的位置及灰度值映射到变形后的子区上，进一步 分为：获取变形前子区内各像素的位置及灰度值，获取变形后子区内各像素的位置，将变形 前子区内各像素的灰度值变换到变形后的子区上。
7. 根据权利要求7所述的将变形前子区内各像素的灰度值变换到变形后的子区上的 具体实现方法可以归为两类：正向映射和反向映射。
8. 根据权利要求8所述的正向映射，是通过对变形前子区内各像素依次进行循环，获 取其在变形后子区内的位置，通过插值将变形前子区内各像素的灰度值变换到变形后的子 区上，如果计算出的位置恰好位于某一像素的中心点上，获得该像素的灰度值即可，在绝大 多数情况下，计算出的位置将落在亚像素位置上，此时，应对灰度场进行插值。
9. 根据权利要求8所述的反向映射，是通过对变形后子区内各像素依次进行循环，获 取其在变形前子区内的位置，通过插值将变形前子区内各像素的灰度值变换到变形后的子 区上，在进行反向映射之前，需要获得变形后子区4个角点的坐标。
【专利摘要】本发明提供了一种基于数值计算技术的包含非均匀变形的散斑图制作方法，包括：利用非经典数值计算技术，获取各单元的应变和各节点的位移；建立数值模型中单元或包围节点的一定区域与数字图像相关方法中子区的关联；将变形前子区内各像素的位置及灰度值映射到变形后的子区上。本发明的实质在于：将非经典数值计算技术的结果作为数字图像相关方法的结果，实现将未变形的散斑图映射到变形后的网格上。本发明利用计算机编程实现全部步骤，可高精度高效率地制作包含非均匀乃至局部化变形的散斑图，而且，不受载荷类型的限制。本发明制作的散斑图主要应用于科学研究领域，例如，用于检验非均匀乃至局部化变形条件下数字图像相关方法的计算精度等。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104809362
【申请号】CN201510267349
【发明人】王学滨, 马冰, 杜亚志, 冯威武
【申请人】辽宁工程技术大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月22日