一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数字图像分析方法，特别是一种岩土材料变形数字图像相关分析 优化方法。
【背景技术】
[0002] 由于数字照相量测方法（DSCM)在变形演变的全程观测方面具有突出的优越性， 因此近年来，其在岩土工程模型试验中得到了广泛的运用。但随着数码相机图像分辨率的 不断提高，计算机存储和运算量也相应增大，导致DSCM的运算分析时间逐渐成为人们关注 的焦点之一。目前，常规方法都是在图像相关分析中，以待测点为中心构建一个正方形图像 搜索区域并在全域内通过减少DSCM相关分析的像素点数量来达到减少计算时间和提高分 析效率的目的，而这些方法的共有特征都是变全局逐点搜索为离散点搜索，与采用优化层 次更高的局部定向（逐点或离散点）搜索方法还存在较大差距，且多数方法的适用前提条 件尚未完全交代清楚，对于具体材料的应用效果也缺少细致研宄。因此，当前相关技术中采 用的数字图像优化分析方法未能有效解决岩土工程试验中数字图像相关分析效率的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要提供一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，解决常规 数字散斑相关技术在岩土工程试验变形量测中分析效率低下的问题。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：该优化方法是针对模型试验拍摄得到的一系列数字 图像，前一幅实验图像上有任一点A，在外荷载作用下，随着模型的变形，移动到当前实验图 像上的B点位置，产生的位移为ds，接下来根据ds的大小和方向，在下一幅图像上确定局部 搜索范围并采用数字图像灰度相关性判别方法来快速搜索得到B点在下一幅实验图像上 的准确位置C点，进而获得前一幅图像上A点乃至所有像素点在一系列图像中的移动变形 情况；具体步骤是：
[0005] (1)根据A点与B点连线来计算出AB连线与水平X轴之间的角度Θ，角度Θ取 值范围为0° < Θ <90°，作为B点在下一幅图像中移动搜索的主方向角；根据A点与B 点的距离计算出位移ds，作为B点在下一幅图像中移动搜索范围特征值S值；
[0006] (2)根据步骤（1)所示的方法选定多个像素点进行图像试算分析或人为估算，根 据所得到的多个像素点的位移ds，选择其中最大的一个ds值设定为S值，也即使得S大于 图像序列中任意两幅相邻图像上测点位移的最大值，作为B点在下一幅图像的移动搜索距 离范围特征值；
[0007] (3)延长AB到D，BD = kS，式中k>l，为人工设定，以B点为端点，以BD为中心线、 以指定角度α做出长度等于S的线段BE和BJ，线段BE和BJ对称分布在BD的两侧；
[0008] (4)根据前三步作出的四边形区域BEDJ;或者，定向搜索范围的区域形状设置为 扇形区域，确定B点在下一幅图像上的局部定向搜索范围；
[0009] (5)对局部定向搜索范围内的任意一点根据公式⑴进行数字图像灰度相关性计 算，并取其中相关性系数最大的一个点作为B点在下一幅图像上移动的准确位置C点，进而 可根据公式（2)，获得B点在一系列图像中的移动变形情况，最后，在局部定向搜索范围内 采用数字图像灰度相关性判别方法来准确获得B点在下一幅图像上移动的准确位置C。 [0010] 所述的步骤（2)中，通过人为估算或图像试算分析设定一个S值的方法为：1)人 为估算方法是对系列中所有图像上各点的移动情况进行观察，找出其中位置相对变化较大 的几个点进行像素坐标人为判断，然后根据公式（2)分别计算它们的S值，并以其中最大的 S值作为估算保守值；2)图像试算分析方法是在图像上不同位置设定多个离散像素点，特 别是点移动变化特别明显的位置；然后根据灰度相关性计算公式（1)对这些散点进行一系 列图像的匹配试算，准确得到这些点的移动变形情况；最后，以试算得出的这些点的最大S 值作为图像试算分析保守值。
[0011] 所述的步骤（5)中，数字图像灰度相关性计算公式为：
【主权项】
1. 一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，其特征是，该优化方法是针对模型 试验拍摄得到的一系列数字图像，前一幅实验图像上有任一点A，在外荷载作用下，随着模 型的变形，移动到当前实验图像上的B点位置，产生的位移为ds，接下来根据ds的大小和方 向，在下一幅图像上确定局部搜索范围并采用数字图像灰度相关性判别方法来快速搜索得 到B点在下一幅实验图像上的准确位置C点，进而获得前一幅图像上A点乃至所有像素点 在一系列图像中的移动变形情况；具体步骤如下： (1) 根据A点与B点连线来计算出AB连线与水平X轴之间的角度Θ，角度Θ取值范 围为0° < Θ <90°，作为B点在下一幅图像中移动搜索的主方向角；根据A点与B点的 距离计算出位移ds，作为B点在下一幅图像中移动搜索范围特征值S值； (2) 根据步骤（1)所示的方法选定多个像素点进行图像试算分析或人为估算，根据所 得到的多个像素点的位移ds，选择其中最大的一个ds值设定为S值，也即使得S大于图像 序列中任意两幅相邻图像上测点位移的最大值，作为B点在下一幅图像的移动搜索距离范 围特征值； (3) 延长AB到D，BD = kS，式中k>l，为人工设定，以B点为端点，以BD为中心线、以指 定角度α做出长度等于S的线段BE和BJ，线段BE和BJ对称分布在BD的两侧； (4) 根据前三步作出的四边形区域BEDJ;或者，定向搜索范围的区域形状设置为扇形 区域，确定B点在下一幅图像上的局部定向搜索范围； (5) 对局部定向搜索范围内的任意一点根据公式（1)进行数字图像灰度相关性计算， 并取其中相关性系数最大的一个点作为B点在下一幅图像上移动的准确位置C点，进而可 根据公式（2)，获得B点在一系列图像中的移动变形情况，最后，在局部定向搜索范围内采 用数字图像灰度相关性判别方法来准确获得B点在下一幅图像上移动的准确位置C。
2. 根据权利要求1所述的一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，其特征是： 所述的步骤（2)中，通过人为估算或图像试算分析设定一个S值的方法为：1)人为估算方 法是对系列中所有图像上各点的移动情况进行观察，找出其中位置相对变化较大的几个点 进行像素坐标人为判断，然后根据公式（2)分别计算它们的S值，并以其中最大的S值作为 估算保守值；2)图像试算分析方法是在图像上不同位置设定多个离散像素点，特别是点移 动变化明显的位置；然后根据灰度相关性计算公式（1)对这些散点进行一系列图像的匹配 试算，准确得到这些点的移动变形情况；最后，以试算得出的这些点的最大S值作为图像试 算分析保守值。
3. 根据权利要求1所述的一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，其特征是： 所述的步骤（5)中，数字图像灰度相关性计算公式为：
式中：R12-相邻两幅图像中两个大小相同的正方形像素块的一个颜色分量的灰度相关 系数，对RGB三个颜色分量分别计算得到相应的相关系数值，然后取平均值作为两个正方 形像素块的相关系数值； V(X，y)-当前图像上B点坐标为（X，y)处的像素颜色分量RGB的灰度值，取值O~ 255 ； u (x，y) -下一幅图像局部搜索范围内任意点（x，y)处的像素颜色分量RGB的灰度值， 取值O~255 ; k一像素块的边长除以2后取整数。
4.根据权利要求1所述的一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，其特征是： 所述的步骤（5)中，图像移动变形情况的计算公式为：
式中：Δ X-B点在下一幅图像中横向方向上的位移； xB- B点横坐标； xc-C点横坐标； Ay-B点在下一幅图像中竖向方向上的位移； Yb一B点竖坐标； Yc一 C点竖坐标； S-B点在下一幅图像中移动的总位移。
【专利摘要】一种岩土材料变形数字图像相关分析优化方法，属于数字图像相关分析方法。模型试验拍摄得到的一系列数字图像，如前一幅实验图像上有任一点A，在外荷载作用下，随着模型的变形，移动到当前实验图像上的B点位置，产生的位移为ds，接下来根据ds的大小和方向，在下一幅图像上确定局部搜索范围并快速搜索得到B点在下一幅实验图像上的准确位置C点，进而获得前一幅图像上A点乃至所有像素点在一系列图像中的移动变形情况，最后，在局部定向搜索范围内采用数字图像灰度相关性判别方法来准确获得B点在下一幅图像上移动的准确位置C。优点是能使数字照相量测技术分析岩土材料变形的速度提高1.6倍以上，观测区域变形具有明显渐进性特征的岩土模型试验。
【IPC分类】G01N21-84, G06T7-00
【公开号】CN104766335
【申请号】CN201510192154
【发明人】李元海, 林志斌, 吴玲, 孔骏, 喻军
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月21日