[发明专利]基于数字图像相关技术的软材料应变场优化测量方法

权利要求书

1.基于数字图像相关技术的软材料应变场优化测量方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤1：首先根据被测软材料试样的具体理化性质，选择适配的散斑涂料，随后按照所用数字图像相关技术的设备要求进行散斑图案的布置；

步骤2：根据实验需要进行实验过程设计，同时进行预实验以确定实验量程，根据预实验所测得的被测软材料试样的变形程度选择分段区间，以发生10％应变或20％应变作为分段点；

步骤3：按照步骤2所确定的分段区间进行正式试验，在每一分段结束后对软材料试样表面补充喷涂散斑；补充涂料需要补充至数字图像相关技术设备的精度要求；在每一分段实验结束后，通过数字图像相关技术设备导出每一分段的初始数据文件和最后时刻数据文件，并按照时间顺序进行命名，保证所有数据文件按照时间先后顺序排列；

步骤4：将各分段区间的初始数据与最后时刻数据传入数据处理计算机中，利用数据链接算法、数据补偿算法和数据传递算法计算得到全场位移、应变数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关技术的软材料应变场优化测量方法，其特征在于：

步骤1中所述，根据被测软材料试样的具体理化性质，选择适配的散斑涂料，散斑涂料的选择方法为：对于自身强度高，而且不吸水的材料，选择喷涂油漆、碳粉或眼影粉；对于自身强度弱，而且有良好的亲水性，并且表面具有粘性的材料，使用眼影粉或碳粉固体颗粒。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关技术的软材料应变场优化测量方法，其特征在于：

步骤4中所述数据补偿算法，其具体内容为：

数据补偿算法是针对数字图像相关技术的数据丢失问题做出的改进算法；数字图像相关技术在观测过程中会因为被测试样局部变形过大而失去图像的数字特征，导致丢失一部分数据，也会有一部分数据因为局部散斑质量下降导致可信度降低，误差过大；除此之外，由于进行分段测量，每次分段都要重新手动划分计算区域，各段的计算区域会有差别，导致在数据链接过程中在边界处会丢失一部分图像数据及其对应的数据点；丢失的数据点一共有三部分：数字图像相关技术在计算的过程中由于被测试样表面变形过大导致局部图案失去特征而无法识别的数据点，因误差过大导致置可信度过低需要被清除并重新赋值的数据点，数据链接过程中没有被成功匹配的点；

针对数据丢失问题，借鉴有限元的思想，采用先剖分后插值方法对数据进行填补；即，通过预设插值函数

其中

代表需要插值的坐标点坐标；

自变量的函数，表示插值结果；

所使用的插值方法函数；

多项式积的未知系数向量；

对数字图像相关技术计算得到的不完整散点数据进行剖分，剖分后得到有限个单元，在每个单元内通过插值的方法计算插值数据场，即得到再将丢失的数据点坐标代入，找到丢失的数据点所在的剖分单元并予以赋值。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关技术的软材料应变场优化测量方法，其特征在于：

步骤4中所述数据链接算法，其具体内容为：

首先导出某段最后一张照片的全部数据，包括坐标(x,y)，位移(u,v)，该数据表示该段参考照片中坐标为(x,y)的数据点发生的位移(u,v)，则能够得到该数据点所移动到的新的坐标点位(x′,y′)＝(x+u,y+v)；

对下一段数据的参考照片中数据进行赋值：由于(x,y)是初始状态下数字图像相关技术高速摄像机的镜头像素网格坐标，因此(x,y)都是整数；然而(u,v)代表某一计算区域的位移，并非整数，因此新的坐标点位(x′,y′)是由两个小数组成的向量，找不到直接对应的某个镜头像素网格点与之对应，但是新的坐标点位(x′,y′)必然会落入一个由四个像素点([x′],[y′]),([x′]+1,[y′]),([x′],[y′]+1),([x′]+1,[y′]+1)所构成的四像素区域中，其中[]是向下取整运算符号，用新的坐标点位(x′,y′)的应变值与位移值对周围的四个点进行赋值，随后遍历所有初始状态的数据点对变形后的空白数据点进行赋值，多次被赋值点取平均值，即完成两段数据之间的数据链接。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字图像相关技术的软材料应变场优化测量方法，其特征在于：

步骤4中所述数据传递算法，其具体内容为：

数字图像相关技术每次导入一段图片计算得到的位移与应变都是该段照片中的某一张照片相对于本段第一张照片作为参考照片计算得到的位移与应变，考虑到数字图像相关技术计算得到的应变是工程应变，因此利用几何关系通过计算得到每段各张照片下的真实应变；根据工程应变的数学定义，数字图像相关技术计算出每一段数据相对于本段第一张参考照片的应变值：

式中：

是数字图像相关技术计算出的被测试样在1时刻，2时刻，3时刻的应变场；l₀、l₁、l₂、l₃是应变的数学定义式中的过渡变量；

通过累乘即得到某时刻k所对应的照片P_k中各点相对于初始状态的应变值：

式中：ε_k为时刻k所对应的照片P_k中各点相对于初始状态的真实应变；是分别数字图像相关技术计算出的被测试样在k-1时刻，k-2时刻，1时刻的应变；l_k，l_k-1，l_k-2，l_k-3是应变的数学定义式中的过渡变量；

各个分散数据集的位移数据、应变数据通过几何关系通过传递，进而得到被测试样在整个实验过程中全部时刻的应变值。