毫米级数字图像相关性散斑图质量评估指标的实用性

文摘   2024-12-19 17:44   安徽  
摘要:数字图像相关(DIC)技术在多学科应用中被非专家广泛使用,其准确变形追踪在很大程度上依赖于散斑图案的质量。已经开发了许多指标来评估散斑图案的质量,并指导DIC后处理的决策。本研究考虑了这些指标在选择二维DIC应变测量最佳散斑方法中的适用性,以标准巴西抗拉强度岩石力学实验室测试为案例研究。四种散斑图案方法——喷漆、喷枪、印章和激光雕刻——被优化以在这种特定的DIC设置中生成高质量的视觉图案。制备了20个试样,每种方法5个,并使用10种已发表的指标分析了它们的散斑图案。每个图案也被数值变形以量化相关的系统误差和随机误差。总体而言,由于未能考虑图案特征的混杂影响,10种指标中没有一种显示出与数值实验误差有显著一致性。因此,这些工具在评估具有相似特征的散斑图案的准确性和可重复性方面的实用性有限。建议非专家DIC用户在实际应用中评估可重复性并选择最佳图案方法时,采用图案变形的数值模拟作为最准确的资源。

1. 引言 (Introduction)

- 背景:文章讨论了数字图像相关性(DIC)技术在非专家手中的多学科应用,强调了斑点图案质量对准确变形跟踪的重要性。

- 研究目的:研究旨在评估各种斑点图案质量评估指标的实用性,以选择最佳的斑点制作方法,以用于二维DIC应变测量。研究以标准的巴西拉伸强度岩石力学实验室测试为案例研究。

2. 方法 (Methods)

- 斑点图案制作方法:研究优化了四种斑点图案制作方法(喷涂、喷枪、印章和激光雕刻),以产生适合特定DIC设置的良好视觉质量图案。

- 斑点图案分析:使用10种已发布的指标分析了每种方法制备的20个样本的斑点图案,并通过对斑点图案进行数值变形模拟来量化系统误差和随机误差。

3. DIC算法和斑点评估方法 (DIC Subset-Based Algorithms and Methods of Speckle Evaluation)

- DIC算法:简要描述了基于子集的DIC算法,这些算法通过将图像划分为小区域(子集)并跟踪它们在变形过程中的变化来测量位移和应变。

- 斑点评估方法:讨论了五种类型的斑点图案质量评估方法,包括斑点大小和形状、灰度强度值分布、斑点大小和灰度强度值分布的组合、灰度强度值的梯度和/或二阶导数,以及基于数值模拟的误差量化。

4. 实验方法 (Methodology)

- 实验设置:详细描述了实验方法,包括斑点图案的制备、图像采集、DIC软件的使用以及数值模拟的实施。

- 数据采集:使用5MP相机拍摄了每个样本的斑点图案,并使用Ncorr DIC软件进行分析。

5. 结果 (Results)

- 斑点大小:使用图像形态学和自相关函数对斑点大小进行了表征,并总结了结果。

- 灰度强度分布:展示了基于灰度强度分布的斑点图案质量评估指标的结果,包括子集熵、平均子集波动和熵。

- 斑点大小和灰度强度值的组合:基于斑点大小和灰度强度值的多因素融合指数(MFFI)的结果。

- 灰度强度值的导数:分析了斑点图案质量评估指标,这些指标量化了灰度强度值的一阶和二阶导数。

- 数值模拟结果:展示了所有斑点图案方法的数值模拟结果,并使用子集大小为30和60像素的情况。

6. 讨论 (Discussion)

- 斑点图案质量评估指标的实用性:讨论了斑点图案质量评估指标在实际应用中的局限性,特别是在比较视觉上相似的斑点图案时。

- 数值模拟的重要性:强调了数值模拟在评估斑点图案质量方面的重要性,并提出了实施这种方法的综合指导。

7. 结论 (Conclusions)

- 斑点图案质量的影响:文章得出结论,现有的斑点图案质量评估指标对于一般实践者来说价值有限,建议使用数值变形模拟来全面评估斑点图案质量,并优化斑点图案制备程序。

参考文献

Gagnon, É., & Day, J. J. (2025). The Practicality of Quality Assessment Metrics for Millimetre-Scale Digital Image Correlation Speckle Patterns. Strain, 61, e12491.

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