基于亚像素角点识别的试样全表面变形数字图像测量方法

西安建筑科技大学科研团队借助全表面变形数字图像测量系统，成功攻克传统土工三轴试验中的变形测量瓶颈，相关成果发表于中科院 1 区 TOP 期刊！

这一突破标志着图像测量技术在土木工程高端科研领域实现关键突破。点击下方链接查看文章相关资料跟着顶刊作图第81期 | Engineering Geology 

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专利技术“基于亚像素角点识别的试样表面变形数字图像测量装置及方法”（以下简称图测技术）对试样变形进行测量，并具备动态体积变化测量功能，

该技术实现过程如下：

1.图测误差修正及校准

图像综合误差的来源主要为相机畸变，介质、玻璃、压力大/小、温度高/低的影响；

采用摄影标定的方法，通过对已知图像分布的标准的标定模块进行拍摄来求取畸变参数；整体考虑引起测量误差的各种因素，如不同围压引起压力室

形变引起的畸变、光线由于穿过不同折射率介质引起的畸变、镜头工艺引起的畸变等。同时，考虑不同压力可能对压力室的形状、体积造成影响，将

针对压力室开展最大压力条件下压力室外观变形的应变校准，掌握荷载造成的最大应变及可能对玻璃视窗的影响。

左侧位置每幅图像的平均投影误差

初始状态时空间校正前后的结果

此外采用金属棒验证，即用弹性模量较高的某金属棒，测量其弹性模量，同时计算不同压力的弹性模量；

将金属棒放入压力室内，在压力场的作用下，进行图像测量采集数据，与理论数据进行对比验证。

2.试样的圆柱曲面展开与图像拼接

通过计算机视觉技术将圆柱曲面图像进行展开操作，在展开过程中进行适当的调整和变换，例如调整大小、旋转角度、平移等，以确保它们在大图

中的位置和方向是正确的。同时需要考虑到圆柱曲面的曲率和图像的分辨率等因素，以避免出现图像失真或变形等问题。

最后将调整和变换后的图像进行自动拼接，在拼接后的图像中，进行必要的图像处理和修饰，例如去除拼接线、调整亮度、对比度、色彩平衡等，

以优化图像质量和视觉效果。

第1步 识别试样表面特征点并记录其像素坐标

第2步角点变换至同一物距的平面坐标系

第3步 角点利用重叠列进行拼接

第4步 试样角点三维重构

3.亚像素角点识别与试样等值线绘制

像素角点识别和试样等值线绘制技术常用于计算机视觉和图像处理领域，可以用于高精度测量、图像识别、三维重建等方面。下面是对亚像素角

点识别和试样等值线绘制技术过程：

A. 亚像素角点识别技术过程：

图像预处理：首先对输入的图像进行预处理，采用滤波、增强等操以去除噪声、改善图像质量。

特征提取：通过Sobel与Canny复合算法从预处理后的图像中提取 角点、边缘等亚像素级别的特征

亚像素定位：在提取到亚像素级别的特征后，通过插值和拟合对这些特征进行亚像素法精确定位。

角点识别：根据亚像素定位的结果，识别出图像中的角点位置，并进行相应的处理和应用，实现图像配准、目标跟踪等功能。

亚像素角点识别

B.试样等值线绘制技术过程：

图像获取：首先获取需要绘制等值线的亚像素角点法处理的图像。

图像分割：将图像中的不同区域进行分割，将需要绘制等值线的区域分离出来。

特征提取：在分割后的区域中的边缘、纹理特征进行提取。

等值线拟合：根据提取的特征，采用最小二乘法、多项式拟合等复合算法进行等值线拟合。

等值线绘制：根据拟合结果将等值线绘制到图像中，并采用不同的颜色或线型来表示不同的等值线级别。

表面轴向位移等值线图 1

表面轴向应变等值线图 2

4.图测技术的实际应用效果

关于三轴试验中剪切带行程过程的全过程记录

剪切带行程过程记录

将应力水平场图还原成真实试样的尺寸，根据S= 1连成的区域，可估算出不 同时刻的剪切带带宽，剪破角，剪切带带长。

剪切带带宽，剪破角，剪切带带长计算结果