一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像分析方法，特別是一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析 優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于數(shù)字照相量測方法（DSCM)在變形演變的全程觀測方面具有突出的優(yōu)越性， 因此近年來，其在巖土工程模型試驗中得到了廣泛的運用。但隨著數(shù)碼相機圖像分辨率的 不斷提高，計算機存儲和運算量也相應(yīng)增大，導(dǎo)致DSCM的運算分析時間逐漸成為人們關(guān)注 的焦點之一。目前，常規(guī)方法都是在圖像相關(guān)分析中，以待測點為中心構(gòu)建一個正方形圖像 搜索區(qū)域并在全域內(nèi)通過減少DSCM相關(guān)分析的像素點數(shù)量來達到減少計算時間和提高分 析效率的目的，而這些方法的共有特征都是變?nèi)种瘘c搜索為離散點搜索，與采用優(yōu)化層 次更高的局部定向（逐點或離散點）搜索方法還存在較大差距，且多數(shù)方法的適用前提條 件尚未完全交代清楚，對于具體材料的應(yīng)用效果也缺少細致研宄。因此，當(dāng)前相關(guān)技術(shù)中采 用的數(shù)字圖像優(yōu)化分析方法未能有效解決巖土工程試驗中數(shù)字圖像相關(guān)分析效率的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是要提供一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法，解決常規(guī) 數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)在巖土工程試驗變形量測中分析效率低下的問題。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：該優(yōu)化方法是針對模型試驗拍攝得到的一系列數(shù)字 圖像，前一幅實驗圖像上有任一點A，在外荷載作用下，隨著模型的變形，移動到當(dāng)前實驗圖 像上的B點位置，產(chǎn)生的位移為ds，接下來根據(jù)ds的大小和方向，在下一幅圖像上確定局部 搜索范圍并采用數(shù)字圖像灰度相關(guān)性判別方法來快速搜索得到B點在下一幅實驗圖像上 的準(zhǔn)確位置C點，進而獲得前一幅圖像上A點乃至所有像素點在一系列圖像中的移動變形 情況；具體步驟是：
[0005] (1)根據(jù)A點與B點連線來計算出AB連線與水平X軸之間的角度Θ，角度Θ取 值范圍為0° < Θ <90°，作為B點在下一幅圖像中移動搜索的主方向角；根據(jù)A點與B 點的距離計算出位移ds，作為B點在下一幅圖像中移動搜索范圍特征值S值；
[0006] (2)根據(jù)步驟（1)所示的方法選定多個像素點進行圖像試算分析或人為估算，根 據(jù)所得到的多個像素點的位移ds，選擇其中最大的一個ds值設(shè)定為S值，也即使得S大于 圖像序列中任意兩幅相鄰圖像上測點位移的最大值，作為B點在下一幅圖像的移動搜索距 離范圍特征值；
[0007] (3)延長AB到D，BD = kS，式中k>l，為人工設(shè)定，以B點為端點，以BD為中心線、 以指定角度α做出長度等于S的線段BE和BJ，線段BE和BJ對稱分布在BD的兩側(cè)；
[0008] (4)根據(jù)前三步作出的四邊形區(qū)域BEDJ;或者，定向搜索范圍的區(qū)域形狀設(shè)置為 扇形區(qū)域，確定B點在下一幅圖像上的局部定向搜索范圍；
[0009] (5)對局部定向搜索范圍內(nèi)的任意一點根據(jù)公式⑴進行數(shù)字圖像灰度相關(guān)性計 算，并取其中相關(guān)性系數(shù)最大的一個點作為B點在下一幅圖像上移動的準(zhǔn)確位置C點，進而 可根據(jù)公式（2)，獲得B點在一系列圖像中的移動變形情況，最后，在局部定向搜索范圍內(nèi) 采用數(shù)字圖像灰度相關(guān)性判別方法來準(zhǔn)確獲得B點在下一幅圖像上移動的準(zhǔn)確位置C。 [0010] 所述的步驟（2)中，通過人為估算或圖像試算分析設(shè)定一個S值的方法為：1)人 為估算方法是對系列中所有圖像上各點的移動情況進行觀察，找出其中位置相對變化較大 的幾個點進行像素坐標(biāo)人為判斷，然后根據(jù)公式（2)分別計算它們的S值，并以其中最大的 S值作為估算保守值；2)圖像試算分析方法是在圖像上不同位置設(shè)定多個離散像素點，特 別是點移動變化特別明顯的位置；然后根據(jù)灰度相關(guān)性計算公式（1)對這些散點進行一系 列圖像的匹配試算，準(zhǔn)確得到這些點的移動變形情況；最后，以試算得出的這些點的最大S 值作為圖像試算分析保守值。
[0011] 所述的步驟（5)中，數(shù)字圖像灰度相關(guān)性計算公式為：
【主權(quán)項】
1. 一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法，其特征是，該優(yōu)化方法是針對模型 試驗拍攝得到的一系列數(shù)字圖像，前一幅實驗圖像上有任一點A，在外荷載作用下，隨著模 型的變形，移動到當(dāng)前實驗圖像上的B點位置，產(chǎn)生的位移為ds，接下來根據(jù)ds的大小和方 向，在下一幅圖像上確定局部搜索范圍并采用數(shù)字圖像灰度相關(guān)性判別方法來快速搜索得 到B點在下一幅實驗圖像上的準(zhǔn)確位置C點，進而獲得前一幅圖像上A點乃至所有像素點 在一系列圖像中的移動變形情況；具體步驟如下： (1) 根據(jù)A點與B點連線來計算出AB連線與水平X軸之間的角度Θ，角度Θ取值范 圍為0° < Θ <90°，作為B點在下一幅圖像中移動搜索的主方向角；根據(jù)A點與B點的 距離計算出位移ds，作為B點在下一幅圖像中移動搜索范圍特征值S值； (2) 根據(jù)步驟（1)所示的方法選定多個像素點進行圖像試算分析或人為估算，根據(jù)所 得到的多個像素點的位移ds，選擇其中最大的一個ds值設(shè)定為S值，也即使得S大于圖像 序列中任意兩幅相鄰圖像上測點位移的最大值，作為B點在下一幅圖像的移動搜索距離范 圍特征值； (3) 延長AB到D，BD = kS，式中k>l，為人工設(shè)定，以B點為端點，以BD為中心線、以指 定角度α做出長度等于S的線段BE和BJ，線段BE和BJ對稱分布在BD的兩側(cè)； (4) 根據(jù)前三步作出的四邊形區(qū)域BEDJ;或者，定向搜索范圍的區(qū)域形狀設(shè)置為扇形 區(qū)域，確定B點在下一幅圖像上的局部定向搜索范圍； (5) 對局部定向搜索范圍內(nèi)的任意一點根據(jù)公式（1)進行數(shù)字圖像灰度相關(guān)性計算， 并取其中相關(guān)性系數(shù)最大的一個點作為B點在下一幅圖像上移動的準(zhǔn)確位置C點，進而可 根據(jù)公式（2)，獲得B點在一系列圖像中的移動變形情況，最后，在局部定向搜索范圍內(nèi)采 用數(shù)字圖像灰度相關(guān)性判別方法來準(zhǔn)確獲得B點在下一幅圖像上移動的準(zhǔn)確位置C。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法，其特征是： 所述的步驟（2)中，通過人為估算或圖像試算分析設(shè)定一個S值的方法為：1)人為估算方 法是對系列中所有圖像上各點的移動情況進行觀察，找出其中位置相對變化較大的幾個點 進行像素坐標(biāo)人為判斷，然后根據(jù)公式（2)分別計算它們的S值，并以其中最大的S值作為 估算保守值；2)圖像試算分析方法是在圖像上不同位置設(shè)定多個離散像素點，特別是點移 動變化明顯的位置；然后根據(jù)灰度相關(guān)性計算公式（1)對這些散點進行一系列圖像的匹配 試算，準(zhǔn)確得到這些點的移動變形情況；最后，以試算得出的這些點的最大S值作為圖像試 算分析保守值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法，其特征是： 所述的步驟（5)中，數(shù)字圖像灰度相關(guān)性計算公式為：
式中：R12-相鄰兩幅圖像中兩個大小相同的正方形像素塊的一個顏色分量的灰度相關(guān) 系數(shù)，對RGB三個顏色分量分別計算得到相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)值，然后取平均值作為兩個正方 形像素塊的相關(guān)系數(shù)值； V(X，y)-當(dāng)前圖像上B點坐標(biāo)為（X，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值，取值O~ 255 ； u (x，y) -下一幅圖像局部搜索范圍內(nèi)任意點（x，y)處的像素顏色分量RGB的灰度值， 取值O~255 ; k一像素塊的邊長除以2后取整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法，其特征是： 所述的步驟（5)中，圖像移動變形情況的計算公式為：
式中：Δ X-B點在下一幅圖像中橫向方向上的位移； xB- B點橫坐標(biāo)； xc-C點橫坐標(biāo)； Ay-B點在下一幅圖像中豎向方向上的位移； Yb一B點豎坐標(biāo)； Yc一 C點豎坐標(biāo)； S-B點在下一幅圖像中移動的總位移。
【專利摘要】一種巖土材料變形數(shù)字圖像相關(guān)分析優(yōu)化方法，屬于數(shù)字圖像相關(guān)分析方法。模型試驗拍攝得到的一系列數(shù)字圖像，如前一幅實驗圖像上有任一點A，在外荷載作用下，隨著模型的變形，移動到當(dāng)前實驗圖像上的B點位置，產(chǎn)生的位移為ds，接下來根據(jù)ds的大小和方向，在下一幅圖像上確定局部搜索范圍并快速搜索得到B點在下一幅實驗圖像上的準(zhǔn)確位置C點，進而獲得前一幅圖像上A點乃至所有像素點在一系列圖像中的移動變形情況，最后，在局部定向搜索范圍內(nèi)采用數(shù)字圖像灰度相關(guān)性判別方法來準(zhǔn)確獲得B點在下一幅圖像上移動的準(zhǔn)確位置C。優(yōu)點是能使數(shù)字照相量測技術(shù)分析巖土材料變形的速度提高1.6倍以上，觀測區(qū)域變形具有明顯漸進性特征的巖土模型試驗。
【IPC分類】G01N21-84, G06T7-00
【公開號】CN104766335
【申請?zhí)枴緾N201510192154
【發(fā)明人】李元海, 林志斌, 吳玲, 孔駿, 喻軍
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月21日