CN103438818B - 一种土体试样微形变的成像检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土工试验领域的试样微形变量测，尤其涉及土工离心机的土体试样微形变量测。公开了一种土体试样微形变的成像检测装置，包括土工离心机，土工离心机的模型箱外侧固定有照相机系统，模型箱内放置有土体试样，模型箱的透明窗口有机玻璃内侧面设置有固定参考坐标格网。本发明还公开了一种利用土体试样微形变的成像检测装置对土体试样进行成像检测的方法。

Description

一种土体试样微形变的成像检测装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验领域的试样微形变量测，尤其涉及土工离心机的土体试样微形变量测。

背景技术

土工离心机是以室内试验模拟土工作业现场土体受力导致变形的大型室内试验设备。模型箱里的土体所受的作用力来自离心机旋转时产生的离心力。离心机转速与离心力成正比，离心机通过控制系统调整转速达到模型土体试验需要的压力。

大型土工离心机由旋转臂、与旋转臂相连的立柱、旋转臂一端的模型箱和另一端的配重箱以及驱动和控制系统构成。运行时，由配套的成像系统对高速旋转的模型箱里面的土工模型进行拍照，以得到在离心受力状态下的土工模型动态变化工程。

现有的土工离心机成像检测系统多采用在离心机室上方打开一个窗口，窗口处固定照明光源和一台照照相机。当离心机工作的时候，离心机室成为一个全封闭的空间。当离心机的转速达到试验要求时，模型箱转到照照相机照相的区域内，触发照照相机快门，拍摄一张图像。每旋转一周，可以拍摄图像数≤1。通过对拍摄图像的观察分析，得到土体试样受力形变的信息。但是这种方法存在缺陷：在离心机试验中，照相系统固定在离心机室的混凝土顶板上，离心机旋臂端的模型箱2处于圆周运动状态，固定在混凝土顶板上的成像系统与旋臂上的模型箱是在相对运动模式下工作的，得到的图像发生图像运动模糊。图像的模糊直接导致土样形变量不能准确量测。离心机转速越高，图像越模糊，测得的土样形变量精度越低。

为了解决上述问题，申请号为201010262816.3，名称为一种大型土工离心机的成像装置对现有的成像系统做出了改进，改进后的装置能正对模型的任意一点进行拍摄，图像的清晰度相对现有的成像系统更高。但该专利所述的成像装置的土样微形变测量效果较差。由于土工离心机1的模型形变量是现场实际形变量的1/60，也就是说要讲模型形变量乘以60才能得到现场形变量，该专利所述装置的成像系统不能胜任微形变分析的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土体试样微形变的成像检测装置及方法。该装置能对模型任意一点进行拍摄，精确获取微型变量，且成本低，易于实施。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土体试样微形变的成像检测装置，包括土工离心机1，土工离心机1的模型箱2外侧固定有照相机系统3，模型箱2内放置有土体试样，其特征在于，所述模型箱2的透明窗口有机玻璃内侧面4设置有固定参考坐标格网，模型箱2内放置的土体试样表面放置有移动标志，所述移动标志和固定参考坐标格网直接接触并随着土体试样移动，移动标志的移动轨迹代表该点位土体试样质点的运动轨迹。

进一步地，所述固定参考坐标格网用机械刻画的方式或者激光束烧刻的方式直接刻蚀在模型箱2的透明窗口有机玻璃内侧面4。

进一步地，所述固定参考坐标格网的密度应保证照相机拍摄的每幅图像中参考坐标格网的交叉点≥4。

进一步地，所述移动标志为图钉状，钉头扎入土样中，移动标志为透明材料。

进一步地，所述照相机系统3的照相机镜头选用微距镜头或者物方远心镜头。

进一步地，所述固定参考坐标格网由相互垂直的直线组成。

进一步地，所述移动标志的图钉状头上表面为移动标志面，所述移动标志面上设置有标志刻线，所述标志刻线为十字线，以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位。

进一步地，所述移动标志面的上表面涂抹透明的润滑剂。

本发明还公开一种利用上述技术方案进行土体试样微形变的成像检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建土样微位移信息的参考坐标系，所述参考坐标系以模型箱2的透明窗口有机玻璃内侧面4设置的固定参考坐标格网为基准；

S2、对固定参考坐标格网在微观下量测获取初始状态图像并记录图像各点坐标值，所述格网长度单位为微米，并对图像的行列号进行标记；

S3、将多个不同的移动标志放置于土体试样上，同时对每个移动标志进行坐标标示和区别标示，其中，所述移动标志涂抹透明的润滑剂的上表面与模型箱2有机玻璃内侧面4接触，移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志在旋转试验中随土体试样移动，移动标志上表面刻画有十字线，所述十字线以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位，移动标志嵌入到土体试样中，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面；

S4、启动土工离心机1使模型箱2旋转，用照相系统获取模型箱2内土体试样在指定受力状态下的指定时间点、指定位置点的图像；

S5、对S4所获取的图像进行照相机畸变校正和图像随机畸变校正，精确测量图像上移动标志在参考坐标系里的微位移，包括如下步骤：

S51、对S4所获取的图像根据照相机在试验前预先进行的畸变检测，得到的照相机各标定参数进行位置和像元值的重采样；

S52、对S2中获取的初始状态图像里格网的纵横交叉线的边缘交叉点的实测数据与图像行列号形成的同名点进行匹配计算，求出图像畸变系数；

S53、输入图像中的参考坐标点的坐标值，根据S52求出的图像畸变系数进行图像几何校正，得到校正后的图像；

S54、对同一区域不同受力下的多幅校正后的图像的移动标志位置变化进行计算，得到移动标志的微位移；

S6、根据S5测量所得微位移，解算出局部图像二维坐标系里土体试样的形变量，对土体试样的形变量进行坐标映射，得到整个模型箱2全域坐标系下的土体试样移动标志的形变矢量，即得到土体试样的二维平移和旋转参数，并可以建立受力大小和受力时长的相关分析数据。

进一步地，根据试样对土样微形变尺度检测的要求，照相机像元尺寸a，照相机镜头焦距f，照相机成像距离d和土样微形变检测的最小尺度L满足L/d=a/f。

本发明的有益效果是：根据使用成像系统部件的参数不同，可以获得的土样质点二维平移与旋转参数精确到1个CCD象元～1/5个象元尺寸级别，为土体试样微形变、土体试样受力大小变化和土体试样受力时长变化之间的函数分析提供更准确的原始数据。

附图说明

图1为离心机室剖面图。

图2为本发明模型箱2结构示意图。

图3为本发明固定参考坐标格网。

图4为本发明固定参考坐标格网纵横交叉线边缘相交点的微观图像。

图5为本发明移动标志。

图6为本发明移动标志“十”字交叉线边缘交点的微观图像。

图7为本发明移动标志在固定参考坐标格网里初始受力状态下的图像。

图8为本发明移动标志在固定参考坐标格网里受力移动后的图像。

图中：1、土工离心机，2、模型箱，3、照相机系统，4有机玻璃内侧面。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

模型箱2有机玻璃内侧面44的固定参考坐标格网密度按照135全画幅相机设计。固定参考坐标格网水平方向对应图像CCD面阵长边，即长度为26mm的边，水平方向格网间距为12mm，记作行，用x表示；固定参考坐标格网垂直方向对应图像CCD面阵短边，即长度为24mm的边，垂直方向格网间距为8mm，记作列，用y表示。固定参考坐标格网纵横交叉线边缘交点的标注方法采用隔行和隔列按照序列号进行标注，如图3所示，13表示第1行、第3列，即坐标为1,3。选择与坐标号处于同一象限的边缘交叉点作为量测点，用影像量测仪进行测量，得出固定参考坐标格网纵横交叉线边缘交点的x，y坐标。移动标志的标识号使用自然数，选择与标识号处于同一象限的边缘的交点作为后期处理时的量测点。

向模型箱2内装填土体试样，在设计指定的位置布设图钉状移动标志。图钉状移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面。图钉状移动标志上表面涂抹透明的润滑剂并与模型箱2有机玻璃内侧面44接触。接触位置涂抹润滑剂以减少摩擦力。土体试样装填完毕后模型箱2透明窗口的局部图像如图7所示，即，本发明移动标志在参考坐标格网里初始受力状态下的图像。

根据公式L/d=a/f，其中，L为土体试样微形变检测的最小尺度，a为数字相机像元尺度，f为镜头焦距，d为成像距离。我们知道，数字相机一旦选定相机型号，数字相机的像元a就为固定值。公式中d为成像距离，即物距，由于成像系统机架空间在设计的时候考虑了各种焦距的镜头和物距的极限，因此，不必考虑镜头长度和成像距离的空间限制，即，将L和a看做已知。按照目前商品镜头的参数，选择放大倍数1-5的微距镜头，可以获得土体试样微米级的图像。

对土体试样微形变的成像检测装置进行如下方法操作：

S1、构建土样微位移信息的参考坐标系，用模型箱2内侧有机玻璃上的固定参考格网作为基准；

S2、对模型箱2内侧有机玻璃上的固定参考格网在微观下量测获取初始状态图像并记录图像各点坐标值，所述固定参考格网长度单位为微米，并对图像CCD面阵的行列号进行标记；

S3、将图钉状移动标志放置于土体试样上，同时对每个图钉状移动标志进行坐标标示和唯一性标示，同一次试验中多个图钉状移动标志具有唯一性；

S4、模型箱2进入旋转试验后，用土体试样微形变的成像检测装置获取初始受力状态下、指定受力状态下和指定时间点的特定位置点模型箱2内土样的图像，即，土体试样在土工离心机1旋转后达到初始受力状态，逐个选择移动标志所在位置进行成像，土工离心机1增加转速，土体试样达到试验设计要求的受力状态后，再次逐个选择移动标志所在位置进行成像，多次重复上述成像过程，得到每个移动标志在不同受力条件下的图像；

S5、对S4所获取的图像进行照相机畸变校正和图像随机畸变校正，精确测量图像上移动标志在参考坐标系里的微位移，包括如下步骤：

S51、对S4所获取的图像根据照相机在试验前预先进行的畸变检测，得到的照相机各标定参数进行位置和像元值的重采样，其中，照相机的畸变检测完成后，照相机机身和镜头不能再进行分离，以免畸变参数发生变化；

S52、对S2中获取的初始状态图像里固定参考格网的纵横交叉线的边缘交叉点的实测数据与图像行列号形成的同名点进行匹配计算，求出图像畸变系数；

S53、输入图像中的参考坐标点的坐标值，根据S52求出的图像畸变系数进行图像几何校正，得到校正后的图像；

S54、对同一区域不同受力下的多幅校正后的图像的移动标志位置变化进行计算，得到移动标志的微位移；

S6、根据S5测量所得微位移，解算出局部图像二维坐标系里土体试样的形变量，对土体试样的形变量进行坐标映射，得到整个模型箱2全域坐标系下的土体试样移动标志的形变矢量，即得到土体试样的二维平移和旋转参数，并可以建立受力大小和受力时长的相关分析数据。

Claims (10)

1.一种土体试样微形变的成像检测装置，包括土工离心机(1)，土工离心机(1)的模型箱(2)外侧固定有照相机系统(3)，模型箱(2)内放置有土体试样，其特征在于，所述模型箱(2)的透明窗口有机玻璃内侧面(4)设置有固定参考坐标格网，模型箱(2)内放置的土体试样表面放置有移动标志，所述移动标志和固定参考坐标格网直接接触并随着土体试样移动，移动标志的移动轨迹代表所述移动标志所在点位的土体试样质点的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述固定参考坐标格网用机械刻画的方式或者激光束烧刻的方式直接刻蚀在模型箱(2)的透明窗口有机玻璃内侧面(4)。

3.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述固定参考坐标格网的密度应保证照相机拍摄的每幅图像中参考坐标格网的交叉点≥4。

4.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述移动标志为图钉状，钉头扎入土样中，移动标志为透明材料。

5.根据权利要求1所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述照相机系统(3)的照相机镜头选用微距镜头或者物方远心镜头。

6.根据权利要求1或2所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述固定参考坐标格网由相互垂直的直线组成。

7.根据权利要求4所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述移动标志的图钉状头上表面为移动标志面，所述移动标志面上设置有标志刻线，所述标志刻线为十字线，以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位。

8.根据权利要求4或5所述的一种土体试样微形变的成像检测装置，其特征在于：所述移动标志面的上表面涂抹透明的润滑剂。

9.一种利用权利要求1所述土体试样微形变的成像检测装置进行成像检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、构建土体试样微位移信息的参考坐标系，所述参考坐标系以模型箱(2)的透明窗口有机玻璃内侧面(4)设置的固定参考坐标格网为基准；

S2、对固定参考坐标格网在微观下量测获取初始状态图像并记录图像各点坐标值，所述格网长度单位为微米，并对图像的行列号进行标记；

S3、将多个不同的移动标志放置于土体试样上，同时对每个移动标志进行坐标标示和区别标示，其中，所述移动标志涂抹透明的润滑剂的上表面与模型箱(2)有机玻璃内侧 面(4)接触，移动标志钉扎入土体试样中进行固定，图钉状移动标志在旋转试验中随土体试样移动，移动标志上表面刻画有十字线，所述十字线以纵横交叉线边缘的交点为量测点进行定位，移动标志嵌入到土体试样中，图钉状移动标志上表面与土体试样表面为同一平面；

S4、启动土工离心机(1)使模型箱(2)旋转，用照相系统获取模型箱(2)内土体试样在指定受力状态下的指定时间点、指定位置点的图像；

S5、对S4所获取的图像进行照相机畸变校正和图像随机畸变校正，精确测量图像上移动标志在参考坐标系里的微位移，包括如下步骤：

S51、对S4所获取的图像根据照相机在试验前预先进行的畸变检测，得到的照相机各标定参数进行位置和像元值的重采样；

S52、对S2中获取的初始状态图像里格网的纵横交叉线的边缘交叉点的实测数据与图像行列号形成的同名点进行匹配计算，求出图像畸变系数；

S53、输入图像中的参考坐标点的坐标值，根据S52求出的图像畸变系数进行图像几何校正，得到校正后的图像；

S54、对同一区域不同受力下的多幅校正后的图像的移动标志位置变化进行计算，得到移动标志的微位移；

S6、根据S5测量所得微位移，解算出局部图像二维坐标系里土体试样的形变量，对土体试样的形变量进行坐标映射，得到整个模型箱(2)全域坐标系下的土体试样移动标志的形变矢量，即得到土体试样的二维平移和旋转参数，并可以建立受力大小和受力时长的相关分析数据。

10.根据权利要求9所述的成像检测方法，其特征在于：根据试样对土样微形变尺度检测的要求，照相机像元尺寸a，照相机镜头焦距f，照相机成像距离d和土样微形变检测的最小尺度L满足L/d＝a/f。