CN110160457A - 土工离心机模型试验三维全场变形测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土工离心机模型试验三维全场变形测量设备及方法，其中，设备包括：转动式相机支架、固定式槽钢支架、相机组、镜头前挡板、相机镜头固定圈、相机机身固定圈、机顶盒、光源装置和终端设备，其中，终端设备与机顶盒相连，用于对图像的图像处理，并利用开源分析软件对第一和第二顶部相机的图像进行三维图像分析，并对固定式相机的图像进行二维图像分析，获取模型的位移变化结果云图，并整合得到三维全场变化图像。该设备能够将模型侧面(内部)及上表层结合分析处理，还原三维模型的真实情况及其坡体表面的拉伸破坏变形情况的演化规律。

Description

土工离心机模型试验三维全场变形测量设备及方法

技术领域

本发明涉及土工机械模型试验装置技术领域，特别涉及一种土工离心机模型试验三维全场变形测量设备及方法。

背景技术

随着现代社会的发展，国内外大型工程建设数量急剧增加，包括水库、大坝、堤防、大跨度地下工程及超高层建筑等，大型工程建设对土体及其地基提出了较高的要求。

室内离心机模型试验是一种有效的缩尺模型试验，能够有效的反演地基或边坡的变形破坏过程。目前应用的室内离心机模型试验主要依赖模型箱侧壁的单一摄像机进行拍摄捕捉标记点的运移，该方式仅仅反映了边坡的二维侧面(内部)变形情况，而边坡的破坏变形不仅涉及坡体内部变形，同样涉及边坡表面的开裂、表土剥离及牵引拉伸等变形破坏形式，系统研究斜坡破坏过程中表面及内部变形演化规律，对于深入研究滑坡灾害机制及灾害预测和防范具有重要的意义。同时，受到坡体与模型箱有机玻璃之间的摩擦阻力作用，易发生内部发生破坏而观察侧仍未发生明显变化，此时其侧面(内部)的变形不能代表坡体的变形破坏规律。

离心机三维图像捕捉与分析系统的两大难点问题：一方面，如何获取边坡模型的表层图像；另一方面，如何将获取的三个方向的图像进行拟合分析进而整合为模型的三维变形情况。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种土工离心机模型试验三维全场变形测量设备，该设备能够将模型侧面(内部)及上表层结合分析处理，还原三维模型的真实情况及其坡体表面的拉伸破坏变形情况的演化规律。

本发明的另一个目的在于提出一种土工离心机模型试验三维全场变形测量方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种土工离心机模型试验三维全场变形测量设备，包括：转动式相机支架，用于固定第一和第二顶部相机，并转动所述第一和第二顶部相机以调整角度；固定式槽钢支架，用于固定和支持所述转动式相机支架；相机组，用于采集实验进行中的图像，所述相机组包括所述第一和第二顶部相机及离心机模型箱侧面的固定式相机；镜头前挡板，用于支撑所述相机组的相机镜头；相机镜头固定圈，用于固定所述相机组的相机镜头，使所述相机镜头平放在所述镜头前挡板的平面板上并保持稳定；相机机身固定圈，用于固定所述相机组的相机机身，使相机平放在所述转动式相机支架上的钢板上并保持稳定；机顶盒，用于统一IP地址同时控制所述相机组工作；光源装置，用于试验过程中补充光照，使得所述图像的清晰度满足预设条件；终端设备，所述终端设备与所述机顶盒相连，用于对所述图像的图像处理，并利用开源分析软件对所述第一和第二顶部相机的图像进行三维图像分析，并对所述固定式相机的图像进行二维图像分析，获取模型的位移变化结果云图，并整合得到三维全场变化图像。

本发明实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备，能够捕捉模型侧面及上表面的位移变化情况，经过图像分析处理，可还原试验过程中模型表面及侧面(内部)的变形破坏及演化规律，从而获取模型的三维全场的变形破坏信息。

另外，根据本发明上述实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：收纳箱，用于存放所述相机组、所述转动式相机支架、所述固定式槽钢支架、所述终端设备、所述机顶盒、所述镜头前挡板、所述相机镜头固定圈、所述相机机身固定圈与所述光源装置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述转动式相机支架包括：底部钢板和转动钢板，其中，所述底部钢板和所述转动钢板通过多个可滑动螺栓进行角度的调整及固定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述转动式相机支架的转动范围为5°至135°。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种土工离心机模型试验三维全场变形测量方法，采用如上述实施例所述的设备，其中，方法包括以下步骤：将所述固定式槽钢支架固定在所述离心机模型箱上；将所述转动式相机支架固定在所述槽钢支架上，并调整成第一预设角度平置安装所述第一和第二顶部相机在所述钢板上，并利用所述镜头前挡板和所述固定圈进行固定；调整所述第一和第二顶部相机的相对角度至第二预设角度α，同时调整所述转动式相机支架的角度至第三预设角度以控制图像采集范围；通过所述机顶盒连接侧面的所述固定式相机及所述第一和第二顶部相机于所述终端设备，并调整所述光源装置补充光照；试验结束后，利用所述终端设备对采集的图像序列进行处理分析，将所述第一和第二顶部相机的图像进行三维分析，将所述固定式相机采集的图像进行二维分析，生成所述三维全场位移变化图像。

本发明实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量方法，能够捕捉模型侧面及上表面的位移变化情况，经过图像分析处理，可还原试验过程中模型表面及侧面(内部)的变形破坏及演化规律，从而获取模型的三维全场的变形破坏信息。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的用于固定式槽钢支架与离心机模型箱连接、以及转动式相机支架与固定式槽钢支架连接的长螺栓示意图；

图3a为根据本发明实施例的左侧顶部相机采集的图像和二维处理图像示意图；

图3b为根据本发明实施例的右侧顶部相机采集的图像和二维处理图像示意图；

图3c为根据本发明实施例的侧面固定式相机采集的图像和二维处理图像示意图；

图3d为根据本发明实施例的相机组采集的模型上表面图像，生成模型上表层的三维位移变形云图；

图4为根据本发明实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量方法的流程图；

图5为根据本发明实施例的固定式槽钢支架的结构示意图；

图6a为根据本发明实施例的转动式相机支架的结构示意图；

图6b为根据本发明实施例的转动式相机支架的侧面连接示意图；

图7为根据本发明实施例的固定相机组的镜头前挡板、相机镜头固定圈及相机机身固定圈的示意图；

图8为根据本发明实施例的转动式相机支架及相机组的装配示意图。

附图标记说明：

转动式相机支架1、固定式槽钢支架2、相机组3、镜头前挡板4、相机镜头固定圈5、相机机身固定圈6、机顶盒7、光源装置8、终端设备9、离心机模型箱10、固定式相机11、点光源12、条形灯13、长螺栓14、坡体模型15、有机玻璃板16、显示装置17、底部钢板 18、转动钢板19、连接螺栓20、可滑动螺栓21和螺母22。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备。

图1是本发明一个实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备的结构示意图。

如图1所示，该土工离心机模型试验三维全场变形测量设备包括：转动式相机支架1、固定式槽钢支架2、相机组3、镜头前挡板4、相机镜头固定圈5、相机机身固定圈6、机顶盒7、光源装置8和终端设备9。

其中，转动式相机支架1用于固定第一和第二顶部相机，并转动第一和第二顶部相机以调整角度。固定式槽钢支架2用于固定和支持转动式相机支架1。相机组3用于采集实验进行中的图像，相机组3包括第一和第二顶部相机及离心机模型箱10侧面的固定式相机11。镜头前挡板4用于支撑相机组3的相机镜头。相机镜头固定圈5用于固定相机组3的相机镜头，使相机镜头平放在镜头前挡板4的平面板上并保持稳定。相机机身固定圈6用于固定相机组3的相机机身，使相机平放在转动式相机支架1上的钢板上并保持稳定。机顶盒7用于统一IP地址同时控制相机组3工作。光源装置8用于试验过程中补充光照，使得图像的清晰度满足预设条件。终端设备9与机顶盒7相连，用于对图像的图像处理，并利用开源分析软件对第一和第二顶部相机的图像进行三维图像分析，并对固定式相机11的图像进行二维图像分析，获取模型的位移变化结果云图，并整合得到三维全场变化图像。本发明实施例的设备能够将模型侧面(内部)及上表层结合分析处理，还原三维模型的真实情况及其坡体表面的拉伸破坏变形情况的演化规律。

具体而言，固定式槽钢支架2用于固定和支持转动式相机支架1，扩大采集范围。转动式相机支架1用于固定第一和第二顶部相机，转动以调整角度。相机组3用于实验进行中的图像采集，包括两个顶部相机，以及模型箱10侧面固定式相机11。镜头前挡板4用于支撑相机组3的相机镜头，从而防止相机组3受到极高离心加速度影响下引起的相机组3形变甚至相机镜头脱落的情况。相机镜头固定圈5用于固定相机镜头，使相机镜头平放在镜头前挡板4的平面板上保持稳定，同时防止较长的相机镜头因受到高离心加速度影响而引起的折断情况。相机机身固定圈6用于固定相机组3的相机机身，使相机平放在转动式相机支架上的钢板上保持稳定，同时防止相机机身长而受到高离心加速度影响而引起的折断情况。机顶盒7用于多相机与终端设备9的联通，统一IP 地址同时控制三个相机(即第一和第二顶部相机、固定式相机11)进行图像采集。光源装置8用于试验过程中补充足够的光照，以捕捉清晰的图像。终端设备9用于对采集图像的图像处理，利用开源分析软件对上部两相机(即第一和第二顶部相机)捕捉的图像进行三维图像分析，对侧面固定式相机11捕捉的图像进行二维图像分析，得到模型的位移变化结果云图，最后可整合得到三维全场变化图像。

需要明的是，相机组3也可以称为顶部相机，顶部相机包括第一和第二顶部相机，顶部相机用于采集土工离心机模型上表面图像；固定式相机11用于采集土工离心机模型侧面图像。其中，第一顶部相机可以为如图1所示的相机组3中的左侧顶部相机，第二顶部相机可以为如图1所示的相机组3中的右侧顶部相机。可选地，相机组3可以采用大恒 MER-132-43GM/C GigE接口CCD工业数字相机，当然，本领域技术人员可以根据实际选择具体的相机型号，在此仅作为示例，不做具体限定。

可选地，机顶盒7可以为TP-LINK TL-WTR9520，当然，本领域技术人员可以根据实际选择具体的机顶盒，在此仅作为示例，不做具体限定。

可选地，终端设备9可以为电脑主机或者笔记本电脑，本领域技术人员可以根据实际的使用需要求选择具体的终端设备，在此不做具体限定。

其中，在本发明的一个实施例中，转动式相机支架1包括：底部钢板和转动钢板。其中，底部钢板和转动钢板通过多个可滑动螺栓进行角度的调整及固定，转动式相机支架的转动范围为5°至135°。

其中，在本发明的一个实施例中，光源装置8可以包括点光源12和条形灯13。其中，点光源12用于为相机组3补充光源；条形灯13用于为侧面固定式相机11补充光照。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的设备还包括：长螺栓14、坡体模型15、有机玻璃板16和显示装置17。

其中，显示装置17可以为电脑显示器，当然，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，在此不做具体限定。如图2所示，本发明实施例的设备可以利用长螺栓14将固定式槽钢支架2与离心机模型箱10进行连接固定，利用长螺栓14将转动式相机支架1与固定式槽钢支架2进行连接固定。

进一步地，如图3所示，图3是根据本发明一个实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备采集的图像进行三维和二维分析，并结合原始模型进行整合以得到三维全场变化的示意图。

具体而言，图3a至3d是应用本发明实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备的一个模型图像处理分析示例。土工离心机模型试验中，三个相机同时捕获多时间点的模型图像。利用笔记本电脑对参照图像和分析图像进行筛选，图3a是左侧顶部相机采集的图像(包含参照图及对比图)和二维处理图像；图3b是右侧顶部相机采集的图像(包含参照图及对比图)和二维处理图像；图3c是侧面固定式相机采集的图像(包含参照图及对比图)和二维处理图像；图3d是根据顶部两相机采集的模型上表面图像，生成模型上表层的三维位移变形云图。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的设备还包括：收纳箱。其中，收纳箱，用于存放相机组3、转动式相机支架1、固定式槽钢支架2、终端设备9、机顶盒 7、镜头前挡板4、相机镜头固定圈5、相机机身固定圈6与光源装置8。

需要说明的是，收纳箱可以为常规的复合轻材料，从而便于将装配零件收纳，当然，本领域技术人员可以根据实际的使用需求选择其他的材料，在此不做具体限定。

根据本发明实施例提出的土工离心机模型试验三维全场变形测量设备，能够捕捉模型侧面及上表面的位移变化情况，经过图像分析处理，可还原试验过程中模型表面及侧面(内部)的变形破坏及演化规律，从而获取模型的三维全场的变形破坏信息。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的土工离心机模型试验三维全场变形测量方法。

图4是本发明一个实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量方法的流程图。

如图4所示，该土工离心机模型试验三维全场变形测量方法，采用如上述实施例的设备，其中，方法包括以下步骤：

在步骤S401中，将固定式槽钢支架固定在离心机模型箱上。

可以理解的是，本发明实施例将固定式槽钢支架安装在离心机模型箱上的预设位置处。其中，预设位置本领域技术人员可以根据实际的情况进行设置，在此不做具体限定。

具体而言，如图1所示，按照预设的固定点，利用长螺栓14将固定式槽钢支架2与离心机模型箱10进行多点连接固定，保证在试验过程中不会产生震动甚至分离情况，同时其高度保证了上部相机足够的拍摄范围。

在步骤S402中，将转动式相机支架固定在槽钢支架上，并调整成第一预设角度

可以理解的是，根据拍摄范围需要，将转动式相机支架固定在固定式槽钢支架的尾部，并设定第一预设角度其中，第一预设角度也可以称为初始俯角值

具体而言，如图1所示，利用长螺栓14将转动式相机支架1的底部钢板固定在固定式槽钢支架2的尾部，并将旋转钢板旋至一定角度。

在步骤S403中，平置安装第一和第二顶部相机在钢板上，并利用镜头前挡板和固定圈进行固定。

可以理解的是，将两个相机(即第一和第二顶部相机)平放在转动式相机支架的旋转钢板上，调整其相对角度α直至图像采集范围涵盖整个上表面为止，并对相机镜头和机身进行固定。

在本发明的一个具体示例中，如图5至图8所示，利用镜头前挡板4挡住相机镜头，保证镜头不会因离心力作用而发生脱离；并利用相机镜头固定圈5和相机机身固定圈6将相机组3(相机组3包括两个顶部相机)固定在转动式相机支架的旋转钢板上，保证镜头或者机身不会发生折断。其中，相机组3为但不限于大恒MER-132-43GM/C GigE接口CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)工业数字相机。

在步骤S404中，调整第一和第二顶部相机的相对角度至第二预设角度α，同时调整转动式相机支架的角度至第三预设角度以控制图像采集范围。

在步骤S405中，通过机顶盒连接侧面的固定式相机及第一和第二顶部相机于终端设备，并调整光源装置补充光照。

可以理解的是，通过机顶盒连接侧面固定式相机及两相机于同一终端设备，并调整光源装置补充适当的光照。

具体而言，离心机模型箱置于离心机悬臂上，进行线路连接及相关参数设定后，离心机转动过程中，顶部的相机组与侧面的固定相机同时进行采集。

如图1所示，当固定好顶部的相机组3且将离心机模型箱10吊装至离心机上后，将侧面固定式相机11与相机组3中的两个顶部相机利用机顶盒7统一连接至终端设备9，然后利用显示装置17设置IP地址，曝光度及帧数等参数；再调整点光源12和条带灯 13位置，补充足够的光照，使三个相机能够捕获清晰的图像。

作为一个具体的示例，如图6a和6b所示，转动式相机支架1主要由底部钢板18、转动钢板19、连接螺栓20及可滑动螺栓21组成。底部钢板17和转动钢板18可以通过连接螺栓19进行转动，其中转动钢板上分别有两个长条形凹槽，以保证可滑动螺栓20可以在其中滑动，并利用螺母22将其固定在合适的位置，以达到适当的角度

在步骤S406中，试验结束后，利用终端设备对采集的图像序列进行处理分析，将第一和第二顶部相机的图像进行三维分析，将固定式相机采集的图像进行二维分析，生成三维全场位移变化图像。

可以理解的是，试验结束后，将采集的图像序列利用终端设备进行图像处理分析，分别得到上表面及侧面(内部)的位移变化云图，进而得到全场的三维位移变形结果。

举例而言，终端设备以笔记本电脑为例、并以试验进行一定时间后采集的图像为例，可以利用笔记本电脑将上部两相机采集的图像进行三维的位移变化分析，得到原始模型上部坡面的变形情况；再将侧面固定相机采集的图像进行二维的位移变化分析，得到原始模型侧面的变形情况；最后基于原始模型形态，将上表面与侧面(内部)的位移云图整合成为全场的三维位移变化云图。

具体地，利用笔记本电脑对三个相机捕获的图像分别进行处理，得到模型的三维全场变形发展规律，将两个顶部相机的图像进行三维分析，侧面相机采集的图像进行二维分析，最后将模型表层及侧面(内部)位移变化整合成为全场三维位移变化图像。

其中，将模型表层及侧面(内部)位移变化整合成为全场三维位移变化图像，进一步包括：笔记本电脑根据原始模型将表层及侧面的分析结果图像按照进行坐标转换，与原始模型侧面及上表面相对位置进行匹配，从而得到原始模型的完整三维位移变化云图。

在本发明的一个实施例中，所得到的模型的三维位移变化云图可以进行输出，用于科学研究或者其他用途。例如：以*.vtk，*.vtu的三维格式输出模型的三维云图直接描述试验结果；或者将模型的三维云图用于后续数值计算结果对比。也就是说，可以将物体的三维模型输出成*.vtk，*.vtu等常见的三维格式，便于对模型三维位移云图进行展示。

根据本发明实施例提出的实施例的土工离心机模型试验三维全场变形测量方法，能够捕捉模型侧面及上表面的位移变化情况，经过图像分析处理，可还原试验过程中模型表面及侧面(内部)的变形破坏及演化规律，从而获取模型的三维全场的变形破坏信息。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种土工离心机模型试验三维全场变形测量设备，其特征在于，包括：

转动式相机支架，用于固定第一和第二顶部相机，并转动所述第一和第二顶部相机以调整角度；

固定式槽钢支架，用于固定和支持所述转动式相机支架；

相机组，用于采集实验进行中的图像，所述相机组包括所述第一和第二顶部相机及离心机模型箱侧面的固定式相机；

镜头前挡板，用于支撑所述相机组的相机镜头；

相机镜头固定圈，用于固定所述相机组的相机镜头，使所述相机镜头平放在所述镜头前挡板的平面板上并保持稳定；

相机机身固定圈，用于固定所述相机组的相机机身，使相机平放在所述转动式相机支架上的钢板上并保持稳定；

机顶盒，用于统一IP地址同时控制所述相机组工作；

光源装置，用于试验过程中补充光照，使得所述图像的清晰度满足预设条件；以及

终端设备，所述终端设备与所述机顶盒相连，用于对所述图像的图像处理，并利用开源分析软件对所述第一和第二顶部相机的图像进行三维图像分析，并对所述固定式相机的图像进行二维图像分析，获取模型的位移变化结果云图，并整合得到三维全场变化图像。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

收纳箱，用于存放所述相机组、所述转动式相机支架、所述固定式槽钢支架、所述终端设备、所述机顶盒、所述镜头前挡板、所述相机镜头固定圈、所述相机机身固定圈与所述光源装置。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述转动式相机支架包括：底部钢板和转动钢板，其中，所述底部钢板和所述转动钢板通过多个可滑动螺栓进行角度的调整及固定。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述转动式相机支架的转动范围为5°至135°。

5.一种土工离心机模型试验三维全场变形测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的设备，其中，方法包括以下步骤：

将所述固定式槽钢支架固定在所述离心机模型箱上；

将所述转动式相机支架固定在所述槽钢支架上，并调整成第一预设角度

平置安装所述第一和第二顶部相机在所述钢板上，并利用所述镜头前挡板和所述固定圈进行固定；

调整所述第一和第二顶部相机的相对角度至第二预设角度α，同时调整所述转动式相机支架的角度至第三预设角度以控制图像采集范围；

通过所述机顶盒连接侧面的所述固定式相机及所述第一和第二顶部相机于所述终端设备，并调整所述光源装置补充光照；

试验结束后，利用所述终端设备对采集的图像序列进行处理分析，将所述第一和第二顶部相机的图像进行三维分析，将所述固定式相机采集的图像进行二维分析，生成所述三维全场位移变化图像。