[发明专利]一种三轴试验三维变形重构和测量的方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土力学的实验测试技术领域，涉及测试土体、碎石及土石混合体的三轴试样三维变形重构和测量的方法。

背景技术

三轴试验技术是岩土力学中一种最重要的试验技术，被广泛用来研究岩土体材料的强度、应力应变关系和构建本构模型。传统的三轴试验采用力传感器测量作用在试样上的应力，采用位移传感器测量土体发生的应变，给出土体宏观的单值应力应变关系。随着岩土力学研究的深入和发展，人们开始关注土体的应变局部化和剪切带的形成及发展的趋势和变化规律等问题，因此也对三轴试验方法提出了更高的要求。由于传统的三轴仪一般采用位移传感器的方法对试样的变形进行测量，其试验结果只能反映试样整体的变形，不能反映试样的三维和局部变形的特征。三轴试验中试样的三维变形重构和应变的测量对于利用三轴试验研究剪切带和本构模型等问题具有非常大的应用价值，因此有许多学者对传统的三轴试验方法进行改进。如专利CN 1319812A“三轴试验土样变形的数字图像测量方法及设备”。采用透明钢化玻璃方形密封容器和数字图像采集设备和图像处理程序测定试样的轴向和径向变形。该方法能够实现对试样局部变形的测量，但是该设备和方法的缺陷为只能测量圆柱形试样单面的变形，不能实现试样全表面三维变形的测量，更不能实现三轴试验三维变形的重构。

发明内容

本发明的目的是提供一种在三轴试验过程中实现试样全表面变形测量和三维重构的方法，解决现有三轴试验数字图像测量技术只能测量试样单面的径向和轴向变形的局限性，实现对三轴试验中试样变形的三维测量和重构。

本发明的技术方案是：首先，传统的三轴试验圆桶形压力室改为全透明的方形压力室；全透明的方形压力室安装于三轴试验机上；采用印有黑白相间方格的橡皮膜代替传统的无标识橡皮膜，如图2所示。其次，三轴试验机前后各放置一个三角架，数字相机分别安装在三脚架上，放置于试样的前后两面。相机控制和图像采集软件能够实现对两个相机的同步采集，两个相机能同时采集到同一时刻试样前后两个表面的变形图片（图1）。进一步，对采集到的试样前后两个面的图像(包裹在三轴试样表面印有黑白相间方格的橡皮膜)进行提取角点像素坐标的处理工作，同时采用计算机图像处理中边界识别的方法提取试样外所包裹的橡皮膜的边界，如图3所示。要求在安装三轴试样过程中尽量保证橡皮膜上的同一行方格上边和下边的两个角点均分别位于垂直于试样中心轴平面的同一个圆周上，假定在试验过程中试样变形后原来位于同一个圆周的角点仍然位于垂直于试样中心轴平面的同一个圆周上。利用提取的边界和位于同一个圆周角点的像素坐标确定边界点的坐标，边界点是前后两个图像的公共可识别点，如图2所示。建立两个三维坐标系统。以试样初始时的中心轴为Z轴，试样的端部的中心为坐标原点，以试样与相机光轴垂直的方向为X轴，建立空间坐标系OXYZ，如图3所示。以所采集图像像平面的中心O’点为像素坐标的原点，以试样成像平面为X’Z’平面，与成像平面垂直的轴为Y’轴，建立刻度为像素的三维坐标系统O’X’Y’Z’，如图4所示。在做完这些前期的工作后，下一步要进行试样变形的三维重构。首先，在三维像素坐标系统O’X’Y’Z’中重构试样三维变形的图像。通过角点提取，得到角点的X’和Z’像素坐标，根据边界提取，获得角点所在圆周的直径2R’(图6).根据提取的边界和角点坐标，确定边界点的像素坐标。根据点在圆周上满足关系式：X’²+Y’²=R’²,得到所有角点和边界点的Y’坐标。根据这一假定，可得到试样前后表面所有角点和边界点的X’Y’Z’坐标，坐标以像素表示。

在角点的提取过程中，采用了Harris角点提取的方法，并预先设定好角点所可能处于的范围。在边界的提取中，采用了Prewitt因子提取边界的方法。这些方法能给出比较准确的有关信息。

在提取了角点和边界点的完整的坐标后，下一步要对前后两个相机捕捉的图像进行拼接处理的工作。由于前后两个相机得到的图像其X’轴的坐标是相反的，需要将一个相机中得到的X’方向的坐标进行转换，这一转换是通过对其中一个相机采集到图像的角点和边界点的X’坐标取负值实现的。然后根据前后两个图像其边界点为共用特征点，对其中一个图像中的所有坐标进行平移坐标转换，这样前后两个相机采集的角点和边界点的坐标就一致了，从而实现了三轴试样前后表面图像的拼接。