土工離心模型試驗(yàn)中的圖象處理技術(shù)

張　敏

【摘要】土工離心模型試驗(yàn)是巖土工程研究中的一種重要方法，而模型的變形測(cè)量是試驗(yàn)中的重要一環(huán)，同時(shí)也是試驗(yàn)難點(diǎn)。文章介紹了四種用于離心試驗(yàn)中的變形測(cè)量方法比較其優(yōu)缺點(diǎn)，以便試驗(yàn)時(shí)合理應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】離心模型；變形測(cè)量；圖象處理

邊坡，地基等實(shí)際工程在不同邊界條件下，土體發(fā)生的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程決定了其穩(wěn)定性和可靠性。離心模型試驗(yàn)作為一種可以模擬實(shí)際工程應(yīng)力水平的試驗(yàn)方法，得到了廣泛的應(yīng)用。在試驗(yàn)中，通過(guò)增加離心加速度來(lái)模擬重力場(chǎng)，采用比尺縮小的模型來(lái)模擬實(shí)際問(wèn)題。隨著試驗(yàn)條件的改變，模型變形逐漸增加，記錄和獲取變形數(shù)據(jù)是研究目標(biāo)問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。

在離心模型試驗(yàn)中測(cè)量土體變形有兩種主要途徑：采用位移傳感器測(cè)量某些點(diǎn)的位移，或者通過(guò)圖像分析獲得土體的位移變形場(chǎng)。兩種方法通常結(jié)合起來(lái)，測(cè)量模型不同位置的變形或相互校核。當(dāng)離心機(jī)開(kāi)始應(yīng)用到巖土工程中時(shí)，圖像分析方法就得到了應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，變形分析的精度也逐漸提高。

圖像分析測(cè)量位移場(chǎng)的基本原理是，采用一定方法記錄土體中的目標(biāo)點(diǎn)在不同時(shí)刻的位置，試驗(yàn)后對(duì)記錄進(jìn)行處理，得到這些目標(biāo)點(diǎn)的位置與時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)可以代表土體時(shí)，即可以得到土體的位移場(chǎng)。本文按照?qǐng)D象分析方法的發(fā)展歷史，依次討論四種圖象分析方法。每種方法都考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）測(cè)量精度；（2）目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目；（3）測(cè)量時(shí)間間隔；（4）測(cè)量系統(tǒng)對(duì)土體行為的影響。這四個(gè)方面是由測(cè)量所用的硬件及分析方法決定的。

每種方法的測(cè)量精度都會(huì)受到一下因素的影響：（1）記錄試驗(yàn)的硬件設(shè)備本身的精度，如相機(jī)的分辨率，鏡頭變形，圖象傳感器與觀測(cè)面不平行，象素點(diǎn)不圓等；（2）設(shè)備位置的改變；（3）觀測(cè)窗玻璃折射引起的圖象變形；（4）確定目標(biāo)點(diǎn)中心位置的誤差；（5）目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不在同一平面內(nèi)[1]。這些誤差的衡量方法，有兩種。一種是圖像分析的每個(gè)步驟分析各步的誤差，進(jìn)行適當(dāng)疊加。另一種是對(duì)同一不發(fā)生位移的模型在不同時(shí)刻拍攝，將得到的圖片進(jìn)行分析。在試驗(yàn)種比較多用的是后一種方法。

目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目，會(huì)影響位移場(chǎng)的密度，而試驗(yàn)土體中可以設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目過(guò)多或過(guò)少都會(huì)影響結(jié)果。如果太多，土體會(huì)被加固，也會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間；如果太少，一些應(yīng)變較大的區(qū)域無(wú)法測(cè)量[1]。測(cè)量時(shí)間間隔由記錄硬件的條件決定，同時(shí)對(duì)土體行為的影響主要是目標(biāo)點(diǎn)性質(zhì)和其設(shè)置條件的結(jié)果。

一、X射線照相法

最早用來(lái)測(cè)量模型位移場(chǎng)的方法是X射線照相法[2]。在模型土體中放入鉛粒，作為目標(biāo)點(diǎn)（圖1a）。在實(shí)驗(yàn)中，不斷透過(guò)土體拍攝射線照片進(jìn)行跟蹤。依據(jù)這些目標(biāo)點(diǎn)的位移，可以測(cè)得砂土的密度變化和剪切帶的形成。這種方法在六十年代被應(yīng)用來(lái)進(jìn)行大型砂土模型的變形模式的研究[3-4]。但由于曝光度要受到土體密度，土體深度以及模型箱的吸收率的影響，這種密度測(cè)量并不容易[1]。

除了受到引言提到的因素影響外，X射線方法的精度還受膠片變形的影響。文獻(xiàn)[4]用14〞×17〞的膠片測(cè)量，得到的精度為16μm。目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目的確定還要考慮分析時(shí)間的長(zhǎng)短，該方法一般分析一個(gè)點(diǎn)需要4分鐘左右[4]。每張分析圖片的時(shí)間間隔受曝光頻率（3~15分鐘）和膠片更換時(shí)間的限制。

圖1 （a）X射線照相法和（b）普通膠片照相法：目標(biāo)點(diǎn)和分析圖[1]

二、普通膠片照相法

采用X射線存在一定的不安全性，因而在進(jìn)行離心模型試驗(yàn)時(shí)，用普通膠片照相來(lái)代替X射線。為此，需要將模型箱一側(cè)做成透明的，稱(chēng)為觀察窗。測(cè)量對(duì)象可以是一組目標(biāo)點(diǎn)（圖1b），也可以是土顆粒本身。

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨鹊臏p小以及照片成像尺寸的進(jìn)一步減小，與X射線

方法相比測(cè)量精度降低。在離心試驗(yàn)中測(cè)量450mm×360mm的范圍時(shí)，得到的位移測(cè)量精度為86 ~ 100 μm[5]。在0.2m2的模型面積上，可設(shè)置400~600個(gè)目標(biāo)點(diǎn)[6]。測(cè)點(diǎn)的設(shè)置較X射線法容易。對(duì)于粘土或密砂模型，可以將觀察窗打開(kāi)，再進(jìn)行設(shè)置，因而可以避開(kāi)測(cè)量試驗(yàn)前離心加速過(guò)程引起的土體變形。但對(duì)于松散砂土試驗(yàn)，目標(biāo)點(diǎn)需要在制作模型時(shí)就放入模型中。

該方法的測(cè)量時(shí)間間隔受照相頻率的限制，而照相頻率除相機(jī)本身的限制外，還受照相方式的影響。高頻照像可以用以進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)中土體變形的測(cè)量[1]。測(cè)量得到的土體位移實(shí)際只是土體觀察窗一側(cè)的位移場(chǎng)，因此試驗(yàn)中必須假設(shè)此位移可以代表模型中間平面的位移場(chǎng)，尤其是平面應(yīng)變的模型。如果模型箱邊壁有摩擦，將產(chǎn)生較大誤差。

三、目標(biāo)攝像方法

膠片記錄方法限制了記錄時(shí)間間隔，隨著攝像技術(shù)的發(fā)展，采用攝像方法可以連續(xù)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程到錄像帶中或直接記錄到電腦中。再通過(guò)抓圖工具分出每幀圖像作為位移分析的對(duì)象。分析時(shí)需要手動(dòng)或自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)點(diǎn)的位置，從而得到位移數(shù)據(jù)。

這種方法的精度與每個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際大小成反比。而像素點(diǎn)的大小與采用攝像機(jī)分辨率及所觀測(cè)的實(shí)際區(qū)域大小相關(guān)。國(guó)內(nèi)一般采用PAL（Phas Alternating Line，逐行倒相）制式的攝像機(jī)，分辨率為640×480。精度還受到記錄形式及處理方法的影響。一般可以達(dá)到1個(gè)象素點(diǎn)大小的精度。

測(cè)點(diǎn)的數(shù)目需要保證每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)直徑范圍內(nèi)由3~5個(gè)像素點(diǎn)來(lái)代表，這樣才可以識(shí)別其中心位置[7]。測(cè)量時(shí)間的最小間隔為0.04s/張。和膠片照相方法一樣，目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置會(huì)影響模型的行為。同時(shí)也必須假設(shè)觀測(cè)窗與模型中心面變形相同。

四、顆粒圖像分析方法

以上三種方法均是對(duì)模型拍攝，識(shí)別目標(biāo)點(diǎn)位置，來(lái)獲得位移場(chǎng)。而目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置不僅會(huì)影響土體行為，對(duì)局部區(qū)域的應(yīng)變集中現(xiàn)象也較難測(cè)量。同時(shí)受限于目標(biāo)點(diǎn)本身的大小，測(cè)量精度也有限。文獻(xiàn)[1，8]將用于流體力學(xué)的顆粒圖像分析方法應(yīng)用到巖土工程中，結(jié)合數(shù)字照相，顆粒圖像分析和攝像測(cè)量方法，提出一種新的高精度測(cè)量方法。

顆粒圖像技術(shù)運(yùn)用到巖土工程中，就是通過(guò)圖像處理的方法，依據(jù)土體本身的特征，確定所劃分土體單元的位置及變化（圖2）。土體在形成模型后，土顆粒隨機(jī)排列。如果將模型觀察面上的土體分為若干單元，那么每個(gè)單元都具有自己特有的顆粒排列規(guī)律。當(dāng)模型變形較小時(shí)，細(xì)分的單元內(nèi)顆粒排列規(guī)律保持不變，依據(jù)排列的特征值，可以追蹤單元的位置變化，從而確定觀察面土體的變形。這種方法不再依賴(lài)目標(biāo)點(diǎn)的識(shí)別，因而對(duì)土體行為不造成影響。當(dāng)土體顆粒粒徑比較單一時(shí)，排列特征不明顯，需要認(rèn)為制造特征，比如涂染顆粒等，形成顏色分布的特征值來(lái)識(shí)別土單元。

這種研究方法中用數(shù)碼相機(jī)來(lái)獲取研究對(duì)象，可以有高達(dá)1760 x 1168.的分辨率（或者更高）。每個(gè)像素點(diǎn)代表的實(shí)際尺寸相應(yīng)減小，可以測(cè)量的實(shí)際精度提高。數(shù)字照相存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)，圖像損失低于模擬信號(hào)的存儲(chǔ)。然而由于分辨率越高，圖片存儲(chǔ)需要時(shí)間越長(zhǎng)（10～30s），這也限制了測(cè)量時(shí)間的間隔。圖2 用于顆粒圖像分析的目標(biāo)土體單元和分析圖在上邊

采用相機(jī)的分辨率，土單元的大小（決定了目標(biāo)單元的數(shù)目），土體本身特征值以及所要量測(cè)的位移大小都會(huì)影響到該種方法的精度。需要具體問(wèn)題具體分析，有時(shí)可能也要多做試驗(yàn)才能確定?？闪繙y(cè)的精度至少達(dá)到0.1像素點(diǎn)大小。由于不需要設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)，土體行為不受影響，但觀察測(cè)仍然可能不同于模型中心面。同時(shí)該方法只能用來(lái)分析非破壞階段的緩慢變形。

五、結(jié)語(yǔ)

1．進(jìn)行模型變形場(chǎng)測(cè)量，需要相應(yīng)的記錄設(shè)備和圖像分析處理過(guò)程，各自對(duì)測(cè)量精度都有影響。

2．目前最先進(jìn)的測(cè)量方法，為采用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程，然后進(jìn)行顆粒圖像分析，獲得位移場(chǎng)。

3．顆粒圖像分析對(duì)軟硬件條件要求較高，如果測(cè)量精度要求不高時(shí)，目標(biāo)攝像方法也可采用。

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【作者簡(jiǎn)介】張敏（1978-），女，深圳市土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士，深圳大學(xué)土木工程學(xué)院講師。