目标追踪算法在岩石表面变形测量中的实现与应用_张艳博.pdf

第 42 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.42 No.3 2023 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2023 收稿日期：收稿日期：20220424；修回日期：修回日期：20220628 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(52074123，51904105)；河北省自然科学基金项目(E2022209143)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.52074123 and 51904105)and Natural Science Foundation of Hebei Province(Grant No.E2022209143)作者简介：作者简介：张艳博(1973)，男，博士，1997 年毕业于河北理工学院采矿工程专业，现任教授，主要从事矿山岩石力学方面的教学与研究工作。E-mail：。通讯作者：梁 鹏(1987)，男，博士，现任讲师。E-mail： DOI：10.13722/ki.jrme.2022.0412 目标追踪算法在岩石表面变形测量中的目标追踪算法在岩石表面变形测量中的 实现与应用实现与应用 张艳博1，2，3，韩 鑫1，2，3，梁 鹏1，2，3，姚旭龙1，2，3，孙 林1，2，3，田宝柱1，2，3(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；3.河北省矿山绿色智能开采技术创新中心，河北 唐山 063210)摘要：摘要：变形测量是岩石力学理论研究和工程实践的基础，数字图像相关算法在岩石变形测量中得到了广泛的应用，但在实际应用中存在位移云图边缘检测收敛性差、定量刻画参数少等问题。基于此，将目标追踪方法引入到岩石变形测量领域，提出基于目标追踪算法的岩石表面变形测量方法，该方法通过 Harris 角点检测，获取图像中关键特征点的位置，之后采用 KLT 算法计算出跟踪点在变形后图像中所对应的位置，从而确定岩石表面的全场位移。为验证算法的可靠性，开展室内岩石剪切试验，对比分析目标追踪算法和数字图像相关算法的试验结果。研究结果表明：目标追踪算法能够实现岩石表面的非接触位移测量，相比数字图像相关算法，精度和稳定性有一定提升。目标追踪算法解决了数字图像相关算法在岩石边缘处变形量计算不收敛、稳定性差等问题，真正实现了在可计算范围内全场位移量的拾取。提出利用信息熵来定量刻画岩石破坏过程变形场的演化特征，有助于更全面、更准确地分析岩石在各种复杂外载荷作用下的力学行为。所提出的一种新的岩石表面变形场测量方法，为可视化研究岩石表面变形演化规律及损伤特征提供有效的技术手段，同时也为岩土工程领域非接触变形测量提供一定借鉴。关键词：关键词：岩石力学；目标追踪算法；数字图像相关算法；变形测量；信息熵 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2023)03066111 Realization and application of target tracking algorithm in rock surface deformation monitoring ZHANG Yanbo1，2，3，HAN Xin1，2，3，LIANG Peng1，2，3，YAO Xulong1，2，3，SUN Lin1，2，3，TIAN Baozhu1，2，3(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan，Hebei 063210，China；2.Hebei Provincial Key Laboratory of Mining Development and Safety Technology，Tangshan，Hebei 063210，China；3.Hebei Mine Green Intelligent Mining Technology Innovation Center，Tangshan，Hebei 063210，China)Abstract：Deformation measurement is the basis of rock mechanics theory research and engineering practice.Digital image correlation algorithm has been widely used in rock deformation measurement，but there are some problems in practical application，such as poor convergence of displacement cloud edge detection and few quantitative characterization parameters.Based on this，this paper introduces the target tracking method into the field of rock deformation measurement，and proposes a rock surface deformation measurement method based on target tracking algorithm.This method obtains the position of key feature points in the image through Harris corner detection，and 662 岩石力学与工程学报 2023 年 then uses KLT algorithm to calculate the corresponding position of tracking points in the deformed image，so as to determine the whole field displacement of rock surface.In order to verify the reliability of the algorithm，indoor rock shear experiments are carried out，and the experimental results of target tracking algorithm and digital image correlation algorithm are compared and analyzed.The results show that the target tracking algorithm can realize the non-contact displacement measurement of rock surface，and the accuracy and stability are improved compared with the digital image correlation algorithm.The target tracking algorithm solves the problems of non convergence and poor stability of the digital image correlation algorithm in the calculation of deformation at the rock edge，and truly realizes the pickup of the whole field displacement within the calculable range.Using information entropy to quantitatively describe the evolution characteristics of rock deformation field in the process of failure is helpful to analyze the mechanical behavior of rock under various complex external loads more comprehensively and accurately.In this study，a new measurement method of rock surface deformation field is proposed，which not only provides an effective technical means for the visual study of rock surface deformation evolution law and damage characteristics，but also provides a certain reference for non-contact deformation measurement in the field of geotechnical engineering.Key words：rock mechanics；target tracking algorithm；digital image correlation algorithm；deformation measurement；the information entropy 1 引引 言言 岩石变形测量是岩石力学试验、力学机制和破裂灾变等相关研究的重要途径，研究开发一种能有效、准确且实时地测量岩石变形过程的方法，实现全场位移的拾取，获取变形特征参数，准确地把握岩体变形规律，对于研究岩石变形测量问题具有十分重要的科研价值和使用价值。传统的变形测量手段主要分为两类：接触式测量和非接触式测量1。接触式测量方法一般包括电阻传感器以及探针测量两种方式，这类方法易受测量环境限制，无法设置基准点时则无法使用2。当被测物不适宜接触，或者由于过软无法得到物体具体准确位移时，就无法获取正确的测量结果，并且接触式测量范围有限，常以电阻传感器和探针所在位置的位移代替整个观测面的位移，存在以局部代整体的现象，无法对全场位移、应变进行有效的反馈。而在非接触测量中，全息干涉、云纹干涉、散斑计量等方法由于其需要在暗室和特殊的光路中进行，限制了这些方法在岩石力学试验中的应用3。数字图像相关(digital image correlation，DIC)法是由 I.Yamaguchi4与 W.H.Peter 和 W.F.Ranson5于 20 世纪 80 年代提出的一种非接触全场变形测量方法，数字图像相关技术作为一种全场、无损、无接触和系统结构简单的光测力学方法，成为当前固体力学试验应用最广泛的变形测量技术6-9。近年来，一方面，提升 DIC 方法的测量精度一直是各位学者的研究热点和重点。在 DIC 方法中，通过硬件和环境的改进往往对测量精度的提高是有效的，但对精度的提高能力也是有限的10。为提高算法的精度和计算速度，分别从亚像素匹配11-12、插值算法13等方面进行了优化。另一方面，学者们利用 DIC 方法，对岩石变形破坏过程应变场特征进行大量研究，取得了诸多研究成果14-15。此外，为有效表达岩石在破坏过程中变形场的演化特征，张 科等16-17尝试使用纹理、灰度等作为定量指标，量化研究变形场的演化特征。在后续研究过程中，有必要提出一些物理意义明确、能够反映变形场动态变化的定量指标，进一步更准确地研究岩石变形破坏规