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前言

    计算机图像处理技术和激光干涉测量等方法的迅速发展,使得实验力学特别是光测实验力学除了应用在传统结构与材料力学性能测量外,在微纳电子机械系统、生物力学性能等领域具备了前所未有的解决问题的能力,充分体现了现代光测力学方法非接触、灵敏度高、全场测量等优点,而计算机与图像处理技术实现了光测力学数据采集的自动化以及图像数据海量处理的实时化、自动化和结果的可视化,提高了实验效率和精度。
    本书主要内容分为两篇:第一篇为现代光测力学技术共9章,第一章是光测力学的预备知识,简明扼要地介绍了测量技术中使用的光学原理与现象。第二~七章结合现代光测技术发展历史,系统介绍以光波干涉为基础的，固体实验力学中广泛使用的，纳米、亚微米级的离面变形测量精度的全息干涉、牛顿条纹和散斑图干涉,以及适合于面内变形测量的云纹干涉和动态力学行为测试的激光多普勒频移技术等;第八、九章为非干涉光学测量技术,包括第八章的具有微米、亚毫米级的面内与离面变形测量精度的几何云纹技术,以及第九章介绍当前最流行的、与计算机图像处理技术密切相关的,测试精度从纳米级至毫米级甚至米级,应用领域最为广泛的测量方法——数字图像相关技术。第二篇为数字图像处理技术,包括第十章图像处理技术基础及第十一章专门针对光测力学干涉条纹计算机自动处理的条纹图相位解调技术与相位去“包裹”理论及方法等。第十二章专门介绍本书的合作者新加坡技术与设计大学机械系陈陆捷博士与课题组联合开发的光测力学图像处理软件平台的有关功能。
    本书结合作者多年教学、科研经验和近年来国内外发展的最新研究成果,力求用简明扼要的语言及浅显精炼的数学公式向读者介绍现代光测力学的测量原理和实验技术,并列举相应的应用实例;不同于国内其他同类书籍之处就是本书在系统介绍光测力学图像处理技术与方法之外,为读者介绍并免费提供作者编写的图像处理及图形处理试用软件。
    本书可作为高等院校工程力学、机械工程等专业的高年级本科生和研究生实验力学课程光测部分的教材,也可供材料科学、生命科学、仪器仪表专业的研究人员和技术人员参考。
    本书由杨福俊、何小元、陈陆捷主编,所附的光测力学图像处理程序由现为新加坡技术与设计大学的陈陆捷博士主体开发并通过互联网提供免费试用程序下载。参加本书编写工作的,或提供有益帮助的还有东南大学工程力学固体力学专业已毕业的孙伟、陈凡秀、朱飞鹏、史红健和戴美玲博士,戴维斯与卢位昌硕士等。 

作者

2015年3月于南京东南大学


目录 

第一篇现代光测力学技术 1
第一章光学基础知识2
1.1光波2
1.2光波的共线干涉3
1.3光程差和干涉仪的基本结构4
1.4干涉条纹6
1.5双光束斜射干涉条纹特征7
1.6光的衍射8
1.7光的偏振9
1.8双折射11
1.9凸透镜12
1.10激光12
1.11激光散斑13
第二章全息及数字全息干涉技术16
2.1引言16
2.2光学全息图记录与重现16
2.3数字全息图的重现方法19
2.4全息干涉与位移测量21 

3.2牛顿条纹的形成25
3.3牛顿条纹法的测量装置26
3.4应用测试27 

第四章迈克尔逊干涉仪与离面变形的测量29
4.1迈克尔逊和他的实验29
4.2迈克尔逊干涉仪29
4.3测量离面变形的激光散斑干涉装置31
第五章剪切散斑干涉技术35
5.1剪切与光学剪切实现方法35
5.1.1基于迈克尔逊干涉光路的剪切散斑图干涉方法36
5.1.2基于光楔剪切成像的剪切散斑图干涉方法37
5.1.3基于沃拉斯顿棱镜剪切成像的剪切散斑图干涉方法38
5.2剪切散斑图干涉条纹的形成原理39
5.3剪切散斑图干涉技术应用简介41 

第六章云纹干涉与散斑图干涉技术——面内变形的测量44
6.1衍射光栅44
6.2云纹干涉法测量面内位移46
6.3基于散斑图干涉方法的面内位移测量50

 第七章激光多普勒干涉技术与振动测量52
7.1多普勒频移理论52
7.2光学多普勒频移的测量54
7.3运动方向的确定56
7.4振动模态的散斑图干涉测量技术60

 第八章光学非干涉测量(一)——几何云纹法65
8.1几何云纹的形成65
8.2平面几何云纹条纹与面内变形的关系67
8.2.1纯拉压变形67
8.2.2纯剪切变形69
8.2.3平面应变的测量与分析70
8.3影栅云纹法与离面变形及三维形貌测量74
8.4栅线投影三维形貌测量方法77
8.5投影栅条纹相位的解调79
8.6栅线投影系统的标定方法82
8.6.1基于两平面的等相位坐标法82
8.6.2横向标定原理85 

第九章光学非干涉测量(二)——数字图像相关方法86
9.1平面二维变形测量原理87
9.2相关搜索88
9.2.1粗细搜索法89
9.2.2十字搜索法89
9.2.3牛顿拉斐逊迭代搜索法89
9.3亚像素插值90
9.3.1亚像素灰度插值91
9.3.2相关系数的亚像素曲面拟合、插值92
9.3.3基于梯度的亚像素位移算法93
9.4数字图像相关测量散斑制备要点94
9.5二维图像相关测量技术的应用94
9.6基于双相机的三维图像相关测量技术99
9.6.1双目立体视觉原理99
9.6.2双目立体视觉成像模型100
9.6.3双目立体视觉成像系统标定101
第二篇光测力学中的图像处理技术 

第十章图像处理技术基础106
10.1图像处理概述107
10.2数字图像的获取107
10.3数字图像处理方法107
10.4图像处理中的正交变换——离散傅里叶变换109
10.5图像增强111
10.5.1基于空间域的图像增强方法111
10.5.2基于频域的图像增强114 

第十一章条纹图条纹相位的解调技术115
11.1相移技术115
11.2相移技术实现方法117
11.2.1时间相移技术117
11.2.2空间相移技术121
11.2.3载波调制条纹的相位解调122
11.3单幅载波调制条纹的傅里叶变换解调相位123
11.4不连续体表面形貌测量问题中的相位解调125
11.5条纹正则化处理技术127
11.5.1统计滤波127
11.5.2条纹图的条纹方位场和方向场的估计与调整129
11.5.3条纹空间频率场的估计与调整130
11.5.4应用实例130
11.6相位“去包裹”技术133
11.6.1空域相位解包裹算法133
11.6.2时域相位解包裹算法134
11.7数字采样云纹法136
11.7.1基本原理136
11.7.2误差分析138
11.7.3误差补偿139
11.7.4补偿方法142

 第十二章光测力学图像处理软件平台144
12.1跨平台图像处理程序——UU144
12.1.1图像采集模块的功能与使用方法145
12.1.2图像导入与批处理操作功能148
12.1.3图像处理模块151
12.1.4光测控制与图像处理模块154
12.1.5图形与文本工具157
12.1.6多字节图像的导入158
12.2跨平台数值数据渲染程序——Fig159
12.2.1图形的融合159
12.2.2直方图图形显示160
12.2.3平面曲线图形显示162
12.2.4三维基本图形元素图的绘制163
12.2.5二维、三维图形的渲染164
12.2.6立体图形的渲染166
12.2.7程序Fig自定义文件格式167 

致谢173