视觉结构的不确定性（通用11篇）
视觉结构的不确定性 篇1
轿车品牌的标志集中体现了该产业的内在文化以及独特的身份。轿车的品牌标志设计一般分为五种，(1)以英文名首个字母作为标志，如本田轿车的标志就是英文大写字母“H”。(2)以英文名称的缩写作为标志，如德国大众汽车的标志“VW”。(3)以品牌英文全称作为标志，如韩国起亚轿车的标志“KIA”。(4)以象征物作为标志，如德国轿车捷豹的“美洲豹”。(5)以抽象图形作为标志，如奥迪轿车的标志是四个相扣的圆圈；奔驰轿车的标志是圆环内的三叉星。设计全部采用稳定性的“形”的形象呈现，“形”既是一个实体的形容，也是具有意义的结构，更是能够被认知的一种图式或符号。个体对形的视觉获取是一个进化的过程，原初对自然形的辨认到后来归纳成几何形体的意识都属于物种自身选择机制的一种自发行为。
个体的某种选择机制一旦具有遗传的性质，这种机制就属于物种的本能。物种的视觉系统经历了刺激物的“被吸引”和个体“自行控制”的进化，使得物种从被动接受过渡到主动选择的完善机制升级，而物种对刺激物的注视行为是由本能性反应与有意识的反应所决定。“本能”随时指导着视觉将感兴趣的审视物置于最佳的敏感范围之中，只要目光偏离中心视轴大约十度，视觉的敏锐度就会下降，这是视网膜感受的弱点所在，因此眼睛在注视物象时必须使物象孤立地突现出来成为视域的中心部位与唯一受关注的“主角”。对于被观测的物象而言，能被受众眼睛所注视是具备了区别于周围事物的形象、色彩、明度等的差别。因此，形象、色彩与明度的差异使得视觉表象得以经过眼睛而有所作为，而这种作为往往最初是由刺激物所驾驭，如物象的轮廓线使得该物象区别于其他物象得以存在。另外，形象的独特性设计、具象造型的借用、抽象符号的再组合等都具有引导关注的因子。除了对图像造形的界定，眼睛还具有区分不同亮度与彩度的功能，即使是简单的线描，也由于笔迹与纸张的亮度与彩度的区别令形体得以凸现而得到确认。
就形像自身而言，它所具有的区分能力比颜色所具有的区分能力要强的多，这是因为相比于颜色，形像具有更活跃的质性差别的缘故，而且形象的边缘形状所具有区分性的特征，在任何场合都具有相当的稳定性。[1]也就是说，“形”比色彩具有更加让人信服的恒常性。物体的形状虽然会由于光线的照射而产生投影，但不管投影如何改变，“形”本身是不会发生任何质性的变化，观者会根据一些形体有限的信息将物体确认出来。而且，形体的稳定性也不会由于所处环境的亮度和色彩的改变而发生变异，虽然形体的局部颜色会受到干扰。德国奥迪轿车的标志是四个相扣的圆环，代表奥迪、小奇迹、霍希和漫游者四个合并的汽车联盟公司。这四个相扣的圆环以其坚固的稳定性与完满性呈现，不管所处背景以及环境颜色、光线如何变异，依然无法抹灭受众对四个圆环的视觉获取。
“形”之所以比颜色更具有稳定性是因为颜色的恒常性有着苛刻的前提条件，这种状态只局限于原色且所受光照恒定的情况下才成立，一旦光照改变，颜色的恒定性也会发生变化，这是由个体的视觉生理结构所决定。在强光的照射下，红色会显得特别明亮与诱人，这是因为视网膜上的锥状细胞此时处在非常活跃的工作状态之下，对于波长较长的颜色极为敏感，反应也最强烈；而在光线较弱的情况下，蓝色或绿色就会显得格外的真实与饱和，这也由于视网膜中的杆状细胞开始活跃于接受波长较短的颜色的结果。因此，在功能稳定性上，“形”要比颜色更具有可信度。而颜色所反射的光也会使得周围环境的物体产生变化，当出现这种由于反射光造成的对比发生变化时，观者的知觉恒常性也会相应发生改变。如将蓝色放在强烈的红色旁边时，蓝色就会呈现出绿色的倾向，这种情况显示了颜色极易受到环境色影响的易变介质，故而“真实颜色”实际上是一个“美丽的谎言”。有研究者做了一项儿童心理学方面的实验，实验结果证明三岁到六岁的儿童更为关注视觉所获取的直接印象，将具有视觉感染力的颜色作为主要选择对象的依据。但随着接受文化的教育与实验活动经验的增长，“形”所传递出更为可靠的信息已经影响其所作的选择，色彩的不稳定性经验或曾经经历色彩把握决策的不自信使其更为相信“形”的实力。这也是许多品牌轿车在生产不同系列的产品时，标志会随着车身的颜色有所变化，但标志的“形”却依然如故。
颜色在言语表述的范围还较“形”更为“宽广”，听者对于颜色名称的认定是明确的，但对颜色词所表示的颜色却持不同的意见，这是因为任意一种颜色的名称都包含着很多种的颜色，具有较为宽泛的维度，在视觉没有直接获取该颜色的情况下仅仅通过言语性的词汇陈述，听者是很难准确对应该颜色词所表示的真正颜色。我们知道颜色在光谱中的波长并非是一个“点”的呈现，而是以一“段”的长度被视觉获取，因而对这一“段”颜色的描述就产生了维度上的差别，如红色在光谱上的波长是660nm———670nm，从660nm这一点反映在视觉上与670nm这一点在红色的明度上或饱和度上是有差别的，也就决定了文字语言表述颜色是具有宽泛性。对一辆红色轿车的颜色定位可以在红色的维度之间提供四五种颜色的选择，但对“标致”轿车的明示却都会集中在一头狮子的形象之中，因为这就是“形”作为品牌标识的作用。有资料显示学龄儿童对标致（狮子）、捷豹（美洲豹）、兰博基尼（牛）、法拉利（马）等轿车的标志记忆最为清晰。而一般大众对轿车的标致识别除了个人喜好的主观原因之外，主要是以标志设计得简洁明快，形体具有引导视觉诱因的标志为主，如丰田的三个椭圆，本田的大写英文字母“H”，现代的大写英文字母“N”，奔驰的三叉星，大众的“VW”，奥迪的四个相扣的圆环，别克的盾牌等。这些轿车的标志都以独特的形象构成，简洁大方的视觉宽度获得市场的认可。但是要清晰的是，颜色的辅助功效也是加强这种市场视觉接受度的有力保证。
由于个体的色彩经验与情绪相关，色彩的出现会直接引起观者知觉的反应并产生情绪的波动。[2]所以，色彩对于视知觉而言，情绪的涌动是自发与直接的。相反，个体对形体的知觉则需要采取积极的态度，因为对形体的知觉过程实际上就是一种概念的形成过程，是对刺激物中的结构特征的把握，或者将某种结构特征强加在这一刺激物上面，[3]努力捕捉形体与某种已有的知觉经验“组织”成的形状相一致。对未知形体的审视时，个体必须仔细而且冷静，在对形体的基本结构框架做总体把握的基础上，以经验当中相对较为简约形状的模态或样式（视觉概念）[4]将各个部分加以联系综合，最后才形成一个整体的观感，此时才可以称得上对该形体真正的知觉，这也是由于形体的复杂程度相对于色彩更具有探索性。德国奔驰轿车的标志是一个三叉星外套一个圆环的图形，图形内的三个尖充满了冲突性与刺激性。三叉星以三个尖锐的尖角开放性指向三个方向，由于每一个星形都呈现出尖刺般的锋利，给与观者一种干练而寒冷的视觉冲击。在三叉星外加上一个圆圈，使得这种挑战观者视觉刺激的系数有所降低，三叉星的三个尖由于被这一个圆圈包裹，其锋芒得到了有效抑制，尖形所产生攻击性的心理冲撞感被这一具有关怀式的保护圈有所抵消，但是尽管如此，圈内三叉星的攻击性图像性格依然显得咄咄逼人，其图形的视觉印象正如奔驰轿车的质量一样牢牢刻在观者的脑海之中。
形体一般都是具有三维空间的现实体，对三维空间的把握与解读需要在结构上切入与分析，这需要技巧和才智，脑的想象与手的触摸有时必须同时使用才能奏效，比例的判断力和几何意识的才能都在这种揣摩的过程中得到扩展。如果说奔驰轿车的标志图形是以极具尖锐的攻击性使观者产生一种视觉强迫式印记的话，那么日本丰田轿车的标志则完全是以一种别样的视觉宽容征服大众，三个椭圆形的有机重叠使得这一标志深入人心。椭圆是丰田轿车标志的核心图形，由三个椭圆组成的左右对称构成丰田轿车标志雍容大度的视觉印记，三个椭圆形的有机组合产生了一种视觉的立体感与错觉感。两个一大一小的横向椭圆由于重叠了一条边线，在视觉上出现了类是汉代陶罐般的浑厚体积感；而中间竖形椭圆的两个端点由于处在大椭圆的中间并与大椭圆的边线相接，竖形的椭圆两条边总在观看其中一条边时产生前后空间的距离错觉。两个大小相等的椭圆组合在一起代表丰田公司的第一个英文字母“T”。纯正的圆形虽然具有充盈感，但由于边线弧度的一致总会呈现一种二维平面，而丰田公司将椭圆作为公司标志的核心图形，并以巧妙的重组，使得三个视觉性格一样的椭圆产生一种轻松、宽容的心理定势。
另外，相对于抽象的图形，人们更愿意获取具有具象特征的形象。而且在个体的视网膜投影中，物体的投射形象既取决于其对象本身，也取决于该对象所处的外部环境，而外部环境的选择主体就是观者自己。物体与环境在知觉中可以被分开关注是由于环境与物体本身都作为一个完整的有机整体而存在。因此，如果物体的颜色与环境的颜色并不相同而当物体自身又具有一个可以被理解与把握的形状时，该形状才能与所处的环境区别开。如果物体自身的形状与组织结构越不清晰，则在知觉中就越难被分离开来。形体具有可被把握性与有组织的结构体，而色彩恰恰不具备这种性质，尽管色彩有时会以鲜艳的“身份”登场。当具有具体形状的形体处在一种虚空的状态之下时，形状就成为了一种“恒常不变”的恒定体，视网膜上所获取的投影将会单纯得只剩下一个剪影，所有物体身上的“粘黏物”（色彩、明度，亮度、大小等）都会被这剪影所取代，外形所延伸的迁想就成为一种关键的依托。英国名车捷豹的标志正是运用具有象征性的“美洲豹”这一造型完美地展现了国际品牌轿车的魅力。正跳跃前扑的“美洲豹”造型矫健勇猛，从豹头一直延伸到豹尾呈现出极为畅顺的“流线型”，极佳地将美洲豹向前飞跃的瞬间定格。直接引用美洲豹形象作为标志的策略直接屏蔽了受众的视觉障碍，轻易地诱导出观者对“美洲豹”这一凶猛形象的记忆。该产品的性能与质量很容易就迁想到这种动物的其他一些特性，如迅猛、快捷、果断、珍贵等，这种利用已有的知识在强调图形的基本位置（美洲豹从静止到飞跃的偏离）时产生级数上升的作用。美洲豹在捕取猎物前的注视潜伏状态，然后在觅的最佳时机时那瞬间跃向猎物的一刹……如同电影荧幕般在观者的脑海中自觉形成。美洲豹这种动物的潜在“品性”都会以抽象的概念加强了“捷豹”这一款产品的迁想延伸，这是记忆痕迹与特定的知觉之间的关系得到相连而强化的最佳结果。
“形”在视觉印记中的稳定性对产品的市场推广具有不可比喻的优越性，但是也要明确的是，作为品牌标志的设计以及对“形”相关价值的利用不可过度与重复，必须观照观者的视觉特点与习惯，在“形”的利用与组合上以易于把握特征为主。如同是英国名车的宾利、迷你、阿斯顿马丁三款轿车，其标志的外形都是以展开的翅膀作为“形”的外观标识特征，在图像确认心理对应上就容易出现一种重复的混乱。尽管这三款轿车都属于名车系列，但相近的标志识别使得“展翅”成为视觉最先的导入信息，然后才是文字、符号的介入，在视觉识别上的障碍是显而易见的，虽然这并不影响这些品牌的市场高端性。
摘要：个体的视觉机制对外界的物象获取具有明显的选择性,外界物象的各种性质都会被视觉经过分析、选择之后作为识别物象的身份被保存在记忆中,而作为最具稳定性的视觉效益“形”是个体最先获取的外界信息。轿车的标志是受众对轿车产品的标识性印象,也是轿车企业身份抽象转化的结果。轿车标志内涵丰富,图形易识,视觉形象具有广泛的市场辐射等特点,在设计上都是采用具体的文字、图形作为标识,因此对轿车标志的解读将有利于对视觉“形”在市场传播中稳定性的探究与推广。
关键词：形,标志,视觉,设计,稳定性
参考文献
[1]鲁道夫.阿恩海姆.艺术与视知觉(新篇)[M].孟沛欣译.长沙:湖南美术出版社,2008:273.
[2]从生理学的角度分析得知,波长较长的红色对个体交感神经的刺激强于副交感神经,而交感神经对心脏的刺激又强于对其它脏腑的刺激,从而使得心脏对交感神经产生强烈的反应,这就是红色引起心跳加快等生理发应的原因;而波长较短的绿色对副交感神经的刺激也是同样的道理。
[3][美]鲁道夫.阿恩海姆.视觉思维—审美直觉心理学[M].滕守尧译.成都:四川人民出版社,1998:35.
[4]被个体知觉到的形体模式只有具有了两种性质才能成为视觉概念,1.必须具有普遍性。每个知觉对象都指向某一类模式,或只有一种物体适合于这种模式,又或者有无数物体与之相适合。2.具有容易认识性。在知觉对象与概念之间并没有什么原则上的区别。[美]鲁道夫.阿恩海姆.视觉思维—审美直觉心理学[M].滕守尧译.成都:四川人民出版社,1998:37.
现代视觉艺术设计中的结构与形式 篇2
随着信息化时代的不断发展，现代视觉艺术在设计过程中也随之发展，信息技术使人们之间的交流愈发的频繁，同时也使人们的审美观念在不断的改变和提高。人们往往都会被美丽的事物吸引，在现代视觉艺术设计中，能够吸引人们眼球的核心因素就是艺术设计所表达的形式，而这种形式就存在于视觉艺术的组织结构中，对于视觉艺术的组织结构和形式美感，只有在长期的审美活动中不断领悟，才能体会两者之间的存在关系，不论你是创造者还是观赏者。
研究视觉艺术设计中形式和结构的必要性
如今，有多种多样的形式来表达视觉艺术设计。形式属于一种外在表现，主要通过内在结构这项主体表现出来，想要将形式最具美感的表现出来，就要设计最具有创造力的结构，这种美感如同优雅音乐带来的快感一样，能够使观者感受到精神的共鸣。它也构建于视觉艺术形式本身的微妙关系中，这种关系就体现为形式与结构之间的一种存在关系。
世界上的事物都有属于自身的结构，而多元化的结构影响着事物存在的形式。除此之外，视觉艺术作品的结构中也存在着多种多样创造独特的形式。在视觉艺术中，每个角落都分布着结构和形式，是相当重要的一部分，同时，它可以在瞬间提供给我们外在的形式美感。这种外在的形式美感来源于人类寻求美的思想，注入视觉艺术设计的内在结构之中，在作品中形成了一种独特的意义空间。自然界中形形色色的结构给了人们无限的创造灵感和启示，它使我们超越普通的物质法则，进入智慧和灵性的世界，甚至可以脱离外在的视觉对象，形成独立的审美体系。感受一种美的过程，实际上也就是将艺术的进程与形式的创造同步探寻一种结构形式，徘徊于外形之上的感觉将表现形式的结构确立，然后从形式中放射出生命力。如果说意念是视觉艺术中的内容，内容又借助形式而表现出来，那么形式就存在于结构之中。
现代视觉艺术设计中的形式
1.“形式”的内涵
形式的涵义就是通过艺术形象这种传达方式形成的外在形态，是指事物存在的具体方式的内容的要素组织、结构和表现形态。“形式”最宽泛的意义是任何特定事物的所有感知特点的结合，是多种可视因素的外结构。一件艺术作品的价值尺度往往由艺术形式来衡量。“艺术的形式说”认为，艺术本质的特征就在于它特殊的形式。形式是载体，唯有形式，才使艺术成其为艺术。形式的美感是视觉艺术设计作品的生命，结构承载了设计元素所表现的各种形式。
2.审美感觉源于形式
视觉艺术设计中的表现形式是大小、形状以及其他构成该作品的部分的组合，它使作品在其所在的空间中存在。从视觉传达的角度来看，形式必须依附于内在结构表现出来，形式绝非形状本身的简单描述，而是存在着视觉力场，在创造性的设计中才可能被呈现出来。克莱夫·贝尔指出：“线条、色彩以某种特殊方式组成某种形式或形式间的关系，激起我们的审美感情。这种线、色的关系和组合，这些审美的、感人的形式，我称之为有意味的形式。形式是引起观赏者审美感觉的主要因素，它积淀了社会内容的自然形式美的规律。
现代视觉艺术设计中结构与形式的关系
1.形式存在于结构之中
视觉艺术的本质是最大限度地张扬视觉力量。美在于形式，在视觉形式的探索中，充满了生命与激情。形式只有在其以最佳状态展现时，才能在一瞬间产生强烈的视觉，这也是设计家追求的目标。视觉艺术的传达效果由依附于作品内在结构的外在形式来显现。结构则是作品的灵魂所在，形式是作品的躯体，形式依赖于结构存在，结构依赖于形式表现，两者是一种依附关系。视觉艺术中的形式与结构不是独立存在的，二者相互依从，如果作品的组织结构发生了改变，其形式也将受到影响。
2.形式与结构是辩证统一的
视觉效果及其内在结构是视觉设计作品的支柱，表现形式依附于作品的内在结构。结构与形式是统一的，不可分割的，没有无结构的形式，也不存在无形式的结构。视觉艺术作品的传达效果是通过完美的艺术形式表现出来的，作品本身的完整性与审美价值取决于视觉艺术的形式与结构。如同生活中穿衣打扮，只有衣冠得体才会显得和谐大方、美丽动人，才能被他人更好地了解。视觉艺术设计中形式与结构的内在关系为我们更好地理解视觉艺术设计提供了理论依据。
结语
视觉艺术设计中的创意具有一种神奇的功能，它能够使形式与结构有效地融合，创造和谐之美，同时超越平面无限延展，在二维空间形式的创造上实现视觉艺术所追求的理想效果。视觉艺术设计中形式与结构的完美结合，能够引发人们对世界万物的兴趣，更新他们感受社会的方式，提升他们对视觉艺术的兴致，甚至能促使他们用惊奇的眼光去看待艺术，用诗人的情怀去感受视觉艺术。因此，我们在视觉艺术设计中，在强调结构意识的同时更要追求全新的表现形式，而这种全新的表现形式必然存在于多维度视觉艺术的结构之中。正确把握存在于结构之中的形式关系，有助于拓展我们的形式系统知识，发掘视觉艺术设计在信息化时代的新的表达语言和设计样式。
（成都纺织高等专科学校）
视觉结构的不确定性 篇3
1.1 检定依据:
JJG920-1996《漫透射视觉密度计检定规程》。
1.2 环境要求:
温度 (10~30) ℃;相对湿度 (20-80) %;无强光直接照射的条件下进行检定。
1.3 测量原理:
漫透射视觉密度计用于电影胶片洗印、感光胶片、印刷制版、工业探伤、医疗卫生、劳动保护等行业进行光学密度测量的计量仪器。光学透射密度被定义为透射比T倒数的常用对数, 即:
式中T为透过试样的光通量Φt, 与孔径通量Φj之比:
将式 (2) 代入式 (1) 得:
式中DT———光学透射密度, 单位为1。
光源发出的光经过光学部件后, 经规定模式透射到标准密度片上, 探测器以规定的模式接收透过该标准密度片的光, 经光电转换并按照密度定义或规定校准方法进行信号处理, 即可得到相应的密度值。
1.4 计量标准:
21级标准黑白密度片, 光学密度测量范围 (0.05~4.00)
1.5 被测对象
1.6 测量方法:
采用标准密度片测量法, 即用密度值为2.0左右的标准密度片校准密度计后, 测量标准密度片的各级密度值, 将测量的平均值与标准密度片的标准值之间的偏差比较, 即可得出该仪器的示值误差。影响测量不确定度的因素主要有标准密度片的不确定度、测量的重复性、零点漂移、稳定性和密度计的分辨力。
2 数学模型
式中:ΔDi———被检漫透射视觉密度计的示值误差;———漫透射视觉密度计测量结果的平均密度值;Dis———标准黑白密度片的密度值。
3 不确定度传播率
4 标准不确定度评定
4.1 标准密度片的不确定度u1的评定 (属B类评定) 。
从黑白密度片的检定规程中可查到, 标准密度片的标准不确定度为
4.2 测量重复性引入的不确定度u2评定 (属A类评定) 。
密度计经密度值为2.0左右的标准密度片校准后, 对该点密度值连续测量10次, 利用贝塞尔公式进行数据处理即可得测量重复性。检测数据如下:
在实际测量中, 每级密度值一般测量三次, 取平均值作为测量结果, 所以, 测量重复性引入的标准不确定度分量为:
4.3 在正常工作状态下, 漫透射视觉密度计的零点漂移引入的不确定度u3 (属B类评定) 。
漫透射视觉密度计的零点漂移最大估算绝对值为0.01, 则不确定度区间半宽为0.005, 按均匀分布, 即:
4.4 在正常工作状态下, 漫透射视觉密度计的稳定性引入的不确定度u4 (属B类评定) 。
漫透射视觉密度计的稳定性最大估算绝对值为0.01, 则不确定度区间半宽为0.005, 按均匀分布, 即:
4.5 漫透射视觉密度计的分辨力引入的不确定度u5 (属B类评定) 。
当漫透射视觉密度计的分辨力为0.01时, 则不确定度区间半宽为0.005, 按均匀分布;即:
当漫透射视觉密度计的分辨力为0.001时, 则不确定度区间半宽为0.0005, 按均匀分布;即:
5 合成标准不确定度
5.1 主要标准不确定度汇总情况, 见表3。
5.2 合成标准不确定度计算。
以上各项标准不确定度分量是互不相关的, 所以合成标准不确定度为:
6 扩展不确定度计算
取包含因子k=2, 置信概率为95%, 则:U=k×uc (y) , 可得表5。
7 测量结果的扩展不确定度报告表述形式
当工作漫透射视觉密度计分辨力为0.01时, 示值误差测量结果的扩展不确定度为
当工作漫透射视觉密度计分辨力为0.001时, 示值误差测量结果的扩展不确定度为U=0.018, (k=2) (0.00<D≤2.0) ;U=0.022, (k=2) (2.0<D≤4.0) 。
摘要：影响漫透射视觉密度计测量不确定度的因素主要有标准密度片的不确定度、测量的重复性、零点漂移、稳定性和密度计的分辨力。分别对分辨力为0.01和0.001的漫透射视觉密度计, 示值误差测量结果的扩展不确定度进行了评定, 同时, 给出了测量结果不确定度报告的表述形式。
关键词：漫透射,视觉密度,不确定度
参考文献
[1]唐敏然, 何欣.漫透射视觉密度计示值误差的测量结果不确定度评定[J].计量与测试技术, 2006 (03) .
[2]熊利民, 陈锐, 薛丰.漫透射视觉密度基准中光路调试的数值计算[J].现代计量测试, 2001 (03) .
视觉结构的不确定性 篇4
对线性结构中的不确定性参数用区间表示,提出用区间逐步离散法求解结构动力响应.即将不确定性参数取区间离散点的值,将区间动力方程的求解转化为相应确定性问题,再搜索方程解中的.最大和最小值来确定结构动力响应的边界.用算例对此法进行了验证.
作 者：戎瑞亚 吴国荣 何锃 RONG Rui-ya WU Guo-rong HE Zeng 作者单位：戎瑞亚,吴国荣,RONG Rui-ya,WU Guo-rong(浙江海洋学院,船舶与建筑学院,舟山,316004)
何锃,HE Zeng(华中科技大学,土木工程与力学学院,武汉,430074)
刊 名：噪声与振动控制 ISTIC PKU英文刊名：NOISE AND VIBRATION CONTROL 年，卷(期)： 27(6) 分类号：O242 TB12 关键词：振动与波 不确定结构 动力响应 区间分析 逐步离散
视觉结构的不确定性 篇5
摘要： 揭示结构参数不确定性对桥梁结构动力特性的影响机制具有重要意义，比如可为桥梁抗震抗风设计、动力特性优化设计等提供指导。全局灵敏度分析用于桥梁结构动力特性不确定性研究时，它能定量单个不确定参数作用以及参数间相互作用对桥梁结构动力特性的影响，据此可全面地评价不确定参数的重要性。但是全局灵敏度分析具有高计算花费的不足，高计算成本这一瓶颈无法突破必然导致它在桥梁结构动力不确定性应用中受阻。发展了基于高斯过程模型的全局灵敏度分析的解析方法，旨在用来快速有效地完成桥梁结构动力特性不确定性的灵敏度分析。关键词： 桥梁结构； 结构动力特性； 全局灵敏度分析； 不确定性； 高斯过程模型
中图分类号： U441文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2016）03-0429-07
DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.008
引言
桥梁结构的动力特性非常重要，因为它与桥梁结构的功能性和安全性密切联系。桥梁结构的动力特性（如频率、振型等）主要取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支撑条件等因素，对于桥梁结构的抗震抗风设计、人致振动分析等均有重要意义。桥梁结构抗震抗风设计中应用较为广泛的反应谱法需要根据桥梁结构动力特性进行抗震抗风设计，对桥梁结构动力特性的认识不足必然导致桥梁结构抗震抗风设计的不合理。结构动力特性在人行桥的结构设计中同样扮演着重要的角色，人行桥设计应尽量避免结构的自振频率落在行人步频范围之中，以防止人致振动导致结构破坏[1]。可见，正确认识桥梁结构动力特性对于保障桥梁结构的安全性和耐久性有着重要意义。
桥梁结构参数不确定性不可避免地存在着，引起桥梁结构参数不确定性的因素很多，比如桥梁结构构件的加工容差、装配磨损等；桥梁结构服役过程中的老化损伤、环境侵蚀、温度波动等；桥梁结构参数自身固有的随机性。结构参数不确定性必然会导致桥梁结构的动力特性具有不确定性，这可以从测试到的桥梁结构变化的动力响应得到有力的验证。全局灵敏度分析是量化不确定参数对桥梁结构动力特性的影响的有效手段，全局灵敏度分析结果有助于揭示参数不确定性影响桥梁结构动力特性的机理，可为桥梁结构动力特性设计等工作提供科学依据。
全局灵敏度分析已经在工程领域得到广泛应用，比如非线性系统隔震[2]、结构可靠度分析[3]、有限元模型修正参数选择[47]等。全局灵敏度分析存在高昂计算花费的不足，因为常用的MCS（Monte Carlo simulation）方法需要大量的模型计算。当全局灵敏度分析用于结构形式复杂、尺寸大的复杂桥梁结构时，计算工作量大的不足表现尤为突出。降低全局灵敏度分析计算花费的途径有替代模型技术，比如高斯过程模型[47]。万华平等人[7]探讨了LHS（Latin hypercube sampling）抽样、Halton序列和Sobol序列3种空间采样方法用于全局灵敏度分析的计算效率，得出Sobol序列更具优势。诚然，高斯过程替代模型技术结合基于高效的采样方法的MCS方法有效降低了全局灵敏度分析的计算成本，但不可否认的是，在替代模型的基础上发展全局灵敏度分析的解析方法将会进一步降低计算成本。本文在高斯过程模型框架下，发展全局灵敏度分析的解析方法，用来快速有效地完成桥梁结构动力特性不确定性的灵敏度分析。
本文提出基于高斯过程模型的全局灵敏度分析的解析方法，用此方法分析桥梁结构动力特性不确定性的灵敏度。常用的测试函数B函数用来验证该解析方法的可行性，结果表明本文的解析方法的计算结果非常可靠。然后，基于高斯过程模型的全局灵敏度分析的解析方法用于北川河桥的频率不确定性的灵敏度分析，根据全局灵敏度分析结果，可准确地评估各不确定参数对各阶频率的重要性。本文提出的解析方法解决了全局灵敏度分析在复杂桥梁结构动力特性不确定性的灵敏度分析应用中的高计算花费难题，实现快速有效地完成复杂桥梁结构动力特性不确定性的灵敏度分析的目的。
需要指出的是，本文提出的基于高斯过程模型的全局灵敏度分析的解析方法适用于随机参数服从均匀分布的情况，如何将其适用性拓展到其他任意概率分布（比如对数正态分布、伽马分布等）有待于深入研究。
参考文献：
[1]陈政清，华旭刚. 人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社，2009.
Chen Z Q， Hua X G. Vibration and Dynamic Design of Footbridges[M]. Beijing： China Communications Press， 2009.
[2]于德介，李睿. Sobol法在非线性隔振系统灵敏度分析中的应用研究[J]. 振动工程学报， 2004， 17（2）：210—213.
Yu D J， Li R. Application of Sobol method to sensitivity analysis of a nonlinear passive vibration isolators[J]. Journal of Vibration Engineering， 2004， 17（2）： 210—213.
[3]Wang P， Lu Z Z， Tang Z C. An application of the Kriging method in global sensitivity analysis with parameter uncertainty[J]. Applied Mathematical Modelling， 2013， 37（9）：6543—6555.
[4]Wan H P， Ren W X. Parameter selection in finiteelementmodel updating by global sensitivity analysis using Gaussian process metamodel[J]. Journal of Structural Engineering， 2015， 141（6）：04014164.
[5]Wan H P， Ren W X. A residualbased Gaussian process model framework for finite element model updating[J]. Computers & Structures， 2015， 156：149—159.
[6]Wan H P， Ren W X. Stochastic model updating utilizing Bayesian approach and Gaussian process model[J]. Mechanical Systems and Signal Processing， 2016，7071：245—268.
[7]万华平，任伟新，王宁波. 高斯过程模型的全局灵敏度分析的参数选择及采样方法[J]. 振动工程学报， 2015， 28（5）：1—7.
Wan H P， Ren W X， Wang N B. A Gaussian process model based global sensitivity analysis approach for parameter selection and sampling methods[J]. Journal of Vibration Engineering， 2015， 28（5）：1—7.
[8]Wan H P， Mao Z， Todd M D， et al. Analytical uncertainty quantification for modal frequencies with structural parameter uncertainty using a Gaussian process metamodel[J]. Engineering Structures， 2014， 75：577—589.
[9]Rasmussen C E， Williams C K I. Gaussian Processes for Machine Learning[M]. MIT Press，2006.
[10]Efron B， Stein C. The Jackknife estimate of variance[J]. The Annals of Statistics， 1981， 9（3）：586—596.
[11]Sobol I M. Sensitivity estimates for nonlinear mathematical models[J]. Mathematical Modeling and Computational Experiment， 1993， 1（4）：407—414.
[12]Saltelli A， Andres T， Campolongo F， et al. Global Sensitivity Analysis： The Primer[M]. John Wiley & Sons， 2008.
形式主义的阐释结构之视觉概念 篇6
关键词：形式主义,阐释结构,视觉
海因里希·沃尔夫林, 著名的美学家和美术史家, 是形式主义美术史理论的重要代表人物, 他对艺术史的研究彻底转向了视觉形式的分析和描述, 企图以此揭示视觉艺术的内在发展规律。他认为艺术风格存在着个人风格、民族风格、时代风格等几种, 各种风格的产生是由于艺术家不同的气质造成的, 而个体艺术家又从属于大的专业流派、地域、民族、历史时期的风格。沃尔夫林认为这些艺术作品的精神内容, 是风格形成的重要因素, 但无论是个人的气质表现还是一个时代和民族的性情表现都未触及到艺术的本质, 不能解释为什么两个时代的艺术家通过不同的方式都创造了伟大的艺术。因此, 他找到体现了纯视觉的发展的自身无意义的纯形式因素作为艺术研究的起点。然而并非任何时候都存在一切可能性。视觉本身有自己的历史, 而揭示这些视觉层次应该被视为美术史的首要任务。”
沃尔夫林以文艺复兴和巴洛克艺术为主要研究对象, 归纳出五对包含着辩证关系的基本概念, 并把这四对概念系统地阐述为两种普遍的相互对立的视觉方式, 即这五对概念适用于视觉艺术的所有媒介, 每对概念又是两种视觉观察方式的两种历史。沃尔夫林通过四对概念的辩证发展过程建立起他的形式主义的阐释结构。
一、线描和图绘
线描和图绘, 或者可称为触觉和视觉。这对概念的代表人物是丢勒和伦勃朗, 同时它们还可以推广到不同时代的风格。这对概念体现了两种不同的视觉方式, 前者通过线条来观看事物, 后者通过块面来观看事物。“线描的视觉意味着首先在轮廓上寻找事物的感觉和事物的美———内部的各种形体也有其轮廓——意味着眼睛沿着边界流传并且沿着边缘摸索, 而在按块面观察时则注意力撤离了边缘”。线描风格中, 固体的、平静的、具有清晰轮廓的事物是它表现的对象, 持久的、可测量的、有限的形式是它表现的特点, 它充分体现了手依据物质世界的塑形内容摸索这个世界产生的触觉的效果;图绘风格中, 处于各种联系中的、边界轮廓模糊的事物是它表现的对象, 运动的、功能的形式是它表现的特点, 体现了眼睛对各种各样极不相同的纹理极为敏感的视觉效果。
二、平面和纵深
古典艺术把整个形式的各个部分归纳为连续的平面, 而巴洛克艺术轻视平面, 强调深度。在古典的线条风格中, 所有的线条都被束缚于平面上, 因此平面和线条密不可分, 线条和平面的风格保持一致, 以至于对古典平面的分解与贬低线条的过程是平行的。
在绘画中, 巴洛克绘画实现了由平面向纵深的转换, 当纵深能够呈现为运动的时候, 它表现得最为强烈, 这时“主要的东西是有纵深感的各种形状, 而不是这些形状左右之间的相互关系。甚至可以完全没有具体的对象, 然后新的艺术才真正得到承认, 这时画面要求观者把普遍的空间深度同时理解为一个统一的整体。”
三、封闭的和开放的
这对概念指的是两种不同的构图风格:封闭的形式将艺术作品处理成一个独立的统一体, 并处处引向自身, 古典艺术的构图是典型代表;开放的形式是自由的, 它指向本身之外, 以巴洛克艺术为代表。
古典绘画首先因具有明确的水平和垂直方向而表现出清晰性;其次它追求对称的构图, 使画面的两半部分达到清楚的平衡;再者物象与框架 (边线) 特定的空间关系使画面呈现出完整性, 即使不得不割断边缘, 画面看上去仍然是完整的。与此对立, 巴洛克绘画隐蔽水平和垂直方向的对立, 以便实现更生动的表达;它反对纯粹对称, 致力于一种不稳定的平衡, 常常用单侧夸大来弥补左右对称的构图;它尽力防止图画看上去受框架的制约, 虽不能完全回避对完整性的要求, “但是它避免图画空间和图画内容的任何明显的一致性。”
四、清晰性和模糊性
古典艺术展现了完美的清晰性的理想, 一切美都意味着形体的毫无遗漏的表现。而巴洛克艺术的美根本不存在于完全可理解的清晰性中, 它不再将主题的明确性作为唯一的目的, 用那些不能完全被理解的形体表现出模糊性。
古典绘画始终把描绘的清晰性作为指导原则, 所有妨碍清晰性的因素都应该被去除掉。在巴洛克绘画中构图、光和色彩不再只是服从于客观的清晰性的需要和用来确定形式, 而是具有它们自己的生命, 使艺术家能够表现偶然寻觅到的富有意味的东西, 这反映了一种截然不同于清晰表现客观内容的思想。当绝对的清晰性在一定程度上被抛弃时, 模糊性便作为一种包罗一切地再现方式创造了使各种形状看上去好像是某种在变化的、朦胧的美。
视觉结构的不确定性 篇7
随着制造技术的快速发展和制造领域的不断扩大,使得对制造产品的质量要求也越来越高。传统意义上很多对产品的检测方法已经不能适应现代制造业的要求。计算机视觉[1,2,3]检测技术具有操作、维护简单,测量速度快,精度高,测量范围广等众多无可比拟的优点,被认为是检测技术领域中最具有发展潜力的技术。机器视觉被称为自动化的眼睛,在国民经济、科学研究及国防建设上都有着广泛的应用。机器视觉不但可以实现无接触观测,还可以长时间保持精度,因此,机器视觉系统可以广泛应用于长时间的、恶劣的环境[4,5]。
在此探讨了线性结构光三维扫描系统的特点。设计一种能够测量物体深度的结构光三维扫描系统,通过图像处理技术对激光条纹进行提取,并建立数学模型,采用三角法测量方法获取深度信息,对工件图像进行重建。最后,实验结果验证了该系统的有效性。
1 基于机器视觉的结构光三维扫描系统模型
结构光测量[6,7]是将激光器发出的光束经过光学系统形成某种形式的光包括点单线多线单圆同心多圆、网格、十字交叉、灰度编码图案、颜色编码图案和随机纹理投影等投向景物,在景物上形成特定的图案,并通过图像处理,对图案进行提取,然后根据三角法进行计算,从而得到景物表面的深度信息。根据投射光图案的种类可分为单点法、单线法和图案法。
1.1 系统的硬件结构设计
如图1所示,文中所设计的结构光三维扫描系统由3大部分组成,分别是运动平台、激光器和摄像机。系统的运动平台由导轨丝杠机构成,丝杠上的滑块带动工件左右运动,丝杠由伺服马达驱动。摄像机垂直于导轨运动平面。激光器和摄像机与摄像机呈固定角度安装。激光器所射出的线形光斑垂直于工件的运动方向。激光器与摄像机的相对角度可以调节,调节范围由20°～45°之间。运动平台行程为100 mm,图像分辨率为0.2 mm/pixel。
1.2 系统的数学模型建立
系统的数学模型如图2所示。工件放置于运动平台上,摄像机垂直安装在运动平台正上方,激光与水平面的夹角θ,激光器产生一字的线性结构光,由于物体表面与运动平台的高度差,条形光斑同时照射在物体上的A处和平台的B处。用摄像机获得光斑的图像,经图像采集卡输入至计算机,经过图像处理,可以测量出点A与点B的距离d,根据三角法公式tanθ=H/d,可以通过光斑间距计算出工件的高度因此物坐标和像坐标对应关系为:
其中:xg,yg,zg分别为物坐标;k为像素-毫米转换系数;xi,yi分别为图像坐标。
2 结构光光斑提取的相关理论与方法
从系统的数学模型可知,物体的深度信息H主要受θ和d的影响,而θ主要表现为系统误差,因此,有必要对条纹间距d进行深入研究,以提高系统的精度。其主要包括:图像增强、图像二值化以及图像细化。
2.1 图像增强
图像增强主要增加图像的对比度,突出图像中的高频部分[8]。算法描述为:设原图像的灰度级为x,其最大和最小灰度级分别为xmax和xmin;期望图像灰度级的最大和最小值分别为ymax和ymin;则与原图像灰度级x相对应的期望灰度级:
若令:
可改写为:
式(3)是一个线性函数:参数a是函数的斜率;b是函数在y轴的截距;x表示输入图像的灰度;y表示输出图像的灰度。
2.2 图像二值化
这里所采用的256色的灰度图像,通过选取阈值t,将小于t的灰度全设为0,即黑色;将大于t的灰度全部设为255,即白色。这样,目标就从背景中独立出来。采用文献[9]提出的一种基于熵的自动阈值提取方法。一幅图像的直方图可以表示为:
式中:G表示灰度值的总和;g(h)表示图像灰度等级为h的像素个数。一幅具有[0,N-1]灰度值范围图像的直方图的熵可以表示为:
式(6)中,ta表示图像分割的阈值,则不同阈值范围内的熵可以表示为:
总熵可以表示为通过求解一组优化的阈值,可以使总熵达到最大。其中:L表示阈值的个数,a=0,1,…,L-1。
2.3 图像细化
图像的细化[10]是一个通过迭代去除目标图像上不影响连通性的轮廓象素点,以得到最终宽度为一个像素的图像骨架的过程。对被处理的图像进行细化有助于突出图像的形状特点和减少冗余的信息量。
3 实验结果与分析
3.1 系统标定
实验通过基于机器视觉结构光三维扫描系统获取扳手三维图像,为获得准确的三维图像,首先采用40 mm的标准块规进行测量,测量结果与误差如表1所示。图3为三维扫描系统的测量软件界面。
3.2 实验内容与步骤
用该系统获取准确的扳手图像信息如图4、图5所示。对所获取的信息进行图像增强、腐蚀和去除小颗粒滤波处理,再根据三角法测量原理测量计算出扳手的厚度。
对所获取的图像信息进行图像处理,首先对图像进行图像增强增加图像的对比度突出图像中的高频部分,如图6、图7所示。其次采用自动阈值技术对图像进行二值化处理,如图8所示。为了得到更清晰的图
像,采用相关的滤波器将小颗粒噪声去除,处理结果如图9所示。
3.3 实验数据
图10、图11给出了扳手手柄和钳口处的高度信息提取结果。通过对多处截面进行高度信息提取,可以重构处扳手的三维图像,如图12、图13所示。
3.4 结果分析
经过分析上述的测量数据,总体误差为4.47%。从实验测量结果来看,实现系统还有待进一步提高。影响其精度的主要原因如下:
(1)由于本系统采用的激光光斑比较粗,从一定程度上影响了精度。
(2)对激光光斑的提取算法性能不足,可进一步改进。
4 结语
这里就基于机器视觉结构光三维扫描系统进行深入的探讨和实验,具体包括以下3个方面:结构光光斑提取相关的图像处理的理论和方法,对系统所获取的原始图像进行图像增强、腐蚀和去除小颗粒滤波处理;基于机器视觉结构光三维扫描系统的架构。设计实验所用设备,确定三角法测量物体深度的数学模型;在工业检测中运用该系统进行实验,误差为4.47%,验证了该系统的有效性和精度要求
参考文献
[1]Marr D.Vision[M].San Francisco:Freeman Publisher,1982.
[2]David A Forsyth,Jean Ponce.Computer Vision:A ModernApproach[M].Beijing:Publishing House of Electronics In-dustry,2004.
[3]马颂德.计算机视觉[M].北京:北京大学出版社,1998.
[4]陈海东.机器视觉的快速匹配与识别定位方法及其在自动检测中的应用研究[D].广州:华南理工大学,1999.
[5]张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社,2005.
[6]Batlle J,Mouaddib E,Salvi J.Recent Progress in CodedStructured Light as a Technique to Solve the Correspon-dence Problem:A Survey[J].Pattern Recognition,1998,31(7):963-982.
[7]陈向荣,朱志刚,石定机.基于双外极线的结构光深度信息快速获取[J].清华大学学报,1998(Z1):99-102.
[8]章毓晋.图像处理和分析[M].北京:清华大学出版社,1999.
[9]吴冰,秦志远.自动确定图像二值化最佳阈值的新方法[J].测绘学院学报,2001,15(1):284-286.
视觉结构的不确定性 篇8
一、设计、阅读与视觉流程
平面设计的基础是人类的视觉生理和视觉心理, 作为平面设计之一的报纸版面设计, 其基本规则也是以此为基础的。视觉流程这一概念即是人类视觉生理和视觉心理在视觉活动中的具体体现。
首先需要澄清的一个问题是, 视觉流程是存在于人们阅读、观看等视觉活动的客观现象、内在规律, 而非设计过程中的程序、法则、规范。因为现代平面设计大量引入对受众视觉流程的研究与利用, 以至很多论者在探讨设计与视觉流程的关系的文章中, 直接将视觉流程纳入平面设计的属性之列。这其实是不科学不准确的, 我们最多只能说平面设计要遵循和利用视觉流程这一视觉活动原理。
空前激烈的市场竞争, 导致中国报业日益呈现出注意力经济的特征———作为消费者的受众越来越习惯于通过视觉冲击力的强弱, 来决定是否购买阅读报纸这一新闻产品。受此压力, 报纸的设计制作者当然也就越来越强调产品形象的打造。报纸版面即是报纸竞争白刃战的前哨阵地。作为版面设计者, 无论文字编辑还是美术编辑, 在版面的编排设计中都是以吸引受众注意力为总体指导思想。技术层面的区别在于, 文字编辑往往更“赤裸裸”地强调以大标题、大图片、大面积色块来吸引受众的视线, 而美术编辑则更多地希望通过版面整体美化来取悦于读者挑剔的目光。但是, 这只是问题的一个方面, 如果得不到受众的认可, 设计者煞费苦心的创意构想也只能落得主观的孤芳自赏。过度的“设计”甚至会使媒体陷入媚俗化、单一化、炒作化的误区。[2]其失败的原因, 很大程度上即源于对受众阅读心理、视觉流程把握的欠缺。
视觉流程是视觉活动的一种基本规律, 是指人的视觉在接受外界信息时具有某种程序性的流动。视觉流程普遍存在于人们的视觉活动中, 它既是一种视神经现象, 也反映了视觉活动主体的心理倾向。比如, 人们在观看欣赏时装表演时, 通常多数人会先注视模特, 然后才转为观察服装, 以至最优秀的服装设计大师也不得不聘用尽可能出色的模特。这一现象其实体现了人际间视觉活动的基本视觉流程:相貌—身材—肤色—服装—发型—饰品……因此, 无论是欣赏选美大赛还是日常生活中相互打量, 在以人为对象的视觉活动中, 大多数人其视觉流程的常规特征是没有什么不同的, 只是就某些个体的观察者而言, 这一程序会因为主观心理的强化而有所改变, 或者受到被观察者的装扮修饰的影响而打乱。从这个意义上讲, 化妆、着装、妆饰等自我修饰行为, 都具有调整视觉流程的客观作用, 并且, 通过这种调整, 修饰者可以达到引导或改变“观察重点”的目的。在原理上, 这与版面设计活动中编辑希望引导读者的阅读重点与路径是一致的, 只不过报纸的文字美术编辑要修饰并整合的对象是标题、图片、线条、色彩等版面视觉元素。
从视觉活动的对象分类而言, 阅读报纸版面时的视觉流程规律是从属于静态平面视觉活动对象这一大的范畴的。在视觉活动中, 平面对象与立体对象最重要的区别不在于维度的不同, 而是寻找结构重心时的路径差异;静态对象与动态对象的本质区别则体现为观察者视觉的主动选取与被动跟从。 (例如, 人们在阅读和观看报刊与影视时的视觉活动差异, 后者属于动态平面视觉活动对象)
因此, 在版面设计过程中, 设计者有必要把自己置身于受众的位置, 根据视觉流程的规律原理来编排处理众多的版面视觉元素, 这样才能更加有效地传递设计者的主观意图, 才能成为受众视觉逻辑的引导者。
二、版面结构重心与版面视觉中心
一个报纸版面是一个相对独立的视觉空间, 让这个空间里的各个元素都能引起受众的阅读兴趣, 常常是过去的版面编辑苦心经营的目标。现在的情况则有所不同, 虽然没有多少版面编辑敢于对简讯、边栏之类的弱小信息草率从事, 但是, 强化重点信息、强调整体效果已经成为版面设计的主流思想。毕竟, 无论从受众的阅读心理还是视觉流程的角度分析, 我们都难以找到支持读者引发对版面全面兴趣的理由。在这样的背景下, 版面结构的作用, 就是尽量合理地分割版面空间, 使其成为若干个相对独立的区域, 并且产生相互间的对比, 由此来提高版面的可阅读率。
时下关于版面结构 (版式) 的革新几乎已成为一种常态, 在美术总监、视觉总监日渐成为报社高层决策成员的背景下, 大胆创意构建自身报纸形象版面风格的举措屡见不鲜, 当然, 仍然有一部分党报还在数字时代尽量坚守传统。但是, 不论创新模式还是传统风范, 版面设计总是要有一定相对固定的式样的。爱因斯坦说:“美, 本质上终究是简单性。”[3]形形色色的版式, 其版面结构 (将几何平面内的不同元素巧妙整合的排列方式) 看上去虽然差别巨大, 实际上却有着许多共性, 最突出的一点是:所有版式都必须考虑安排合理的版面结构重心。报纸版面是一个几何平面, 本来没有物理意义上的重心, 但是各种版面元素的排列组合却分明造成了众多几何尺寸的强弱对比, 形成了各式各样的内部结构, 也就是说, 版面原本的几何中心被破坏、扭曲、湮没了, 由各版面元素集合而成的“新”版面的中心不再是矩形版芯的几何中心, 而是随着版面结构的不同而改变。这种改变左右着版面的平衡协调与否, 因此将一个版面的平衡核心位置称为结构重心更为准确。
笔者在此不是想具体分析各种版面结构, 而是要指出, 版面结构重心仅仅是设计者在考虑版面整体效果时的一个重要参照物, 是平面设计规则范畴的概念, 是关乎形式美的问题。与此同时, 设计者还会根据视觉吸引力的需要来编排版面元素, 从而生成版面视觉中心。视觉中心是关于读者的视觉活动规律范畴的概念, 是关乎注意力的问题。
人的视觉活动是有规律的。首先, 当某一视觉信息具有较强的刺激度时, 就容易为视觉所感知, 人的视线就会移动到这里, 成为有意识注意, 这是视觉流程的第一阶段。在有诸多具有较强刺激度的视觉信息的情况下, 人的视线总是最先对准刺激力强度最大的位置, 然后按照视觉物象各构成要素刺激度由强到弱流动, 形成一定的顺序。这个顺序的第一视线位置就是视觉中心 (视觉焦点) 。就报纸版面而言, 具有较强刺激度的视觉信息通常是标题、图片等几何尺寸较大、色彩较鲜艳的版面元素。不过, 视觉中心往往不是单个的版面元素, 而是由标题、图片、文章块、线条、色彩等版面元素集合构成的一个版面区域。现在非常流行的“看点”就是基于视觉中心原理发展而来的版面编排方式。据介绍, 美国报纸版面设计把视觉中心特称为“视觉震撼中心” (cebter fo r vis u al im p act) , 简称CVI, 它是能最先、最强烈吸引读者目光的版面区域。美国报纸常用“四最”的编排手法来打造CVI, 即把某一版面上最大的照片、最大的标题, 配上一篇最长的文章, 放在版面的最佳几何位置。[4]不管是视觉中心也好, “看点”也好, 还是“视觉震撼中心”, 设计好了这个视觉流程的首要环节, 整个版面的视觉吸引力就获得了最为主要的提升。
值得注意的是, 上述两个概念间存在相当的关联性, 设计者在考虑版面的整体结构与营造视觉中心时, 应当尽量地将两者有机结合在一起。
三、营造版面视觉美感与引导受众视觉流程
作为平面设计的基本要求, 设计要捕捉美感乃是毋庸置疑的。报纸版面设计是平面设计与新闻 (信息) 报道的交叉, 与普通平面设计强调创意、强调艺术不同, 报纸版面设计更强调凸显新闻报道内容本身。虽然如此, 随着时代的发展, 人们对报纸的要求已不再是简单的信息载体, 人们要求在获取信息的同时得到美的享受, 因此在版面设计中同样应当重视形式美。同时, 与强调视觉冲击相辅相成的是, 营造版面视觉美感本身也在起着愉悦受众视觉感受以获取受众认同的作用。
作为视觉文化兴盛和繁荣的象征, 近年来有一种很流行的说法, 称当代中国报刊正进入“读图时代”。笔者不就此观点妄加评论, 只是认为, 一张报纸是否可读, 能否在报摊上吸引受众“眼球”, 决不仅仅受制于单一的视觉元素, 很大程度上取决于报纸版面的整体表达效果。而时下一种较为普遍的倾向是, 标题图片越做越大, 版面形式多且杂, 版面色彩重而乱, 这些看似“抢眼”的做法实际上影响了版面的视觉美感, 违背了人的正常视觉心理, 其效果也并未如设计者之想象。
营造良好的版面视觉效果不是想当然、胆子大就能成功的, 必须遵循视觉规律和美学原则。好的版面设计首先要符合合理的视觉流程, 也就是要做到视觉焦点突出, 视线的流动路径明确、层次分明。要能通过对标题、图片、色彩、文字等元素巧妙的编排设计来吸引受众, 激起人们的视觉美感, 从而唤起受众的阅读欲望。一个好的版面应当是把需要传达的信息通过极具逻辑性的视觉流程, 引导受众的视线按照设计者的意图去感觉, 以最合理的顺序、最便捷的途径、最有效的感知方式获取最佳印象。
一般而言, 每个版面只应当有一个视觉中心, 任何出现在同一版面的另一视觉焦点都是噪音, 它们之间会彼此干扰, 造成读者视觉上的困惑, 从而削弱视觉中心的影响力。同时, 版面设计中层次的区分要能保证受众在完整地接收平面视觉信息时, 视线会按照习惯性的顺序连续流动, 而不是割裂的、跳跃的转换。此外, 合理分割版面空间对提高版面的可阅读率也极其重要。例如, 近年来国内报纸流行模块式版面编排。所谓模块版式, 就是指多个矩形板块构成一个完整的版面, 这些矩形板块是单个的新闻报道、新闻图片单元。这些单元可以通过主题安排进行合并和切分, 形成独立而又有机的整体。对读者而言, 模块版式便于阅读, 能够引导读者在有限的时间内了解信息的主旨, 迅速判断信息是否能解决自己的需求, 进而展开深入阅读。对编者而言, 模块版式不仅便于控制信息的整合编排, 同时, 由于空间的合理分割, 还得以使版面在突出重点的同时不至于湮没短小的、次要的信息。
营造版面视觉美感要在设计中始终贯彻整体观念, 特别对那些具有较强视觉刺激度的版面元素一定要谨慎运用, 以避免破坏版面总体效果, “如果全是零零散散地各自为政的话, 那么整体看来, 便无法获致高层次的美感”[5]例如, 哪怕设计者只是在版面里画出一条直线或曲线, 设置一个线框或底纹色块, 其版面空间也将遭到分割, 至于图片、标题、表格等视觉刺激度更强的版面元素就更不用说了。无论空间分割后产生的效果的正负, 这类元素对干扰或引导视觉流程无疑具有非常突出的作用, 因此, 在使用上述版面语言时, 必须综合全面地考虑其可能会对版面整体安排所带来的影响。在这方面, 格式塔原则对版面设计具有普遍的指导意义。
结语:
总之, 在今天这个受众信息接受方式发生巨大变化的“视觉时代”, 人们的阅读习惯显然由于信息的过载而变得被动和“懒惰”。当需要信息时, 人们不再说“告诉我”, 而是说“示给我”, 于是, 让报纸“易读”和“视觉化”被提到了编辑们的每日议程之中。[6]版面设计者只有洞悉受众的阅读心理和视觉流程规律, 科学运用视觉元素, 合理安排版面结构, 积极营造视觉美感, 才能实现对受众视觉流程的真正引导, 才能实现版面设计指导思想与受众阅读视觉体验的最佳对接。
摘要：报纸版面设计效果始终存在着设计者的信息传递主观和受众的信息接受客观双重标准, 因此, 版面设计者要洞悉受众的阅读心理和视觉流程规律, 科学运用视觉元素, 合理安排版面结构, 从而才能实现版面设计指导思想与受众阅读视觉体验的最佳对接。
关键词：版面设计,视觉流程,视觉中心,结构重心
参考文献
[1]邱沛篁, 席文举, 刘为民.都市报创新论.成都:四川人民出版社, 2003.148.
[2]邱沛篁.邱沛篁文集.成都:四川大学出版社, 2010.342-343.
[3]程民治.爱因斯坦的科学美学思想探析.《安徽师范大学学报》, 2002 (05)
[4]http://news.xinhuanet.com/newmedia/2003-12/09/content_1221989.htm
[5]朝仓直已 (日) .《艺术、设计的平面构成》.上海:上海人民美术出版社.144.
视觉结构的不确定性 篇9
Gu[1]提出的重建方法能够处理双曲线、抛物线等工程中常见的二次曲线,该方法较好的解决了空间曲线边的重建问题,但存在着几何计算量大、曲线拟合精度不高等问题;Fen[2]以二次曲面体的三维位姿和它的图像轮廓之间的闭式映射关系,从灰度图像鲁棒地提取的二次曲线参数直接确定二次曲面体的三维位姿;Simant[3]从多目图像中,以物体边缘轮廓为基元对物体进行三维重建,但过于依赖重建对象的形状和空间位置的摆放,限制了它的实际应用;孙[4]以二次样条曲线作为重建基元对空间曲线进行重建,并将之应用到空间物体的三维重建中,在重建精度和算法复杂度上有较大的改善。
本文利用空间二次曲线的投影不变性,提出一种从两个透视投影图对空间二次曲面体轮廓重建的方法。这种方法充分利用了图像的轮廓特征,以轮廓曲线上的点做重建基元,对空间二次曲面体进行结构重建,避免了解高次方程所遇到的困难,弥补了以往重建精度的不足和重建方法的局限性。
1 成像系统及坐标描述
本文采用平行对准配置的双目立体视觉系统,摄像机的几何关系如图1所示。设两摄像机焦距分别为f1和f2,摄像机的光心O与O’分别对应着坐标系C1和C2的原点,两个摄像机的投影中心间的距离(基线)为B。为了问题简化,取左摄像机的坐标系C1为世界坐标系,左图像坐标系为O1-X1Y1,右图像坐标系为O2-X2Y2。空间景物上一点P,在世界坐标系C1中的坐标P(xw,yw,zw),P1(X1,Y1,f1)和P2(X2,Y2,f2)分别为其在左右图像平面I1和I2中的投影坐标。那么P点与P1点有关系如下:
设右坐标系C2的原点为O’,令其在世界左坐标系下坐标值为O2(xd,yd,zd)。那么P点在右坐标系C2中的坐标可表示为P(x’w,y’w z’w),且有如下关系[5]:
其中λ是两个参考坐标系之间比例因子,不失一般性,可设为1。由公式(2),空间点P(xw,yw,zw)与P2(X2,Y2,f2)有如下关系:
方程(1)和(3)是一对任意透视投影图的共线方程。
2 边缘特征的提取与匹配
2.1 轮廓边缘特征提取
图像中景物的形状轮廓信息通常采用边缘检测的方法获得。由于实际图像(图2)中边缘类型的复杂,并且存在着不同程度的噪声,对算法的适应性和有效性有着较大的考验。
Canny边缘检测算法[5]利用高斯函数的一阶微分,用非极大值抑制和“磁滞”阈值法来定位导数最大值,在噪声抑制和边缘检测之间取得了较好的平衡,是公认比较好的边缘检测算子。但对实际图像来说,直接canny算子提取的边缘仍不理想。从图2(a)中可看出,提取的边缘既琐碎凌乱,也不连续。这种边缘不但难以体现模型的轮廓信息,而且也很难进行后续边缘匹配。
为了得到单像素轮廓边缘,该文采用改进的canny算子[6]来提取轮廓边缘信息。改进后的canny算子采用非极大值抑制和双阈值控制的方法,能够有效的避免噪声的干扰,对原图像中具有一定像素宽度的区域边界进行细化。图2(b)是采用上述方法所获得的模型轮廓边缘,与Canny算子边缘相比,改进canny算子检测的边缘具有更好的连续性和完整性,能够较好地体现景物的轮廓信息。
2.2 轮廓边缘匹配
轮廓边缘匹配基元通常是以分段线段为单位,按线段分组匹配各边缘点。然而,不同视点的成像差异,造成左右图像中各边缘线段通常并不严格对应,从而使得匹配出现较大误差。
苏[7]提出边缘模板匹配法,计算基于边缘点之间的平均最近距离的匹配代价和基于边缘点梯度方向直方图的匹配代价作为相似性测度,实现模板匹配。该方法在模板匹配过程中充分利用边缘特征的梯度强度信息和梯度方向信息,使得匹配有更好的准确性和鲁棒性。该文采用该方法对轮廓边缘进行匹配。在边缘特征提取的基础上,选取一幅边缘图为基准模板,采用模板匹配方法对边缘图进行匹配。考虑到拍摄视角的转换会引起轮廓的扭曲变形,对第一幅图像中的每个轮廓点,遍历另一幅图像中的所有轮廓点,比较两个点间的差异,如果两个特征量差值均在一定范围内,则认为是正确的匹配对,匹配结果如如图4所示。
3 重建过程
由二次曲线的性质可以知道:空间二次曲线在图像上的投影仍然是二次曲线。设投影二次曲线Γj(j=1,2)在各自对应的图像平面I1和I2方程为:
设(X2,Y2)是曲线Γ2的任意一点,将其代入方程(4)后,应用针孔模型得:
设f2=1,其中(x’w,y’w,z’w)是空间景物上P点相对于右坐标系C2的坐标。现换算成相对于左坐标系C1,即将方程(2)与方程(5)联立:
由方程(1)可知:
不失一般性可设定f1=1,方程(6)改写成:
记
上面的公式(8)可以改写为:
那么,
在曲线Γ1上选择一系列点Pi1(Xi,Yi),利用方程(10)可以得到两组坐标值(xi1,yi1,zi1)和(xi2,yi2,zi2)。由先验知识和实际相机的几何约束可知:r为正,则z的值只能为正且为实数。在确定唯一解之后,对坐标(xi,yi,zi)进行拟合,重建空间二次曲线的三维结构。
4 实验
采用图5所示实物仿真平台进行实验,以检验上述三维重建算法。因实验平台只有一个CCD相机,实验时通过固定拍摄模型而平行移动相机获取双目视觉图像。
在标定摄像机内外参数之后,对模型进行拍摄,获取立体图像对。按第3节所述方法对左右两幅图像进行图像预处理,提取模型的边缘轮廓;然后以边缘模板匹配法得到同名轮廓曲线,并选取同名曲线的关键点,建立起两幅图像间同名目标曲线上各像素点的对应关系。在建立起基于图像点的对应关系后,就可以按第4节重建方法,计算出同名匹配点的空间坐标。最后用最小二乘法在matlab2011软件环境下,将空间点拟合成完整的二次曲线段。
5 结论
本文根据空间二次曲线投影不变性,提出一种从两个透视投影图像对重建空间二次曲面体轮廓的方法。此方法的主要优点在于:
1)能够从两个透视投影图像对重建空间二次曲线,不受重建对象空间位置的限制;
2)充分利用点的不变性和二次曲线的投影不变性,在点的基础上重建空间二次曲线,保证了重建的精度;
3)避免了解高次方程,算法具有较快的计算速度。
虽然本文提出的方法可以应用空间二次曲面体结构重建,但是对具有复杂结构的自然曲面体仍有较多不适,笔者正在研究将此法推广到其他复杂自由曲面体的重建。
摘要：该文利用空间二次曲线的投影不变性,提出一种从两个透视投影图对空间二次曲面体轮廓重建的方法。根据双目立体视觉的成像模型计算匹配边缘点的三维坐标,最后使用非线性最小二乘法曲线拟合实现轮廓的三维重建。实验结果表明,该方法能够有效地重建出空间中任意摆放的二次曲面体的轮廓边缘,较之以往的重建方法具有较高的重建精度。
关键词：双目视觉,二次曲面体,轮廓,三维结构重建
参考文献
[1]Gu Kaining.Reconstruction of 3D Objects from Orthographic Projections[J].Comput-er Graphics Forum,2007,5(4):317-323.
[2]Fen Fang,Yong Tsui LEE.3D reconstruct-tion of polyhedral objects from single perspective projections using cubic corner[C].Inter national Conference on Software Engineering,Knowledge Engineering and Information Engineering,2012,pp:51-57
[3]Simant Prakoonwit,Ralph Benjamin.3D surface reconstruction from multiview photographic images using 2D edge conto-urs[C].12th European Conference on Co-mputer Vision,Florence,Italy,October 7-13,2012,Proceedings,Part IV:245-259.
[4]孙向军.场景三维重建的若干关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2004.
[5]Canny.A computational approach to edge detection[J].IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1986,8:679-714.
[6]Wojciech.Canny Edge Detection Algorit-hm Modification[J].Computer Vision and Graphics Lecture Notes in Computer Science Vol ume 7594,2012,533-540.
对钢结构稳定性的分析 篇10
关键词：钢结构；稳定性设计；细部构造
稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多，如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构，突然于1978年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳； 1988年我國也曾发生13·2m×18·0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故；2010年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳， 8m高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致，要从根本上杜绝此类事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。
一、钢结构稳定性设计的概念
1.强度与稳定的区别强度是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此它是一个应力问题。极限强度的取值因材料的特性不同而异，对钢材是取它的屈服点。稳定主要是找出外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态，因此它是一个变形问题。例如轴压柱，当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加很大的附加弯矩，从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度，此时，失稳是柱子破坏的主要原因。
2.钢结构失稳的分类1）有平衡分岔的稳定问题（分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。2）无平衡分岔的稳定问题（极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。3）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。
二、钢结构稳定性设计的原则
1.钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现平面外失稳，需要从结构整体布置来解决，如增加必要的支撑构件等。要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。
2.结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定，其中包括：“框架中的所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”，按照这条假定，框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法，是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
3.钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算应一致保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合，是钢结构设计中需要高度注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在解决梁整体稳定时上述要求就不够了，支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。
三、钢结构稳定性的分析方法
钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。
1.静力法静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：1）构件是等截面直杆。2）压力始终沿构件原来轴线作用。3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。4）构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代入相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
2.能量法能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。1）能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：ΔU =ΔW式中 ΔU———指应变能的增量； ΔW———指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2）势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：dΠ=dU-dW =0式中 dU———指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值； dW———指外力在虚位移上作的功。
3.动力法处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。
四、结语
视觉结构的不确定性 篇11
点焊工艺被广泛应用于白车身、工程机械、发动机外壳、电子元件等结构的连接中[1,2],焊点位置的分布方式对点焊结构的强度以及疲劳寿命有着重要影响。随着车身轻量化设计要求的不断提高,车身材料逐渐被厚度薄、强度高的高强钢所替代。目前,关于点焊结构的疲劳强度的分析主要针对点焊工艺参数如点焊接头的强度、点焊接头的电流大小等方面进行考虑,而对点焊结构疲劳寿命的优化主要从点焊连接的参数如搭接长度、 焊点的布置方式、焊点的间距等角度出发进行考虑。Xu等[3]利用有限元 方法,研究了壳-梁、壳杆、实体-梁、实体-杆单元不同模型下的点焊结构的疲劳强度。Pan等[4]采用实验与数值模拟的方式对点焊结构的疲劳寿命进行了对比,发现基于应变的Manson-Coffin疲劳寿命计算方式与实验所得的数据有着较好的拟合效果。文献[2,5]从点焊工艺参数如焊接电流、焊点直径大小、布置密度等角度出发,对点焊结构的静强度进行了分析与优化。姜潮等[6]对电阻点焊焊装夹具定位点进行了优化设计。Ertas等[7]基于实体-梁单元的模式,采用单纯形法对单焊点、双焊点试样的焊点分布方式进行了优化。以上学者的研究工作分别从点焊工艺参数、焊装夹具的定位精度以及焊点的分布形式等角度出发对点焊结构进行了分析优化,均没有考虑焊点不确定性因素的影响。工程实际中存在着大量焊装夹具的设计精度、工艺、焊枪落点等不确定性因素,这些因素导致了焊点位置的不确定性,而焊点位置的不确定性耦合对车身点焊结构的疲劳强度及疲劳寿命有着非常重要的影响。
本文将焊点分布位置及其不确定性因素相结合,提出了一种点焊结构疲劳寿命优化分析方法。 将焊点坐标作为区间设计变量,点焊结构疲劳寿命作为目标函数,对拉伸-剪切(TS)、修正的拉伸剪切(MTS)型两种点焊试样进行区间不确定性优化分析。获得了两种点焊结构的焊点最优分布位置及疲劳寿命区间。
1典型点焊结构及其疲劳寿命模型
根据点焊结构实际受力的情况,目前点焊结构标准试样主要分为正拉型(CP)、修正的正拉型 (MCP)、拉伸-剪切型 (TS)、修正的拉 伸-剪切型 (MTS)试样,这4种试样的主要几何尺寸参数如图1和图2所示。焊点及附近的热影响区为焊接结构应力集中的地方,是最危险部位,所以应将焊点附近区域的疲劳寿命作为点焊结构的疲劳寿命进行分析讨论。考虑车身点焊结构往往承受多轴载荷的实际特点,本文主要以TS、MTS两种类型试样为对象进行研究。
目前结构疲劳寿命预测模型主要有基于应力的疲劳寿命预测方法和基于应变的疲劳寿命预测方法[8,9,10]两种。因基于应变的疲劳寿命理论所预测的点焊结构疲劳寿命曲线可以更好地逼近通过实验所得点焊结构疲劳寿命曲线[4],故本文采用基于应变的疲劳寿命计算公式。在基于应变的疲劳寿命分析理论中,修正的Manson-Coffin公式综合考虑了弹性应变及塑性应变两部分对结构疲劳寿命的影响,可以较客观地描述焊点处的应变状态。故本文采取该公式计算点焊结构疲劳寿命,其表达式为
式中,Δε为总应变;Δεe、Δεp分别为弹性应变与塑性应变; E为弹性模量;σ′f、ε′f分别为材料疲劳强度系数与疲劳延性系数;b、c分别为材料疲劳强 度指数与 疲劳延性 指数,可通过对疲劳寿命试验数据及式(1)的拟合得到;Nf为疲劳寿命。
工程中结构往往承受多轴应力、应变载荷,因此在利用上述基于应力或应变的疲劳寿命公式时,必须把处于多轴状态下的应力或应变依照一定的准则等效为单轴应力、应变状态。目前处理多轴疲劳问题的方法主要为不同的基于应力或应变的临界面法则,具体又可分为最大主应力、最大主应变法则,最大剪应力、最大剪应变法则等。因本文采用修正的Mason-Coffin疲劳寿命理论方法, 故需要利用相应的应变等效法则将多轴应变等效为单轴形式,常用的等效法则如下:
(1)最大主应变法则:
(2)最大剪应变法则:
(3)八面体剪应变法则:
其中,εqa为不同等效准则下的等效应变,εa1、εa2、 εa3为变化的主应变幅值,且εa1>εa2>εa3,ν为泊松比,本文采用八面体剪切应变作为多轴状态下的等效应变。
2点焊结构疲劳寿命优化建模
2.1设计变量的选取
点焊多用于薄 板 (厚度在0.5~3mm范围内)结构中,属于压焊的一种。焊点作为连接板材的桥梁,同时也是整个结构应力集中点,工程中一般认定焊点附近区域是点焊结构的危险区域,对承受交变载荷的点焊结构的影响更加明显,因此, 分析焊点的疲劳强度对整体结构有着至关重要的作用。焊点影响点焊结构的因素为焊点的排列方式和焊点的分布位置。由于薄板结构在厚度方向尺寸远小于其他两个方向的尺寸,故可将点焊结构转化为平面来考虑[11],焊点排列方式在焊接手册中有明确的规 定[12],本文从焊 点分布位 置出发,将焊点的坐标(x,y)作为设计变量。
2.2目标函数及约束条件的确定
本文将点焊结构的疲劳寿命Nf作为目标函数:
式中,m为焊点个数。
点焊工艺中,规定焊点直径d与板厚t的关系如下:
如图3所示,阴影部分表示点焊搭接区域,l为搭接长度,B为板宽,Sij为相邻焊点i、j的间距。由几何条件可知,作为设计变量的焊点坐标 (xi,yi)的约束条件如下:
(1)在x方向有
(2)在y方向有
(3)点焊工艺规定相邻焊点间距为
综上所述,基于焊点坐标的点焊结构疲劳寿命优化模型建立如下:
3区间不确定性优化
由于电阻点焊夹具精度、焊枪落点的稳定性、 设计精度要求及外界等综合因素的影响,焊点坐标很多时候难以准确落在设计点,从而产生不确定性。这种不确定性因素的耦合可能引起点焊结构的整体强度、疲劳寿命的计算结果产生较大偏差。对于焊点坐标,不同焊接工艺、不同点焊机器人、不同夹具下所得到的焊点坐标的波动性比较大,不易给定精确的值。这些参数因为工作环境、 加工程序、精度要求等因素的千变万化,同样难于确定其服从某种类型的概率分布函数。传统基于概率不确定性的分析方法难以对其进行有效处理。但是,对于这些参数,根据一般的经验和现有样本,得到其可能的变化区间却较为容易。为此, 本文引入区间分析方法,实现薄板点焊结构的关键参数的不确定性度量。采用区间分析方法时,只要知道点焊结构不确定性坐标参数x和y的上下边界:
式中,上标I、L、R分别表示区间、区间左边界和区间右边界;上标c和w分别表示区间参数xiI、yiI的中点和半径。
优化模型中,设计变量也是不确定变量,这就要求约束函数的给定界限不是一个特定值。此时将约束界限也处理为区间,可以较好地将这种过渡状态描述出来,从而可以使薄板点焊结构疲劳寿命的不确定性优化模型与实际情况更为符合。 利用区间分析方法处理薄板点焊结构中的不确定性参数后,点焊结构疲劳寿命优化问题(式(10)) 可转换为如下的区间不确定性优化问题:
式中,-SiLj为考虑加 工不确定 性后相邻 焊点 (xiI,yiI)、 (xjl,yjI)间距约束允许的下边界。
根据文献[13?14]提出的区间优化方法可知,通过对f(xc,yc)进行优化,可提高目标函数在不确定参数下的“平均设计性能”,相应地,式 (12)可转换为如下确定性的目标函数:
通过以上处 理,式 (12)可转化为 如下优化 问题:
式(14)为一传统的确定性优化问题,可通过序列二次规划等常规优化方法进行求解。
4算例分析
本文选用JSC980Y高强钢作为点焊材料,其相关的力学性能及疲劳参数[11]分别如表1、表2所示。利用ANSYS对点焊结构进行有限元建模分析,以Beam188梁单元(Timoshenko beam)模拟焊点,梁单元的长度为薄板之间的间隙。进一步通过在薄板的内表面上的焊点附近建立点焊接触对单元(Targe170与Conta175)来模拟焊点连接的上下薄板间非线性接触的情况,由于随着焊点距离的增加,焊接所带来的应力集中影响逐渐降低,故本文接触区域半径选择为焊点半径的4倍[3,15,16,17]。考虑到点 焊工艺中,焊接热影 响区 (HAZ)周围及远端金属的微观晶相组织并没有明显的硬化及热处理效应,故文中忽略焊接工艺对材料的弹性模量,泊松比及疲劳强度系数、指数,疲劳延性系数、指数等材料参数的影响。利用Beam188单元模拟焊点在两块薄板的 内表面建 立点焊接触对的同时,也需要对焊点周围区域进行网格细化,以模拟焊点附近区域的应力集中效应[18,19,20]。每个算例均分为两个载荷步进行加载, 具体加载情况见表3。
考虑白车身点焊设计规范中点焊加工精度及焊装夹具的设计精度等因素[12],本文将焊点加工误差取为1.00mm,即区间半 径xiw、yiw均取为1.00mm。
4.1算例一
本算例中的几何模型为双焊点TS试样。试样同时承受轴向拉压与径向剪切载荷,见图4a。 如图4b所示,此时,焊点附近区域为危险区域。 尺寸参数如下:d=4mm,t1=1mm,t2=1.2mm, h=0.2mm,L=120mm,B=40mm,l=50mm; 焊点初始坐标为:焊点1(-20mm,-10mm),焊点2(-20mm,10mm)。结构承受轴向循环交变应力,应力比R=-1,加载模式为比例加载。由FEM分析,最大应力时初始坐标下的薄板沿x方向应力状态如图4b所示。通过计算可得该TS结构初始的 疲劳寿命 区间为 [4.2×105,4.5× 105]cycles,此时区间 设计变量 中点范围 为:23mm≤xic≤23mm,-18mm≤yic≤18mm,i=1, 2。
4.2算例二
算例二采用双焊点的MTS试样,试样同时承受循环拉压、剪切载荷,加载模式见图5a。如图5b所示,焊点附近区域同样为应力集中区域, 且同样是结构危险区域。尺寸参数为:d=4mm, t1=1mm,t2=1.2mm,h=0.2mm,L=80mm, L2=l=40mm,B=40mm。焊点初始坐标为:焊点1(-40mm,0),焊点2(40mm,0)。此时结构承受轴向循环交变拉-压应力、横向交变剪应力, 应力比R=-1,加载模式为比例加载。由FEM分析,最大应力时初始坐标下的薄板沿x方向应力状态如图5b所示,通过计算可得该MTS结构初始疲劳寿命区间为[12.5× 105,16.8× 105]cycles。 此时区间 设计变量 中点范围 为: -58mm≤xc1≤ -18mm,18mm≤xc2≤58mm, -18mm≤yic≤18mm,i=1,2。
由图4、图5不难看出,两个算例中焊点附近区域均为结构应力集中区域,结构危险点处于焊点附近,利用式(7)~式(14)分别对上述两个算例进行区间优化转换,在区间设计变量的中点处利用序列二次规划的方法执行双焊点结构疲劳寿命的区间优化分析。记NIf0为初始结构疲劳寿命, 经过一定次数的迭代,得到焊点最优坐标(xc,yc) 及最优焊点处点焊结构疲劳寿命的NI区间围。
4.3结果分析
将算例一、算例二点焊结构的初始疲劳寿命区间、优化焊点坐标及优化后的结构疲劳寿命区间进行归纳整 理,结果见表4。由表4可知,首先,在相同的加载模式下,对于MTS模型,由于结构弯曲刚度的增加,其疲劳寿命得到一定程度的提高,因此,在车身点焊结构中,几何尺寸、工艺参数等细节因素对结构疲劳寿命有着至关重要的影响,合理结构与工艺设计方案可以很大地提高点焊结构的疲劳强度与寿命。最重要的一点,对于算例一和算例二来说,执行区间优化后结构疲劳寿命与初始结构疲劳寿命相比,有了很大幅度的提高,点焊结构疲劳性能有了很大的改善,说明焊点分布位置对点焊结构的疲劳寿命有着很重要的影响。进一步对表4进行分析,对考虑焊点不确定性的TS、MTS试样模型的疲劳寿命进行对比,发现无论优化前还是优化后,结构疲劳寿命上下界都相差数万次甚至数十万次,这表明考虑焊点不确定性对于点焊结构疲劳寿命的评估有重要的实际意义。
5结论
本文综合考虑了焊点分布位置及其不确定性对点焊结 构疲劳寿 命的影响,以车身常 用JSC980Y型高强钢为研究对象,构建了双焊点的TS、MTS点焊标准试样疲劳寿命最大化的区间不确定性优化分析模型。由优化前后的点焊结构的疲劳寿命区间的结果易知,基于焊点坐标不确定性参数下的点焊结构疲劳寿命区间分析不仅改善了结构的疲劳寿命,而且给出了结构疲劳寿命的波动范围,提高了点焊结构的疲劳可靠性。
摘要：基于区间优化的方法,构建了考虑焊点不确定性的TS、MTS两种点焊结构的疲劳寿命不确定性优化模型。采用修正的Manson-Coffin公式作为点焊结构的疲劳寿命计算公式,同时考虑工艺中焊枪落点的不确定性,将焊点的位置坐标作为区间变量,通过对焊点坐标进行区间优化,获得结构疲劳寿命最大时的焊点坐标。给出了相应标准焊接结构试样疲劳寿命的上下界,为工程实际中点焊结构的疲劳寿命极限的分析及最优设计提供了计算工具。