数字图像相关方法.pdfVIP

现代力学基础（固体力学） 数字图像相关方法(DICM) 前言 数字图像相关法(Digital Image Correlation Method ，简称DICM)，又称为数 字散斑相关法(Digital Speckle Correlation Method ，简称DSCM)，是应用于计算 机视觉技术的一种图像测量方法。 数字图像相关(Digital Image Correlation ，i.e. DIC)测量技术是应用计算机视 觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动测量 的方法。它是现代先进光电技术、图像处理与识别技术与计算机技术相结合的产 物，是现代光侧力学领域的又一新进展。它将物体表面随机分布的斑点或伪随机 分布的人工散斑场作为变形信息载体，是一种对材料或者结构表面在外载荷或其 他因素作用下进行全场位移和应变分析的新的实验力学方法。 在实验固体力学领域中，对于不同载荷下，材料和结构表面的变形测量一直 是一个较难的课题。一般包括接触式和非接触式两种，对于一般使用的电阻应变 片接触式测量方法，受其测量手段的限制，不能得到全场数据，且测量范围有限， 不能得到物体整体上的变形规律。而对于全场的非接触式光学测量方法，包括干 涉测量技术(例如全息照相干涉法，散斑千涉法)和非干涉技术(例如网格法和数 字图像相关测量法)。由于干涉测量技术要求有相干光源，光路复杂，且测量结 果易受外界震动的影响，多在具有隔振台的实验室中进行，应用范围受到了极大 的限制。而非干涉测量技术是通过对比变形前后物体表面的灰度强度来决定表面 变形量，对光源和测量环境要求较低。数字图像相关测量技术可以直接采用自然 光源或白光源，通过具有一定分辨率的CCD 相机采集图像，并利用相关算法进 行图像处理得到变形信息，可以说，DIC 是一种基于数字图像处理和数值计算的 光学测量方法。由于该技术的直接处理对象是数字图像，而随着科学技术和数字 化技术的不断发展与更新，数字图像的分辨率和清晰程度不断扩大，因此，数字 图像处理技术的测量精度也在不断提升。由于数字图像测量技术的上述优点，使 得DIC 技术被广泛接受，并被视为测量表面变形的一种有力而又灵活的工具。 在材料科学领域，对于不同材料的应变、变形的测量一直是一个较为重要的 现代力学基础（固体力学） 课题，对于研究材料的性能以及内在的变形规律等具有重要的意义。而数字图像 相关测量技术具有测量应变、变形显著的优点，因此，将数字图像相关测量技术 应用在该领域具有很大的前景。目前，DIC 技术已经在材料的力学行为测试与分 析上有着许多应用。尤其是对于低维膜材料、生物材料、木材及岩石材料的变形 场的定量测量。但是对于在金属材料方面的运用并不是很普遍，尤其是在国内这 方面的报道相对较少。 在国外，Puerto Rico 大学的Rommel 等人米用DIC 方法研究了铝、砖块等材 料的变形行为，并与理论应变值以及引伸计测量值进行了对比，得出对于砖块两 种方法测量应变很准确，对于￠3 釆用DIC 测得值要高于理论值。M.Rossi 等人 研究了数字图像相关测量方法在板材平面各向异性方面的报道，测量了板材的塑 性应变比r 值。此外，V.SavicL.G.Hector 等人将DIC 方法用在了马氏体钢的变形 以及断裂方面的研究工作上，给出了该钢在拉伸过程中应变场的分布。B.Ahn 和 S.R.Niitt 等人利用数字图像相关测量方法对绍镁合金在微尺度下的变形行为及 应变值进行了相关研究。 在国内，采用DIC 方法来进行金属材料变形过程的研究较少。徐飞鸿等人利 用数字图像相关测量方法的理论提出了一种金属材料塑性变形过程中塑性变形 区域的识别方法。桂良进、高付海等人进行了数字图像相关技术的试验，将DIC 方法利用在双相钢的单向拉伸断裂失效的研究上，详细分析研究了试样的拉伸断 裂过程，捕捉了其分散性失稳和集中性失稳的发生时刻，得到了颈缩时刻的横向 应变分布。刘主琛等人利用数字散斑相关法研究了铅和铜裂纹尖端损伤区内应变 场的测量。 DIC在变形及应变方面的应用与其它基于相干光波干涉原理的光测方法（如 电子散斑干涉、云纹干涉法）相比，数字图像相关方法具有其明显和独特的优势： 1）仅需要一个（2D DIC ）或两个数字相机(3D DIC)拍摄变形前后被测物体表 面的数字图像，其光路布置、测量