数字图像相关方法.pdf

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1、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(DigitalImageCorrelationMethod，简称DICM)，又称为数字散斑相关法(DigitalSpeckleCorrelationMethod，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(DigitalImageCorrelation，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

2、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

3、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

4、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

5、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，PuertoRico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

6、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

7、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（2DDIC）或两个数字相机(3DDIC)拍摄变形前后被测物体表面的数字图像，其光路布置、测量过程和试样准备简单；2）无需激光照明和隔振，对测量环境要求较低

8、；3）可与不同时间分辨率和空间分辨率的数字成像设备（如高速摄像机、光学显微镜、扫描电子显微镜）直接结合，因此适用测量范围广泛。现代力学基础（固体力学）散斑激光照射在具有漫反射性质的物体的表面，根据惠更斯原理，物体表面每一点都可以看成一个点光源，从物体表面反射的光在空间相干叠加，就会在整个空间发生干涉，形成随机分布的亮斑与暗斑，称为激光散斑。对于较强纹理的自然表面本身就可以作为散斑图，即自然散斑。在DIC实验过程中，为了取得较高的测量精度，需要在试件表面制