数字图像相关方法测试技术

硕士研究生课程

土木工程测试技术

论文

数字图像相关方法测试技术

摘要：土木工程是研究人们基本生活的古老学科，近年来，随着我国土木工程事业的蓬勃发展，建设规模不断扩大，建设速度不断提高，与此同时，工程中也遇到了越来越多的安全问题。土木工程测试技术在检测和监测这类工程问题及材料力学性能研究分析方面，发挥着越来越重要的作用，其中数字图像相关方法自提出以来不断发展与创新，在土木工程测试中已经显示出其巨大的工程实用价值。随着数字图像相关技术进一步发展，必将为现代土木工程测试技术的发展起到不可限量的作用。

关键词：数字图像相关方法，散斑图像灰度分析，土木工程，测试技术

1引言

进入21世纪以来，随着我国土木工程事业的蓬勃发展，建设规模不断扩大，土木类工程对于测试技术的要求也越来越高，致使传统的测试方法达不到理想的测试效果。随着科技水平的日益提升，借助于创新型学科及现代化仪器的测试方法得到了快速的发展，新的学科不断涌现，一方面给老学科带来了巨大压力，另一方面也为老学科的发展提供了机遇。对于土木工程学科，利用信息时代的先进控制技术、测试技术、先进的仪器设备、创新型的研究方法，不断拓宽其研究领域和应用范围就是土木工程学科发展的机遇之一。近年来土木工程领域中新材料、新结构、新技术、新理论及新设计的出现，结构物的几何形状越来越复杂，载荷情况和工作环境也越来越多样，致使传统的测试手段已不再适用或需进一步完善以适应新的变化，因此新的测试方法就显得更加重要。混凝土、桥梁、地基、房屋等的安全性及有效性检测和监测，也变得越加困难，随着实验力学工作者对于新技术、新方法、新思路的应用，很多先进的测试手段已经在推动土木工程的发展方面起到重要的作用。

1.1 土木工程测试技术研究现状

近年来我国现代土木测试技术发展迅速，其中混凝土测试方法有，回弹法、超声检测法、钻芯法、超声回弹综合法、混凝土缺陷的超声探伤及声发射诊断、混凝土裂缝的深度检测等、桥梁方面有基于虚拟仪器的实时监测仪器，岩土方面的原位测量法，及借助于的各类先进传感器进行的多种温度传感器的测温系统，超声检测仪及智能超声检测仪开发技术、超声检测仪等先进设备的应用。此外，

基于高速摄像机的数字图像相关方法在我国也得到了广泛的应用。放眼观世界，西方发达国家的测试手段也不断的创新发展，我国的测试方法有些借助于国外先进仪器或者技术的指导，同时一些来自于我国土木工程类测试方法也为其它国家的测试技术发展提供了参照。土木学科是中国的古老学科，中国的人口要求了中国的建筑。现代的测试技术要求更多非信息类学科大量开设信息学科相关课程，以培养非信息类学科大学生更好地利用先进信息技术手段的能力以及综合科研素质。美国的伊利诺伊厄本那—香槟大学运用小波神经网络、概率神经网络以及单片机、DSP技术进行结构的损失诊断。在国内，许多非信息类专业，特别是传统的工科专业不仅开设电工电子技术、计算机文化基础、C语言等基础信息类课程，很多专业还开设了单片机原理、数字信号处理、传感器技术，以及虚拟仪器等基础类课程，随着时间的发展，土木建筑的要求会越来越高，致使土木工程测试技术方法也会越来越先进。

2数字图像相关方法

2.1 数字图像相关方法的简介

数字图像相关方法(Digital Image Correlation )，是一种近年来发展迅速的光测力学技术，也称为数字散斑相关方法，简称DIC方法。这种方法主要用于对材料或者结构表面的外载或其他因素作用下的变形场进行测量。它的优点十分突出，如全场测量、非接触、光路相对简单、测量视场可以调节、不需要光学干涉条纹处理、可适用的测试对象范围广、对测量环境无特别要求等。近20多年来，国内外实验力学工作者围绕这一技术的理论研究及其应用研究等方向做了大量的工作，取得了一大批重要的研究成果。目前，这种方法的理论体系正在逐步完善，在实验的各个技术环节上正在逐步改进，其应用的研究领域也在不断扩大，已经被成功地应用于材料的力学行为、动态测量、断裂力学等方面中。此外，在工程应用、土木测试、固体力学问题研究以及材料性能分析等领域中，这种方法正在得到越来越多的关注，并且取得了一定的进展。

2.2 数字图像相关方法的发展及应用

通常所说的数字散斑相关方法一般是指二维数字散斑相关方法，该方法是在上个世纪80年代初期由日本的Yamaguchi和美国南卡罗来纳州大学的Peter和Ranson等人同时独立提出的。Peter和Ranson利用数字图像技术测量表面位移分量。他们利用电视摄像机记录被测物体加载前后的激光散斑图，经过数转化，将图像存储在一个PDP-8/E微机中，然后，通过相关加载前后的两幅图像，即相关系数的极值来实现物体的表面变形测量。Vikrant Tiwari等用数字图像相关方法研究了爆炸过程中的全场变形。Sutton教授则是最早从事该方法的研究人员之一，经过他和合作者的努力，目前已经实现了DIC方法软件的商业化，极大程度上推动了DIC方法的发展。数字图像相关方法自从被提出以来，不仅在理论和算法上得到了循序渐进的改进和完善，并且在力学研究的诸多方面，如不同实验条件下材料力学性能的测试、微尺度变形场测量、电子封装、断裂力学、生物力学、岩石力学、微纳米力学等众多领域得到了很多相当成功的应用。这种方法现在被认为是实验力学中一种十分重要的测试方法。目前，国内研究人员发现非均质岩体等材料本身表面的细观形貌存在较好的灰度差异，可以作为DIC方法的自然散斑图。DIC方法也适用于高温场的测量，在一些特殊的全变形场合中引入数字图像相关方法。例如将DIC在焊缝材料力学性能测试中的应用、在混凝土楔入劈拉破坏的研究中应用，以及基于DIC的建筑结构的监测和检测等工程类问题。目前，除了少数几个问题还没有被充分认识和彻底解决外，二维数字图像相关方法已相当成熟，能很出色地完成各种高精度的变形测量任务，在多个研究领域得到了广泛的应用。

3数字图像相关方法测试原理

数字图像相关方法是通过处理不同状态下被测物体表面的两幅数字图像直接获得需求像素点的位移信息，利用变形前后图像上的散斑灰度特征，在变形前后图像上建立起对应关系，然后根据这种对应关系，寻找变形前后图像上的对应点，从而得到其位移值。其中，变形前的图像称为参考图像；变形后的图像称为目标图像。基本原理示意图如下1-1所示：