DIC在測量中的應用

(廣東工業大學土木與交通工程學院 廣東 廣州 510006)

一、數字圖像相關性(DIC)的研究現狀

土木工程實驗測量的手段包括接觸式和非接觸式兩種。DIC測量方法是一種通過數值計算來獲取結構表面的全場位移和應變的非接觸式全場光測技術，要求被測物體表面需要具備隨機分布的灰度特征。

隨著圖像數碼攝影技術的高速發展，DIC技術已經被廣泛地應用于實際工程測量領域。DIC技術是由Yamaguchi和Peters等人于20世紀80年代首次提出，通過拍攝試件表面散斑的變化，利用數字圖像相關函數追蹤試件表面的變形，輸出試件表面散斑位移。霍曉洋[1]針對橋梁撓度測量，提出基于圖像相關的結構變形全過程測量技術。為了能使焊接材料在工程實際中得到有效的使用，杭超[2]等人采用DIC方法對一種鈦合金焊縫在單軸拉伸載荷作用下的變形場進行測量。雷冬[3]等采用DIC方法研究了混凝土試塊的壓縮變形。

二、數字圖像相關性(DIC)的基本原理

數字圖像相關方法是一種基于連續圖案的灰度變化的光學測量技術，目前在實驗力學領域被廣泛地接受和使用，它的基本原理就是運用散斑圖的灰度分布作為試件變形信息的載體，通過跟蹤(或匹配)物體表面變形前后兩幅散斑圖像中相應子區的變化，來獲得該子區中心點的位移向量，最終得到試件表面的全場位移[4]。

數字圖像相關方法的測量在實驗拍攝時，假定結構表面只存在面內位移，不計結構表面與相機之間很小的離面位移誤差。

根據數學的相關性系數概念，可知兩幅圖像的灰度相關系數可表示為：

(1)

式中I(x,y)，J(x,y)分別為變形前后圖片的灰度分布矩陣；拍攝前后圖片大小不變，A為圖片的面積。由柯西不等式可知C不大于1。

為了追蹤變形前后兩張圖片的全場位移，在變形前的圖像中，取以待求點P(x,y)為中心的小參考子區，在變形后的圖像中，以同樣大小的子區圖像，計算位移為(Δx,Δy)時的變形前參考子區與變形子區灰度的相關系數，當相關系數為極大值時，說明該變形后的子區與變形前的參考子區唯一對應，最終得到點P(x,y)的位移。如圖1和圖2所示，分別為DIC追蹤位移流程圖和數字圖像相關原理示意圖。

圖1 DIC追蹤位移流程圖

圖2 DIC原理示意圖

變形前后子區的相關系數計算公式如下

(2)

其中，x，y為圖像的像素坐標；相關值隨變化,I,J分別為參考圖像和比對圖像像素的灰度分布；B為子區的面積；0≤C≤1。當C為極大值時，輸出向量(Δx,Δy)即為P(x,y)的位移，單位是像素。

三、總結

隨著DIC精度不斷的提高，國內外逐漸有人將其用于土木工程振動響應測量領域當中。然而，目前將通過該測量方法得到的模態參數用于損傷識別還很少，當然該技術還存在很多方面缺陷，但我們相信DIC技術在損傷檢測中會越來越被認可。