前言在过去40年中DIC(Digital Image Correlation)在国内外实验力学科研和研究人员的持续努力下在发展新方法、新算法和新系统降低计算复杂度实现高精度变形测量和扩大应用范围等方面取得了显著的进步。笔者将以尤沃尔Univer实验设备、实验环境和自主开发的软件Synkable为依托逐步介绍数字图像相关方法。本篇将介绍2D-DIC的实验准备与图像采集一、二维数字图像相关方法的测量步骤。数字图像相关方法Digital Image CorrelationDIC最早由单相机二维测量形式发展而来。对于2D-DIC而言其测量对象主要是与成像平面平行的面内位移和变形。当试样在实验过程中存在不可忽略的离面运动时单相机成像会受到透视变化的影响此时通常需要采用双相机或多相机组成的3D-DIC系统通过立体视觉重建试样表面的三维运动信息。关于单相机的2D测量和双相机/多相机的3D测量选择可参考此前视频【UNIVER实验室】为什么有时一台相机会测错一个完整的2D-DIC实验通常可以划分为三个主要阶段1测量前准备。 根据试样尺寸、测量区域以及目标空间分辨率搭建成像系统并对试样表面进行必要处理获得适合图像相关计算的随机散斑纹理。2实验图像获取。 在加载前以及不同加载阶段连续记录试样表面图像形成包含试样变形过程的数字图像序列。3数字图像相关计算。 利用相关匹配算法追踪试样表面特征区域在不同图像中的位置变化从而求得全场位移分布在此基础上再通过位移场的空间求导或其他应变计算方法进一步获得全场应变信息。因此DIC测量并不仅仅是后期的软件计算过程。试样表面处理、成像系统布置以及原始图像质量都会直接影响后续相关分析的可靠性。下面首先介绍2D-DIC实验中的系统搭建与图像采集过程。二、实验准备与图像采集典型的DIC实验系统主要由数字相机、成像镜头、照明设备、软件分析系统以及计算机构成。实验过程中相机负责记录被测区域的灰度图像镜头用于调节成像范围与清晰度外部光源则用于提供稳定且尽可能均匀的照明条件。DIC实验系统组成对于二维测量应尽量保证被测试样的目标区域与相机成像平面保持平行同时使相机光轴近似垂直于试样表面。完成相机位置调整后需要根据测量区域重新设置镜头焦距、光圈以及工作距离使整个感兴趣区域均能够获得清晰、稳定的数字图像。实验期间还应避免相机或镜头发生额外移动否则成像系统本身的位移可能被误认为试样变形。系统调整完成后即可按照加载过程采集试样表面的图像。一般将试样尚未发生变形时获得的初始图像作为参考图像reference image而加载过程中不同状态下获取的图像则作为变形图像deformed image也常被称为目标图像target image。DIC算法的基本任务就是建立参考状态与变形状态之间的图像对应关系并据此反推出试样表面各位置的运动情况。参考图像目标图像1目标图像2为了使这种对应关系能够被可靠识别需要具有足够丰富且具有唯一性的灰度纹理。因此在DIC实验中通常需要在试样表面形成随机散斑图案。这些纹理既可以直接来源于材料自身已有的表面特征也可以通过人工方式构造。例如对于表面纹理较为单一的金属、塑料或复合材料试样通常可以先制作具有明显反差的背景再利用喷漆、喷墨或记号笔等方式形成随机分布的斑点。人工形成的这种随机图案通常被称为白光散斑。喷漆制斑在加载过程中散斑与试样表面保持同步运动和变形。相机记录到的并不是材料点本身而是这些表面灰度特征在不同状态下的位置和形态变化。因此从DIC测量角度来看散斑实际上承担了表面变形信息载体的作用其成像质量会直接影响后续相关匹配的稳定性与测量精度。一般而言适用于DIC测量的散斑应至少具备以下几个基本特征1.具有足够的灰度反差。散斑与背景之间需要形成明显的亮暗差异使图像中包含丰富的灰度梯度信息2.具有良好的随机性。散斑的位置、形状和灰度分布不宜呈现明显的周期性或方向性从而提高不同局部区域之间的可区分程度3.能够稳定附着于试样表面。在加载和变形过程中散斑不应发生明显脱落、滑移或自身退化否则图像中的灰度变化将无法真实反映材料表的实际运动。后续除了上述要求之外散斑尺寸、散斑密度以及散斑在相机图像中所占的像素数量同样会对相关计算产生明显影响散斑并非越细越好也并非数量越多越好其合理设计需要综合考虑相机分辨率、测试视场、以及放大倍率。关于这些参数之间的关系我们会在下期内容中展开。