多尺度二维数字图像相关测量系统及其应用

邵新星 何小元 张瑾琳

(东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 南京 210096)

多尺度二维数字图像相关测量系统及其应用

邵新星 何小元 张瑾琳

(东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 南京 210096)

为了实现全场多尺度变形测量,利用三轴电动平移台、4台高分辨率相机、3个不同放大倍数的远心镜头和1个显微镜头组成了多尺度二维数字图像相关测量系统,采用该测量装置可实现从宏观到微观尺度的变形测量.实验结果表明:通过置于高精度三维可控平移台上的二维数字图像相关测量装置,可实现任意微区的跟踪观测.经过标定的测量系统可以对观测区域实现测量尺度的任意切换,达到所需要的测量精度及观测要求.最后对贝氏体钢腐蚀后的表面纹理进行了数字图像相关测量.该测量系统对于裂纹尖端力学行为的研究具有很好的应用前景.

多尺度测量;数字图像相关;变形测量;裂纹尖端

数字图像相关技术(digital image correlation,DIC)是20世纪80年代由Yamaguchi等[1-3]提出的一种基于现代数字图像处理和分析技术的实验测试技术.30多年来,国内外的学者针对数字图像相关中位移、应变计算精度的提高[4-5]、散斑质量的评价[6-7]、计算效率的提升[8-9]以及应用领域的拓宽做了大量的工作.目前,数字图像相关技术已经广泛应用于土木工程[10-11]、交通运输[12]、材料工程[13]等科学领域.

数字图像相关技术作为一种非接触式的变形测量技术,主要用于材料或结构在荷载作用下的表面变形场测量.该技术具有全场测量、非接触、光路相对简单、测试视场方便调节、对测量环境无特别要求等优点[14].通过在相机前安装不同放大倍数的镜头,数字图像相关方法可以实现从宏观到细观尺度的变形测量.将数字图像相关方法与激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜等相结合,该方法甚至可以实现微观尺度的变形测量[14].虽然数字图像相关方法的测量视场方便调节,但是在一次实验中往往只能选择一种大小的视场(也即一种尺度),无法实现多种尺度的变形测量.

文献[15]中为了实现对试样的多尺度变形测量,使用了2种放大倍数的镜头(一种用于全局变形的观测,一种用于局部变形的观测),且使用这2种镜头开展了4次实验.但是每一次实验中只使用一种放大倍数的镜头,这就意味着在每一次实验后都需要手动切换镜头并手动调整至观测位置.这样的方法非常繁琐且对于局部变形测量难以对观测位置实施定位和调焦.文献[16]为了实现同一区域的2种尺度测量,提出了使用分光棱镜的方法,在分光棱镜的出射光口分别采用2种不同放大倍数的镜头进行观测.使用分光棱镜可以实现同一区域的多种尺度变形测量,但分光棱镜的使用使得测量光路更加复杂.同时,文献[16]中的装置无法实现对感兴趣微区的跟踪测量.在细观和微观尺度下,当试件被加载后,感兴趣区域很容易移动到测量视场以外,因此需要对其进行跟踪测量.

本文为了实现数字图像相关方法的多尺度变形测量,利用1台三轴电动平移台、4台高分辨率的相机、3个不同放大倍数的远心镜头和1个显微镜头组成了多尺度二维数字图像相关测量系统.基于同心圆标定物下的系统标定以及自编软件对3个高精度位移平移台的精确控制,此系统可以对观测区域实现测量尺度的任意切换,以达到所需要的测量精度及观测要求.同时,此系统还可以实现对感兴趣微区的自动追踪观测.预制裂缝的贝氏体钢三点弯实验证明了此系统的可行性,且表明此系统对于裂纹尖端的测量具有广阔的应用前景.

1 多尺度二维数字图像相关测量系统

1.1 数字图像相关法测量面内变形

一般来说,数字图像相关方法将被测物表面随机分布的灰度作为物体表面的变形信息载体.相机(如CCD或CMOS相机)常被用于记录被测物表面变形前后的灰度图像.如图1所示,利用相机拍下变形前的参考图和变形后的一系列目标图像,通过计算变形前、后子区的对应关系便可以获得全场的位移信息.为了描述变形前、后子区的相似程度,需预先定义相关函数,本文采用零均值归一化互相关准则,其公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中,f(x,y)为参考图中点(x,y)的灰度值;g(x′,y′)为变形图中点(x′,y′)的灰度值;M为子区的半宽.

为了使得相关函数取得极值,需要使用亚像素位移算法,本文采用抗噪声能力强的反向组合高斯-牛顿算法[4].计算得到全场位移信息后,通过逐点的局部最小二乘方法计算应变[17].

1.2 多尺度二维数字图像相关测量装置

通常的二维数字图像相关测量装置由单个相机和镜头组成.单个相机和镜头也就意味着单一的测量尺度.为了实现全场多尺度变形的测量,本文设计了如图2所示的测量装置.该测量装置主要包括3个单轴平移台组建的三轴平移台(单轴平移精度可达1 μm)、4台高分辨率相机(分辨率为3 840×2 748像素)、放大倍数分别为0.16倍、0.5倍、2倍的远心镜头以及放大倍数为10倍的显微镜头.在实验过程中,可以任意切换4种放大倍数的镜头,以进行不同尺度下的变形测量.在装置的前端安装了一个环形的光源,在光源的环形部分和中间的圆形部分分别安装了偏振片,以达到偏振照明的效果.在实验过程中,偏振照明可以有效地消除金属的反光,从而减小变形计算过程中的失相关.为了使得显微镜头达到金相显微镜的效果,还对该镜头采用了同轴照明的照明方式.图3分别为非同轴照明和同轴照明的实验图,只有使用同轴照明才能扑捉到金属的组织成像(贝氏体和奥氏体).为了实现显微镜头的同轴照明,在相机和显微镜头之间安装了分光同轴照明装置.

(a) 参考图像

(b) 目标图像

图2 多尺度二维数字图像相关测量装置

(a) 非同轴照明

(b) 同轴照明

1.3 系统标定方法

为了实现观测区域测量尺度的任意切换以及对感兴趣微区的追踪,需要对测量系统进行标定.为了实现系统的标定,本文设计了如图4所示的同心圆标定物.该标定物由4个黑白相间的同心圆组成,同心圆的最中间为一个十字丝.

图4 系统标定

标定过程如下:① 将测量系统移动至标定物前(见图4);② 通过自编软件控制电控平移台移动,将十字丝分别成像于4台相机图像的中心位置,记录此时平移台三轴的位置和拍摄的图像;③ 利用不同大小圆的直径来标定像素与毫米的比例关系.

假设4台相机清晰成像的平移台位置为(Xi,Yi,Zi)(i的取值为1,2,3,4,分别对应4种测量尺度),4台相机图像像素与毫米比例关系为αi.那么,将0.16倍放大倍数图像上的点(x,y)切换成2倍放大倍数显示时,三维平移台移动的距离dx,dy和dz分别为

dx=X3-X1+(x-3 840/2)α1

(4)

dy=Y3-Y1+(y-2 748/2)α1

(5)

dz=Z3-Z1

(6)

实验中,通过鼠标右键菜单在软件显示的图像上点击,即可实现测量尺度的任意切换.

1.4 自动追踪

对于细观和微观尺度下的变形测量,感兴趣区域随着加载过程往往会移动到测量视场以外.为了实现对感兴趣区域的变形测量,必须进行自动追踪.根据已经标定的像素与毫米比例关系,通过数字图像相关对图像中心点的实时位移测量和平移台进行控制,即可实现感兴趣区域的自动追踪.对图像中心点的实时位移测量为单点测量,因此可以采用文献[18]中的快速算法.自动追踪的过程等于对测量系统施加了刚体平动,对于应变测量以及裂纹张开位移没有影响,因为应变及裂纹张开位移都是相对量.

2 实验及结果

为了验证测量系统的有效性,本文使用该测量系统进行了贝氏体钢试样的三点弯实验,试样的尺寸为10 mm×10 mm×55 mm.实验现场如图5所示,使用MTS万能试验机进行试样的加载.如图6所示,通过鼠标右键菜单实现放大倍数从0.5～10倍显微放大倍数的切换.在裂纹扩展的不同阶段可以使用不同的测量尺度对其进行观测与变形计算.由图6可见,当使用10倍显微镜头时,可以清楚地看到贝氏体与奥氏体的分布情况.使用这样的图像,可以从金属组织分布的角度对试样的力学性能进行分析.同时试件在不同尺度下的自然纹理完全可以用于数字图像相关分析.

图7为0.5倍放大倍数和2倍放大倍数下的变形测量结果.其中图7(a)为Y方向位移场的测量结果,图7(b)为Y方向应变场的测量结果.可以明显看到,裂纹尖端应力集中,在0.5倍放大倍数和2倍放大倍数下的变形测量结果趋势基本保持一致.实验过程中,从裂纹的萌生到扩展直至断裂,根据实验的需求,可以在不同的测量尺度进行变形的观测.

(a) 试样加载

(b) 试样变形测量

(a) 0.5倍放大

(b) 2倍放大

(c) 10倍放大

(a) 0.5倍放大系数位移场测量结果

(b) 2倍放大倍数位移场测量结果

(c) 0.5倍放大系数应变场测量结果

(d) 2倍放大倍数应变场测量结果

3 结语

本文研究了用于多尺度数字图像相关测量的装置及方法.在系统标定后,利用自编软件可以帮助实验人员实现不同尺度下的全场变形测量.本文详细介绍了该装置的组成、设计、测量方法以及标定方法.最后,通过贝氏体钢的三点弯实验验证了其有效性与应用价值.

References)

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Multi-scale two-dimensional digital image correlation system and its application

Shao Xinxing He Xiaoyuan Zhang Jinlin

(Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To realize multi-scale deformation measurement using digital image correlation (DIC), a multi-scale two-dimensional digital image correlation(DIC)system was introduced. The measurement device consists of an electric three-axis translation stage, four high-resolution CMOS cameras, three telecentric lens with different magnifications, and a microscope. Deformation measurements from macro to micro were performed by using the device. The measured results indicate that the system can be used for tracking the micro-region by precisely controlling the three-axis translation stage. After the system calibration, the measurement scale was changed for the arbitrary observation region to meet the requirements of the accuracy and the observation. Using the surface texture of bainitic steel after corrosion, the DIC measurement from macro to micro was achieved. Measurement results show that the system has good potential for studying of the mechanical behavior of the crack tip.

multi-scale measurement; digital image correlation; deformation measurement; crack tip

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.008

2016-08-03. 作者简介: 邵新星(1991—),男,博士生;何小元(联系人),男,博士,教授,博士生导师,mmhxy@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(11272089,11327201,11532005)、 “十二五”国家科技支撑计划资助项目(2014BAK11B04).

邵新星,何小元,张瑾琳.多尺度二维数字图像相关测量系统及其应用[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(2):242-246.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.008.

TH822;TH741

A

1001-0505(2017)02-0242-05