高温下数字图像相关散斑最优成像探究

胡 悦，王永红，鲍思源，胡慧然，闫佩正

(合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

随着航空航天、发动机等的发展，高温材料的使用越来越普遍。获取材料在高温下的力学性能显得尤为重要。常规的机械式测量或者电测法在高温下显然不再适用。数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)是在80年代由美国South Carolina大学的W.H.Peter和W.F.Ranson及日本的I.Yamaguchi等人提出的一种用于变形物体位移和应变信息的光学测量方法[1-3]。该方法凭借着光路简单、非接触、全场测量且对环境要求友好等优点，在位移应变、三维形貌、岩土力学、人车碰撞等领域有着较为广泛的研究和发展[4-11]。由于该方法的优势，近年来也逐渐应用在高温测量中[12-15]。但采用DIC方法进行高温测量还有许多亟待解决的问题，如何在高温下获取高对比度的图像就是其中之一。DIC依赖于变形前后的表面灰度信息来获得位移应变信息，而被测物的灰度信息一般由物体表面的散斑提供。因此，散斑图的质量往往决定相关计算的好坏。物体表面的灰度信息通常由物体纹理或人工喷涂散斑实现。一般采用喷漆的方法在物体表面形成散斑，通常会先喷涂一层底色，再喷涂另一种差别较大的颜色来提高对比度。值得注意的是，数字图像相关的相关函数对图像整体的灰度变化并不敏感，但如果发生局部的对比度变化，则会有较大影响。高温测量时，由于黑体辐射的影响，高温材料的表面自发光谱与外界照明光谱叠加，试样表面已经烧红近似白色。表面发射光谱已覆盖整个可见光区域，辐射强度将大于照明光强度，造成采集图像的亮度饱和，出现严重的退相关效应，导致数字图像相关方法误差增大甚至失效。随着温度升高，辐射频谱往短波方向偏移。在1 000 ℃，辐射谱能量已经接近500 nm波段。在1 000 ℃以上情况下，蓝光照明和滤波方法已经较难从试样反射光谱中探测出有用信息。研究表明，采用主动紫外光照明加滤波方式可以解决高温光谱辐射变化情况下散斑图像获取问题，实现高温DIC测量[14-15]。目前关于高温下DIC制斑方式的研究较少报道。实验采集的图像是8位灰度图，即灰度值从0～255，灰度越大代表图像越亮。由于高温实验需要使用主动单色光照明外加滤波的方法，而高温漆也有不同的颜色可以选择，如果高温漆与光源同色，则会反射照明光，在图片上就会显得较亮，如果不同色则是吸收照明光，在图片上就会显得较暗。再加上金属试件对光源的吸收率与高温漆也有所不同，因此，考虑研究不同颜色的散斑在不同光源下照明的情况。从理论上讲，与光源颜色相同的散斑会偏向于白色，而试件会偏向于黑色，因此会出现较好的灰度分布，所以，采用与照明光源同色的散斑效果最好。本文通过实验的方法，在高温下利用不同光源和相应滤波片，采用不同制斑方式获取图像，对比所得到的图像，并找出高温下DIC最优成像的方案。

2 散斑成像实验研究

2.1 实验所用材料

为了研究高温下最优的制斑方式及不同光源照明对DIC测量的影响，本文进行了各种情况下的对比实验研究。实验所用的高温试样材料为310S不锈钢。310S属于25Cr-20Ni系的高合金不锈钢，具有很好的抗氧化性和耐腐蚀性，因为较高比例的铬和镍，且拥有较好的蠕变强度，在高温下能持续作业，具有良好的耐高温性，适于制作各种炉用构件，最高温度可达1 200 ℃。为了研究不同光源照明对DIC测量的影响，实验选用了各波段光源以及对应波长的滤波片，各种颜色的高温涂漆等。

2.2 实验方法

图1 待测试件 Fig.1 Tested pieces

为了对比验证高温下最优的制斑方式及光源选取，准备了3个相同试件(均为310 s不锈钢，如图1所示)。采用不同的制斑方式：(a)常规制斑，先涂一层白色底漆，再利用黑漆形成散斑点；(b)材料本身是黑色，表面涂上不同颜色的高温漆；(c)材料本身是白色，表面涂上不同颜色的高温漆。各高温漆的极限耐温数据如表1所示。

表1 各颜色散斑耐温极限Tab.1 Temperature limit of each color speckle

将试样放置到高温加热炉中，高温炉门上开玻璃观察窗，用不同光源主动照明，镜头前加相应滤波片采集图像，测量系统原理如图2所示。

图2 测量系统原理图 Fig.2 Diagram of measurement system

图3 实验系统 Fig.3 Experiment system

组建完成的实验装置如图3所示。分别采用以下光源：红光，绿光，蓝光和紫外光在不同温度下进行照明，并放置如图4所示的对应波长的滤波片。考虑到普通工业相机的敏感波段覆盖不到紫外区域，本实验采用了JAI的紫外敏感相机进行采集，该相机的量子转换效率如图5所示。可以看出，该相机在紫外区域也有一定转换效率。利用高温炉控制温度，在室温，600、800、1 000和1 200 ℃时分别采集图像。同一温度下通过更换光源和滤波片，比较不同的成像情况。

图4 各波段滤波片 Fig.4 Each kind of band filter

图5 JAI UV相机量子转化效率 Fig.5 Quantum conversion efficiency of JAI UV camera

3 实验结果与分析

3.1 常规黑白制斑材料实验

前文提到，利用DIC方法进行测量时，常规的散斑工艺是白底黑斑或黑底白斑以提高图像对比度。如图6所示，在常温下，这样的图像有着较好的对比度，有利于相关计算。但是，在高温环境下，由于黑体辐射的影响，会造成背景偏白，即使外加光源进行主动照明，并配上相应的滤波片，也会造成对比度弱化。图7为该试件在1 000 ℃时的成像。由于不能获取优质图像，也就意味着常规的数字图像相关方法在高温测量时失效。因此，高温时常规的制斑工艺已经无法提供有效的图像。

图6 常规制斑的室温成像 Fig.6 Imaging of conventional spots making at room temperature

图7 常规制斑高温成像 Fig.7 Imaging of conventional spots making at high temperature

3.2 黑底材料实验

针对黑底材料，分别采用白光、红光、绿光、蓝光和紫外光光源进行了照明实验对比。

3.2.1 白光照明

在白光下，即不加任何主动照明，对试件进行图像采集，所采得的图像如图8所示。可以看出，到1 000 ℃时图像几乎呈现白色，无法进行相关运算，所以没有进行1 200 ℃的采集。从上图可以看到：(1)白光不适用于高温DIC测量，在800 ℃时还可以勉强呈清晰图像，但1 000 ℃时图像质量就已经很差，导致DIC方法失效；(2)800 ℃以下时，由于黑色散斑与试件本身颜色相近，基本无法识别，其余因与试件本身颜色有一定反差，基本呈白色，其中以白色和蓝色效果最佳。

图8 各温度下白光成像 Fig.8 Imaging of white light at different temperatures

3.2.2 红光照明

图9 各温度下红光成像 Fig.9 Imaging of red light at different temperatures

测量时，用红光光源和红光滤波片，在各温度下进行图像采集，如图9所示。可以得出：(1)红光照明在1 000 ℃的时候已经接近极限，1 200 ℃下根本无法识别图像；(2)红光下，白色散斑会反射红光，图片中会比较亮，其他的都吸收红光，从而较暗。与材料本身接近的黑色散斑辨识度依旧不高，蓝色散斑的效果也不如白光照明，红光下表现较好的是白色和黄色散斑。这是由于白色散斑反射了红色光源，所以在图像上会表现的较亮，与周围形成对比，效果良好。

3.2.3 绿光照明

利用绿光照明加上绿色滤波片，对相应温度节点下的试件进行图像采集。结果如图10所示。

图10 各温度下绿光成像 Fig.10 Imaging of green light at different temperatures

由图10可知，(1)绿光波长比红光短，在1 000 ℃的时候表现要好于红光，有着较好的对比度，可以进行计算；(2)当温度到达1 200 ℃的时候，绿光照明也无法识别被测物。绿光照明下，除了绿色散斑和白色散斑之外，其他都会吸收绿光。因此，绿色、白色、以及颜色相近的蓝色散斑在绿光照明下在图片上显白色，能与周围形成灰度差，有着较高的对比度，效果优于其他颜色散斑。

3.2.4 蓝光照明

采用蓝光主动照明，并加上蓝光滤波片进行图像采集，结果如图11所示。

图11 各温度下蓝光成像 Fig.11 Imaging of blue light at different temperatures

可以看出：(1)蓝光波长比之前的光源更短，在1 000 ℃表现依然不错，在1 200 ℃只能依稀看到零碎的散斑，几乎没有对比度，但整体优于绿光；(2)黄色散斑在蓝光下表现较差，蓝色散斑在蓝光照明下非常清晰，由于蓝色的散斑会反射蓝光，所以使得图片上蓝色散斑的位置都是白色，与试件背景形成良好的对比，效果很好。

3.2.5 紫外光照明

利用紫外光加紫外滤波片进行图像采集。结果如图12所示。可以看到：(1)常温下图像不具有较高的对比度，但在高温下对比度很好，在1 200 ℃时依然可以成像，比之前所有的方法都好；(2)散斑和试件对紫外光的吸收率不同，因此会有不同的灰度显示，且散斑的灰度要比试件小，能够形成一定的灰度差；(3)蓝色散斑在1 000 ℃以下呈白色，其余均呈黑色。在紫外光照明及高温环境下，蓝色散斑对紫外光吸收率最低，反射了大部分的照明光线，导致看起来比其他的散斑都要白，从而也就有着不错的对比度；(4)由于高温漆和试件对紫外光的吸收率不一样，因此，在图像上看来会有灰度区别。而且，试件在高温情况下对紫外光有着较高的反射率，而黑色散斑对紫外光的反射最低，因此黑色散斑的灰度要比试件低，能形成灰度差，所以用黑色散斑也可以有很好的成像。

图12 各温度下紫外光成像 Fig.12 Imaging of UV light at different temperatures

3.2.6 实验结论

综合前面的实验结果可知，在进行高温DIC测量时，采用不同光源和不同滤波片进行照明时，由于与光源颜色对应的散斑会反射相应的光源，在该种单色光下，该颜色的散斑基本会呈现白色，从而与被测物形成一定的灰度差。但是，高温下的背景辐射限制了长波波段的单色光的使用。而紫外光的波长更短，可以极大程度的抑制黑体辐射的影响，所以采用紫外光源是一个最优的选择。虽然没有相应颜色的散斑，但由于高温环境和在紫外光照明的特殊性，材料对紫外光的吸收率远低于散斑对紫外光的吸收率，即散斑要比材料本身暗一些，因此，从图像上来看，散斑本身与黑底材料就具有良好的对比度，可以不需要先涂一层底色。对于黑底材料，黑色或蓝色的散斑成像效果优于其他颜色。

3.3 白底材料实验

3.2章节中所用材料底色是黑色，为了验证3.2.6中结论的通用性，将被测试件更换为相同材料的白色试件，利用之前已经选出的最优的紫外光进行照明。在实验过程中，当温度到达600 ℃进行图像拍摄，发现试件在高温下发生氧化，底色基本变黑，如图13所示。在之后的温度节点，观测结果与3.2.5章节一致，表明了在高温环境下利用紫外光照明时，直接将散斑喷涂在试件上这一方法的通用性。

4 结 论

由上述实验可以得出，(1)高温DIC测量时为了减小黑体辐射的影响，必须采用单色光主动照明加上相应滤波片，而当散斑颜色与照明光源一致的时候，会反射照明光源，在图像上有较高的灰度值，与背景有明显的差异，形成良好的灰度特征。所以，采用某种光源照明时，喷涂与其颜色对应的散斑可以得到优秀的成像，这也就证明了前面提出的想法。但是，当温度到达800 ℃以上时，即使采用单色光照明并滤波的方法，图像也会逐渐模糊，从而导致数字图像相关方法失效，且光源波长越长，失效越早。因此，高温DIC测量时，紫外光是合适的光源；(2)高温测量环境以及采用紫外光照明这一方式，可以直接采用被测物本身作为底色。由于高温漆和试件对紫外光的吸收率不一样，虽然没有与紫外光对应颜色的散斑可以提供，但是在图片中会呈现出不同的灰度值。无论散斑显示白色或是黑色，紫外光照明下均有良好的对比度，可以进行相关运算。而如果采用传统的制斑方法，由于高温环境下黑体辐射的影响，对比度并不优于直接喷涂散斑。因此，利用数字图像相关方法做高温测量时，采用紫外光照明，并直接在试件上喷涂蓝色或者黑色散斑，在1 200 ℃时仍能获取最佳图像。这种做法能够保证数字图像相关方法在高温下的可行性与稳定性。