DIC在测量中的应用

(广东工业大学土木与交通工程学院 广东 广州 510006)

一、数字图像相关性(DIC)的研究现状

土木工程实验测量的手段包括接触式和非接触式两种。DIC测量方法是一种通过数值计算来获取结构表面的全场位移和应变的非接触式全场光测技术，要求被测物体表面需要具备随机分布的灰度特征。

随着图像数码摄影技术的高速发展，DIC技术已经被广泛地应用于实际工程测量领域。DIC技术是由Yamaguchi和Peters等人于20世纪80年代首次提出，通过拍摄试件表面散斑的变化，利用数字图像相关函数追踪试件表面的变形，输出试件表面散斑位移。霍晓洋[1]针对桥梁挠度测量，提出基于图像相关的结构变形全过程测量技术。为了能使焊接材料在工程实际中得到有效的使用，杭超[2]等人采用DIC方法对一种钛合金焊缝在单轴拉伸载荷作用下的变形场进行测量。雷冬[3]等采用DIC方法研究了混凝土试块的压缩变形。

二、数字图像相关性(DIC)的基本原理

数字图像相关方法是一种基于连续图案的灰度变化的光学测量技术，目前在实验力学领域被广泛地接受和使用，它的基本原理就是运用散斑图的灰度分布作为试件变形信息的载体，通过跟踪(或匹配)物体表面变形前后两幅散斑图像中相应子区的变化，来获得该子区中心点的位移向量，最终得到试件表面的全场位移[4]。

数字图像相关方法的测量在实验拍摄时，假定结构表面只存在面内位移，不计结构表面与相机之间很小的离面位移误差。

根据数学的相关性系数概念，可知两幅图像的灰度相关系数可表示为：

(1)

式中I(x,y)，J(x,y)分别为变形前后图片的灰度分布矩阵；拍摄前后图片大小不变，A为图片的面积。由柯西不等式可知C不大于1。

为了追踪变形前后两张图片的全场位移，在变形前的图像中，取以待求点P(x,y)为中心的小参考子区，在变形后的图像中，以同样大小的子区图像，计算位移为(Δx,Δy)时的变形前参考子区与变形子区灰度的相关系数，当相关系数为极大值时，说明该变形后的子区与变形前的参考子区唯一对应，最终得到点P(x,y)的位移。如图1和图2所示，分别为DIC追踪位移流程图和数字图像相关原理示意图。

图1 DIC追踪位移流程图

图2 DIC原理示意图

变形前后子区的相关系数计算公式如下

(2)

其中，x，y为图像的像素坐标；相关值随变化,I,J分别为参考图像和比对图像像素的灰度分布；B为子区的面积；0≤C≤1。当C为极大值时，输出向量(Δx,Δy)即为P(x,y)的位移，单位是像素。

三、总结

随着DIC精度不断的提高，国内外逐渐有人将其用于土木工程振动响应测量领域当中。然而，目前将通过该测量方法得到的模态参数用于损伤识别还很少，当然该技术还存在很多方面缺陷，但我们相信DIC技术在损伤检测中会越来越被认可。