数字图像相关技术在混凝土领域的研究进展

赵幸焕

（广东和协建设工程检测有限公司，广东 东莞523430）

数字图像相关（DIC）技术在20 世纪80 年代初由几名学者相继提出，是一种基于摄影测量法的测量技术，能够在物体变形前后，根据物体表面天然或人工制作的散斑场图像，通过一系列相关计算，来获取物体感兴趣区域的变形信息。近年来，数字图像相关技术作为一种评价方法被广泛应用于工程领域，它的基本思路是对变形前后的物体进行连续散斑图像采集，然后利用图像识别处理技术得到数字灰度场的位移和应变等，利用光学测量原理将问题转化为数学计算问题，由此来获得物体所需的参数。数字图像相关技术具有很多优点，如：测量过程和试验准备简单，仅需一或两台数字相机拍摄被测物体变形前后表面的数字图像；对测量环境要求低，在试验过程中无需激光照明和隔振等；适用范围广泛，可与不同的数字成像设备直接结合。由于以上突出的优点，数字图像相关技术成为了当前固体力学试验最重要、最受欢迎和应用最为广泛的变形测量技术[1]。

数字图像相关技术提出以来主要用于力学测试；但随着研究的进一步深入，其在混凝土领域的应用已经扩展到包括裂纹萌生和扩展、位移与应变测量、各种小尺寸和大规模的材料评估及结构安全评估等范畴。将数字图像相关技术与其他技术结合，能够进一步扩展其测量能力，得出更具可比性的测量结果。

1 数字图像相关技术的功能及其拓展

数字图像相关测量技术的基本原理是将变形前原始图像中的感兴趣区域划分为网格，将每个子区域认为是刚性运动；变形后，目标图像子区域的中心位置相对原始图像发生了移动且形状也发生了变化，故针对每个子区域按照预先定义的相关函数进行计算，寻找目标图像中相对于原始图像每个子区域相关系数为最大值的区域，即可确定该子区域变形后的位置，进而获得其位移。按照此方法对原始图像中划分的全部子区域进行计算，便可获得全场的变形信息。

图像采集通常使用电荷耦合器件（CCD）相机，以快速获得高分辨率的图像。对于二维数字图像相关测量，试样表面通常被要求是平坦的并保持在与摄像机传感器平行的平面上，试样通过天然散斑或人为制造的散斑图来达到足够的对比度，以便与变形后目标图像中的像素位置进行对比，由此进行相关识别。该方法在使用过程中计算复杂度小、计算精度较高。

1.1 三维数字图像相关方法

二维数字图像相关方法通常局限于平面物体的面内位移测量且要得到准确可靠的测量结果，对被测物体及其变形状态和成像系统还提出了一系列要求：被测物面需为平面或近似平面；摄像机光轴应与被测物面垂直或近似垂直且成像系统畸变误差可忽略；被测物体变形主要发生在面内，离面的位移分量非常小；被测物体表面具有随机的灰度分布，可以作为变形信息的载体并为后续的相关匹配提供特征。基于原有的二维图像相关方法与立体目视原理，Luo P F等[2]最先提出了三维数字图像相关方法（3D DIC），通过两台数字相机同时拍摄物体的图像，构建三维立体模型，对物体的三维形貌及变形进行分析。该方法克服了二维数字图像相关方法的局限，具有更广阔的适用范围和良好的精度；但由于需要考虑数字相机的参数及被测物体表面的几何特征，进行相关计算时形函数选择的复杂性增强。在三维数字图像相关方法的测量过程中，标定和匹配这两个关键步骤对计算结果有直接影响：标定是确定两个摄像机内外参数的过程，其精度会直接影响到最终测量结果；匹配是寻找测量系统中两个摄像机分别记录的数字图像中的对应点，通常被认为是立体视觉中最为困难的部分。潘兵等[3]用双目立体视觉成像系统标定方法和基于二次形函数的立体匹配方法实现了三维数字图像相关研究，用两个典型试验进一步验证了该方法的有效性。

三维数字图像相关方法的优点是仅需对试样表面进行简单处理，使其具有随机的灰度变化，试验准备简单；采用白光照明，对振动不敏感，对环境要求较低；适用范围广，测量范围适用于小变形（＞500 微应变）到大变形（几百应变）；避免干涉测量方法中涉及到的条纹图处理和相位展开，数据处理可以完全自动进行。其不足在于实现较为复杂，要求较高的数字图像处理技术和计算机编程水平，不适合宏观物体小变形（＜500 微应变）测量[4]。三维数字图像相关方法在三维形貌和变形测量、部分静载和动载试验、高温形变测量、大变形测量和残余应力分析等多方面中均有应用；为了提高其精度，应当进一步研究散斑特征与匹配误差关系、外界因素干扰对测量效果的影响，扩大其适用范围。

1.2 数字体图像相关方法

数字体图像相关方法是在数字图像相关方法的基础上进一步发展的测量方法。已有的二维、三维数字图像相关方法仅可用于物体表面变形测量，Bay B K 等[4]将数字图像相关方法推广至三维，提出了数字体图像相关方法（digital volume correlation，DVC），以松质骨为研究对象，通过匹配由显微CT 记录的变形前后的体图像，获得其在特定压缩载荷作用下的内部三维全场位移和应变。受此思想的启发，研究人员将数字体图像方法与各种体成像设备结合，不断拓展应用范围，应用对象也不断丰富，应用在试验力学中三维裂纹的局部变形研究和非均匀材料内部参数识别等研究中。

数字体图像相关方法测量物体内部变形的过程与数字图像方法测量表面变形的过程类似，主要分3步：数字体图像采集、位移场测量、应变场计算。二维数字图像相关测量时，可以在被测试样表面制作人工散斑图案以提高变形信息载体的对比度；但绝大多数情况下，数字体图像相关方法只能依赖被测物体内部的复杂成分或微结构体系在体图像中形成的灰度差异作为变形信息载体。由于研究对象、成像方式、图像特性的不同，与数字图像相关方法相比，数字体图像相关方法面临着更多困难和挑战，包括材料内部组成和结构的影响、各种因素对体图像质量的影响、相关算法的性能等[5]。

2 在混凝土领域的具体应用

混凝土作为一种在建筑中广泛使用的各向异性材料，对其相关性能及破坏机理等的探究必不可少，根据混凝土构件的特点改进的数字图像相关方法，能够更好地满足相关需求。数字图像相关技术能有效检测出混凝土裂缝出现的位置、损伤的发展趋势等，也为结构的安全评估提供新思路。

2.1 裂缝演变及断裂特性

数字图像相关技术已被用于混凝土裂纹检测，进一步提高了其观察损伤或失效、断裂特征和其他不连续行为的能力。Fayyad M T 等[6]通过数字图像相关技术研究了钢筋混凝土试件中的I 型裂纹及其扩展，研究结果进一步表明数字图像相关技术是测量裂纹张开位移的有效手段，能够可视化、定量地确定钢筋混凝土的断裂特性；Marek U 等[7]将使用二维数字图像相关技术得到的应变和位移与试验结果数据库进行对比，分析了BFRP 钢筋混凝土梁中裂缝的萌生和扩展；童晶等[8]使用数字图像相关技术实现了在混凝土表面出现肉眼可见裂缝前准确判断初裂的时间和位置，证实了其对混凝土结构耐久性寿命预测具有重要的意义。数字图像相关方法能够测量裂纹的宽度并且能够提供试件上裂纹宽度随荷载增加的演变过程，能够可视化、定量地确定混凝土的断裂特性，成为测量裂纹张开位移的有效手段。目前混凝土裂缝检测的人工观测方法、超声波检测方法、传感器监测方法等均能有效地获取裂缝信息；但时费时费力，受环境等因素的限制，难以捕捉微裂缝。而数字图像相关技术能够在不进行任何复杂测量的情况下，通过数字相机记录的混凝土变形前后表面图像，采用相关计算方法进行分析，对裂缝的几何形状进行重建，从而检测混凝土表面受损区域、裂缝萌生及发展状况。对于数字图像相关技术研究的新进展能够为断裂工程提供新的测量方法，并能够加深对混凝土开裂过程的深入研究。

2.2 位移与应变

混凝土作为各类土木结构中使用最为广泛的建筑材料，了解其受载时的位移和应变有助于对其性质及将出现在其表面的裂缝模式进行探究。目前普遍采用应变片等离散点抽样测量方法对混凝土构件受载变形的状态进行测量，测量结果往往不能有效反映试件的真实特性；而数字图像相关技术具有无损、非接触、对环境要求低、适用范围广和精度高等优点，能够测得混凝土在受载时的位移和应变发展且能够通过计算机软件计算进行定量分析。由于大刚体位移、低应变的变形特点，常规测量技术难以完成混凝土构件试验，戴宜全等[9]针对混凝土构件变形测试中大刚体位移、低应变量的特点，将数字图像相关方法改行了改进，更好地适应了工程试验中混凝土全场变形测量的要求。王凡等[10]将数字图像相关方法与CT 技术进行结合，直观地以图像形式呈现混凝土试件内部的应力应变过程，为研究混凝土内部结构的变形、破坏和稳定性提供了有效地可视化手段。毛灵涛等[11]采用数字体图像相关方法与X 射线CT 相结合测量试件内部三维变形场，分析内部变形的产生和发展过程。数字图像相关技术已经较为成熟地应用于混凝土结构构件受载时位移与应变的测量，凭借其优点为相关领域的试验提供了更优解决方案。

2.3 结构安全评估

数字图像相关技术通过计算位移和应变，能够评估混凝土材料在不同形式加载下的表征，检测混凝土材料的强度和机械性能，证实混凝土材料的承载能力，推断混凝土材料或结构的耐久性；同时，其能够检测结构损伤，测量裂纹的宽度并提供裂纹的萌发及演变过程，因此数字图像相关技术对结构安全评估有重要意义，也为结构安全评估提供了新的思路。三维数字图像相关方法可以作为评估定量健康状况的替代方法，将表面几何形状、位移和应变测量与基准线进行比较，或比较随时间的变化，可以表明结构和损伤位置的变化且具有长期监测的潜力，可以定期对结构进行成像，根据不同日期或不同运行条件下记录的图像计算应变和位移。一些研究人员将数字图像相关技术应用于捕捉结构的动态荷载下动态位移及动态响应。对数字图像相关技术的研究和使用，有助于高效地对结构安全进行评估。

2.4 其他方面的应用

以位移、应变和裂缝测量为基础，数字图像相关技术在混凝土领域可拓展至结构全场变形分析、混凝土中钢筋锈胀应力分析、钢筋混凝土梁断裂、混凝土损伤检测等方面。随着数字图像相关技术与其他测试技术的结合及改进计算方法、提高测量精度、克服环境影响等，其应用范围将会进一步拓宽。

3 应用中的问题

大量试验表明，测量中散斑图的质量对测量结果有一定的影响，当采用不同的散斑图时，即使试件的变形状态及相关的计算参数完全相同，最终的结果也会有所不同；因此散斑图的制作是试验中非常重要的一步，如何评价散斑图的优劣也成为了数字图像相关方法使用者十分关心的问题。已有评价散斑图优劣参数的研究[12]仍待进一步优化。对于数字图像相关技术的改进，数字体图像相关技术仍处于起步阶段，使用该方法进行测量评估的持续发展是当下研究的一部分。数字图像相关技术与其他检测系统的结合，也仍待进一步研究和应用；此外，受散斑制备质量、计算参数选取、缺乏有效的计量方法标定等诸多因素的影响和制约，其测量结果的一致性和正确性难以得到保证且与应变片技术相比，数字图像相关技术的应变测量精度仍不够高；虽然基于子区的亚像素位移算法相比于基于有限元的全局计算方法计算效率更高，但仍然难以满足实时测量的需求，尤其对于高速动态测量及一系列特殊的应用场合，目前商业测量系统的适用性仍然不足[13]。

4 结论与展望

尽管作为一种新兴的非传统测量技术仍有待进一步研究优化，但数字图像相关技术在混凝土领域已经有了广泛的应用并且具有很好的发展前景。从当前研究成果来看，数字图像相关技术已经被作为一种先进工具，在对混凝土的力学性能、位移与应变、裂缝的萌发与扩展以及混凝土结构安全监测等方面进行了应用。对于数字图像相关技术的研究仍有待进一步深入，其在实际应用中仍存在着许多问题，随着其算法的优化、精度的提高和处理分析系统的升级等，未来在混凝土领域会有更加广阔的应用前景。