數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC)是一種用于測(cè)量物體變形及粒子移動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)變形過(guò)程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有便攜，速度快，精度高，易操作等特點(diǎn)，在各領(lǐng)域的科研和工程實(shí)踐應(yīng)用廣泛。
DIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量雖然有非接觸、精度高、全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，但一些因素也會(huì)對(duì)其測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響，本文將通過(guò)分析這些常見(jiàn)的造成誤差的因素，有效提升測(cè)試精度和可靠性。
另外，如何對(duì)DIC測(cè)量精度進(jìn)行有效驗(yàn)證也是用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，本文通過(guò)幾個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，把DIC測(cè)量的數(shù)據(jù)與應(yīng)變片、傳感器等測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)條件下其位移和應(yīng)變精度與應(yīng)變片、傳感器等測(cè)量數(shù)據(jù)高度吻合，有助于進(jìn)一步推動(dòng)其在實(shí)驗(yàn)力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用。
系統(tǒng)誤差分析
1、系統(tǒng)誤差分析
在傳統(tǒng)的數(shù)字圖像相關(guān)方法中,假設(shè)子區(qū)中的變形為常應(yīng)變，會(huì)帶來(lái)一定的截?cái)嗾`差。子區(qū)位移模式中如取太高次的泰勒多項(xiàng)式，又會(huì)使相關(guān)迭代的速度減慢。
通過(guò)子區(qū)位移模式中采用子區(qū)中心點(diǎn)位移的2次泰勒多項(xiàng)式來(lái)表示，這種用非常應(yīng)變子區(qū)位移模式代替常應(yīng)變子區(qū)位移模式的方法，既提高了測(cè)量精度，又提升了測(cè)試效率。
2、亞像素重建引起誤差
數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)依靠散斑圖像采集的恢復(fù)才能完成,覆蓋整個(gè)譜平面的空間散斑場(chǎng) ,經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)和光探測(cè)器件窗的兩級(jí)帶限 ,決定了不可能完全恢復(fù)該空間散斑場(chǎng)。
亞像素重建通過(guò)采用雙線性插值，多項(xiàng)式插值和樣條插值等方法來(lái)近似地恢復(fù)散斑圖像。這一定會(huì)引起相關(guān)計(jì)算中的系統(tǒng)誤差,從而給最后的測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。
3、離面位移引起誤差
實(shí)際三維變形與假設(shè)二維變形條件的推導(dǎo)會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)誤差。
用數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法測(cè)量的是物體表面的面內(nèi)位移和應(yīng)變，而實(shí)際存在的離面 位移會(huì)影響面內(nèi)應(yīng)變的測(cè)量,從而引起系統(tǒng)誤差。
4、CCD相機(jī)采集
CCD記錄不具有足夠的線性和系統(tǒng)的相差造成圖像失真，也會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)誤差。
隨機(jī)誤差分析
1、光源的光強(qiáng)不穩(wěn)定，隨時(shí)間變化。
2、CCD記錄的噪聲所帶來(lái)的誤差。一部分為環(huán)境噪聲，如地面振動(dòng)、電磁干擾、熱對(duì)流、光強(qiáng)波動(dòng)；CCD系統(tǒng)內(nèi)部噪聲。
3、CCD記錄的離散特性在空間采集和信號(hào)量化方面，都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)誤差。
數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用優(yōu)化
為了減少數(shù)字圖像相關(guān)方法的測(cè)量誤差，提高測(cè)試的可靠性,對(duì)于數(shù)字圖像相關(guān)方法的應(yīng)用優(yōu)化是非常關(guān)鍵的。
1、保證試件平面運(yùn)動(dòng)
因?yàn)橄嚓P(guān)計(jì)算中只考慮了面內(nèi)變形,所以限制離面位移是很有必要的,通常采取如下措施減少離面位移的影響,以達(dá)到盡量保證試件平面運(yùn)動(dòng)的目的。
（1）用預(yù)加載的辦法阻止試件產(chǎn)生離面位移；
（2）在光學(xué)成像方面采取措施。用大比率的物距與像距比的光學(xué)成像系統(tǒng),這樣能減小像的離面位移且限制了離面位移引起的附加面內(nèi)應(yīng)變；
（3）測(cè)出離面位移，用補(bǔ)償?shù)姆椒ㄅ懦x面位移的影響。
（4）采用測(cè)試試件的離面位移并通過(guò)校準(zhǔn)加以補(bǔ)償。
2、抑制環(huán)境干擾
1）利用隔震臺(tái)、充氣臺(tái)隔離地面振動(dòng)；
2）采用算法對(duì)熱氣流擾動(dòng)的位移場(chǎng)x,y,z方向的參數(shù)矩陣進(jìn)行修正，有效減小熱氣流對(duì)系統(tǒng)成像及測(cè)量精度的影響。
3）選用照明穩(wěn)定的光源，提高DIC系統(tǒng)采集圖像的穩(wěn)定性；
4）通過(guò)DIC設(shè)備的預(yù)熱，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3、可靠的初值預(yù)測(cè)
利用圖像采集過(guò)程實(shí)時(shí)相減功能，通過(guò)三維精密調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)攝像機(jī)系統(tǒng)的辦法，把剛體位移控制在一個(gè)小量級(jí)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)初始位移和位移導(dǎo)數(shù)賦常數(shù)零，即為初始估計(jì)值。
4、選擇適當(dāng)?shù)纳邎D
小尺寸、高對(duì)比度的散斑，可增強(qiáng)形變前后的兩個(gè)子區(qū)的圖像相關(guān)性 ,可加速迭代過(guò)程的收斂性。
通過(guò)調(diào)節(jié)成像鏡頭的光圈，合理地布置光源來(lái)改變照度，使之適應(yīng)CCD器件的響應(yīng)范圍，達(dá)到精確測(cè)量的目的。
在DIC圖像采集上，通過(guò)圖像灰度的直方圖，確定照度是否合理，保證圖像采集的質(zhì)量。
5、選擇合理的子區(qū)尺寸
DIC設(shè)備的CCD采集選擇合適測(cè)試結(jié)果的子區(qū)像素，減少相關(guān)函數(shù)計(jì)算中的隨機(jī)誤差，保證重復(fù)測(cè)試結(jié)果的一致性。
6、DIC軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理
DIC算法對(duì)采集的圖像進(jìn)行“處理后平均"，分別算出各個(gè)分量（如位移和位移梯度）的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差,提升測(cè)試的精度和可靠性。
新拓三維DIC系統(tǒng)精度驗(yàn)證
數(shù)字圖像相關(guān)法的精度驗(yàn)證，可采用所測(cè)得兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的最小位移量（以像素為單位）和最小應(yīng)變值。
采用DIC試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的方法，對(duì)新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試精度進(jìn)行驗(yàn)證，分析在試驗(yàn)應(yīng)用場(chǎng)景下的精度情況和測(cè)試數(shù)據(jù)可靠性。
壓縮加載DIC變形測(cè)試
采用壓縮加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精度驗(yàn)證；
? 在零部件表面粘貼應(yīng)變片，精度1微應(yīng)變；
? 測(cè)量軸向、徑向應(yīng)變，繪制時(shí)間-應(yīng)變曲線，將DIC數(shù)據(jù)與應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；
? DIC數(shù)據(jù)與應(yīng)變片值吻合很好，兩者應(yīng)變差別在20με以內(nèi)。
DIC測(cè)量數(shù)據(jù)與應(yīng)變片數(shù)采對(duì)比
測(cè)試過(guò)程，首先輸出DIC測(cè)量應(yīng)變場(chǎng)，繪制出關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變；然后，用DIC測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以看到XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)與應(yīng)變片值吻合很好，兩者應(yīng)變差別在20με以內(nèi)。
DIC測(cè)量數(shù)據(jù)-應(yīng)變場(chǎng)解算
DIC測(cè)量數(shù)據(jù)-應(yīng)變場(chǎng)解算
在三個(gè)不同加壓狀態(tài)下，DIC測(cè)量出來(lái)的應(yīng)變數(shù)據(jù)分別為： 0.285微應(yīng)變、93.1微應(yīng)變、205.896微應(yīng)變。
應(yīng)變片測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)為：0.206微應(yīng)變，73.552微應(yīng)變，217.215微應(yīng)變。應(yīng)變精度相差均在20微應(yīng)變之內(nèi)。
振動(dòng)實(shí)驗(yàn)位移DIC精度驗(yàn)證
? 通過(guò)天線反射器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行位移偏差對(duì)比；
? 通過(guò)激光位移傳感器獲取位移數(shù)據(jù)，精度1微米；
? 施加不同力載荷，每組采集20個(gè)數(shù)據(jù)，DIC與傳感器進(jìn)行精度對(duì)比；
? 位移精度0.01mm；
振動(dòng)觀測(cè)位移DIC精度驗(yàn)證
?通過(guò)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行位移偏差定性評(píng)估；
? 通過(guò)激振器施加微小載荷，飛機(jī)模型進(jìn)行振動(dòng)；
? 繪制時(shí)間-位移曲線，觀測(cè)振動(dòng)效果；
? 振幅0.1mm以內(nèi)有明顯的振動(dòng)趨勢(shì)。
通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)DIC測(cè)量誤差進(jìn)行了分析，并分析了各項(xiàng)DIC測(cè)量誤差的產(chǎn)生原因，以及相應(yīng)的DIC測(cè)量誤差消除和抑制誤差的軟硬件算法和優(yōu)化方案。
采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行DIC測(cè)試精度驗(yàn)證，位移與應(yīng)變測(cè)試精度與應(yīng)變片、傳感器等測(cè)試數(shù)據(jù)高度吻合，DIC系統(tǒng)的靈敏度、精確度和數(shù)據(jù)可靠性都得到了實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)用的驗(yàn)證。