基于数字图像相关法的光学引伸计系统开发

毛霜霜，吴 佳

（上海大学 力学系，上海 200444）

随着科学技术的不断进步，对变形量的测量由过去的机械式测量发展为光学非接触测量[1－2]。数字图像相关测量技术是近年来发展较快的一种光学测量方法，它利用图像分析方法[3]，跟踪物体表面图像子区域的运动形态，推算物体变形的位移[4]和应变[5－7]。目前的数字图像相关法多用于实验后处理[8－9]，计算某些特殊点或全场的位移及应变。为了适应实时性的要求，本文自行研制了集实时变形测量和全场分析于一体的光学变形测量系统。

1 数字图像相关法基本原理

数字图像相关法是通过对变形前后物体表面随机分布的灰度图像的相关匹配关系，跟踪图像上各点的运动，从而获得物体表面变形信息的数字化过程[10]。实现的一般过程：使用CCD相机记录物体变形前后的数字化灰度图像，将变形前的图像作为参考图像，变形后的图像作为目标图像，在目标图像上识别参考图像中各点的位置，将变形测量转换为数字化的相关计算；相关计算时，首先确定一组合适的变量来表征图像变形前后的位移及变形，通过建立一个衡量图像相似程度的数学标准，判断参考图像上的目标点在目标图像上的位置，最后通过一种高效的搜索方法确定目标点的位置，从而获得目标点的位移及变形参量和全场的变形。因此，只要获得被测物体不同受力状态下的数字图像，就能应用数字图像相关法获得变形信息，实现非接触的光学测量。

1.1 非均匀变形场事后分析的原理

1.2 均匀变形场实时测量的原理

在加载前，先选好均匀变形场实时测量的对象——位移或应变。考虑到软件的运行速度，在测量位移时，最多选择10个点；在测量应变时，选择一个矩形区域的4个顶点，如图1所示。

图1 应变实时测量的原理图

软件通过比较矩形的4条边在当前幅图像与参考图像中的长度变化率计算出应变，并将水平方向和竖直方向的应变－时间曲线在屏幕上实时绘制。水平方向的应变值是取矩形的两条横边长度变化率的均值；竖直方向的应变值是取矩形的两条竖边长度变化率的均值。公式分别为：

由于图像的分辨率为1376×1035像素，若两点之间的标距设为1000像素，考虑到DIC位移测量精度可达到0.01像素，利用上述公式，可以使均匀变形场的应变精度达到10微应变。

2 光学引伸计测试系统

2.1 系统组成

光学引伸计测试系统包括光学引伸计测试设备、加载装置、加载装置的控制设备和实时监控设备，如图2所示。光学引伸计测试设备由1376×1035像素的Baumer相机和1394接口卡组成。将待测试件竖直夹持在加载装置上，并使用稳定光源对试件表面进行均匀照明。将Baumer相机放置于待测试件前，调整相机，使其光轴垂直于试件表面（即相机靶面与试件表面平行）并聚焦成像。该光学引伸计测试系统的最高测量速度可以达到20帧／秒。

图2 光学引伸计测试系统

2.2 实验前的准备工作

数字图像相关法在单相机系统下只能用于测量平面物体的面内变形。实验前要做好以下5项准备工作：第一，在试件表面用激光或喷漆形成人工散斑，也可以利用试件表面的自然灰度特征，如图3[12－15]所示，使试件表面具有随机分布的灰度特征；第二，用砂纸打磨试件表面，使表面形成一个平面或近似一个平面；第三，对试件进行预载，拉直其表面后再夹持，减少实验时由于试件表面折曲引起的离面变形，特别是比较薄的材料；第四，通过调整相机三角架，使相机靶面与试件表面平行；第五，使用均匀稳定的光源，并注意在实验过程中不要遮挡光源，保证测试过程中试件表面同一点的灰度保持不变。

图3 适用于数字图像相关方法的散斑表面

3 实验例证

3.1 铝板单向拉伸实验

铝板单向拉伸实验是均匀变形场实时测量。实验前对铝板试件表面喷漆，获得试件表面的灰度特征，以提高计算精度；装夹试件，见图4，并对试件进行预载；打开实时测量软件，通过屏幕调整相机焦距；选择应变作为实时测量对象，为了提高计算精度，在试件的中间位置选取距离较大的4个点构成矩形，输入相应计算参数。在加载过程中，应变－时间曲线自动放大，并显示最大应变值、最小应变值、当前应变值及当前时间，如图5所示。试件受轴向力作用发生均匀变形。为了比较，实验前在铝板试件表面中心位置贴2片电阻应变片，方向如图4所示。

图4 铝板的单向拉伸实验

图5 实时应变－时间曲线

当被测区域离开相机视野或受到其他干扰因素时，系统自动停止测量，见图6（a）；当数据的相关性比较差的时候，曲线会以红色显示，当相关性过低时，系统自动停止测量，见图6（b）。

图6 测试自动停止界面

铝板试件的数字图像相关法实验结果与电阻应变片测量结果的比较见图7。从图7中可以看出，实验开始阶段（即前面16个图片序号），数字图像相关法计算的应变值与电阻应变片测得的应变值几乎完全重合，证明了数字图像相关法的可行性；然而从第17号图片起，由于试件变形过大，电阻应变片无法粘合在试件表面以至于测量失效，而数字图像相关法还可以继续测量。理论上，只要被测区域仍在视野范围内就可以通过数字图像相关法进行变形测量，该系统稳定性高。

图7 数字图像相关法计算的结果与电阻应变片测量结果的比较

3.2 低碳钢的单向拉伸实验

低碳钢单向拉伸实验室是非均匀变形场实验。本实验的试件是两边缘有圆弧缺口的低碳钢板状试件，见图8（a），对该试件进行单向拉伸实验。加载过程中同步采集试件表面的灰度图像。实验结束后，根据软件的牛顿迭代法计算得到全场位移数据，把位移场数据读入，可读出变形过程的全场应变图，如图8（b）—图8（f）。从图中可以看到，最大应变首先出现在低碳钢弧形缺口处，并由边缘向中心扩展，直至整个截面都达到最大应变，此时缺口处截面达到全屈服。选用统一的应变标尺会导致小差值的应变图看不出应变分布状况，所以本实验选对用各图自配应变标尺。

图8 低碳钢的单向拉伸实验

4 结论

与传统的光学测试方法相比，数字图像相关法具有如下优势：（1）光路简单，无需特殊光源；（2）受外界影响小，对隔振条件要求不高；（3）测量范围和测量精度可以根据测量的需要进行调整；（4）数据处理自动化程度高。与传统的电阻应变片测量方法相比，数字图像相关法也有其优势。电阻应变片法是目前常用的测量应变的方法，具有精度高、测量结果稳定等优点，但是，电测方法是接触测量，要求被测试件有一定刚度，且只能点测量，不能得到全场信息，测量范围有限，不能测量大应变。数字图像相关法则是一种非接触全场测量方法，可以从整体上对物体变形规律进行分析，可以测量大变形，不但能得到非均匀场的变形信息，还能在变形过程实现实时测量。

基于数字图像相关法的光学引伸计测试系统不仅能在实验后实现全场变形测量，包括均匀场和非均匀场的全场变形测量，而且还能在变形过程中对试件进行实时测量，实时显示变形－时间曲线，是一种有效的实验测试系统。

（References）

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