劉光利,姜紅艷

(解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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數(shù)字散斑相關(guān)方法的原理及土木工程應(yīng)用簡(jiǎn)介

劉光利,姜紅艷

(解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)是一種全場(chǎng)、無(wú)接觸、高自動(dòng)化和高精度的光學(xué)變形測(cè)量方法，與其它變形測(cè)量技術(shù)相比數(shù)字散斑相關(guān)方法有其獨(dú)到的優(yōu)越性能。經(jīng)各研究學(xué)者不斷的研究改進(jìn)，數(shù)字散斑相關(guān)方法的理論逐漸完善，作為一種固體材料表面變形測(cè)量方法，在固體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，同時(shí)在土木工程變形測(cè)量中得到較快的發(fā)展。本文對(duì)該方法的基本原理、模型及決定測(cè)量精度的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)對(duì)其在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：相關(guān)系數(shù)；誤差分析；整像素搜索法；亞像素搜索法

0引言

數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital Speckle Correlation Method,DSCM)，又稱數(shù)字圖像相關(guān)方法(Digital Image Correlation Method,DIC),由日本的Yamaguchi[1],美國(guó)的Peters、Ranson等[2]于20世紀(jì)80年代初提出。高建新[3]是我國(guó)最先對(duì)該測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究的學(xué)者。DSCM是圖像處理技術(shù)與光學(xué)變形測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是基于物體表面散斑灰度分析獲取位移和應(yīng)變信息的光學(xué)測(cè)量方法。

與接觸式應(yīng)變測(cè)量法相比，DSCM的測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單，測(cè)量時(shí)設(shè)備無(wú)須與試件相接觸，省確了傳感器較為繁瑣的安裝過(guò)程，消除了傳感器安裝所引起的測(cè)量誤差；受限傳感器的大小，接觸式應(yīng)變測(cè)量只能反映傳感器所在部位的應(yīng)變信息，而數(shù)字散斑相關(guān)方法可獲取攝像鏡頭下的全場(chǎng)應(yīng)變信息；由于攝像機(jī)可連續(xù)拍攝，可方便的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。與光彈貼片、散斑干涉技術(shù)等傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量方法相比，DSCM對(duì)光路的要求相對(duì)簡(jiǎn)單，其試驗(yàn)光源可用自然光或普通的照明光，不需要進(jìn)行干涉條紋的處理，且其對(duì)測(cè)試環(huán)境、隔振要求較低。

DSCM具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)當(dāng)前其它變形測(cè)量技術(shù)的不足，在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的努力下，其理論和技術(shù)不斷完善，其應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域中得到體現(xiàn)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合土木工程特點(diǎn)，將數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于土木工程變形測(cè)量中，彌補(bǔ)了常規(guī)變形測(cè)量方法在土木工程中的不足，解決常規(guī)變形測(cè)量方法難以解決的很多難題，為節(jié)省工期和降低工程成本提供了技術(shù)堅(jiān)持。

1數(shù)字散斑相關(guān)方法原理

1.1基本原理

如圖1所示，DSCM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)、加載系統(tǒng)組成。打開(kāi)能滿足實(shí)驗(yàn)要求的光源，通?？捎米匀还饣蚱胀ǖ恼彰鞴?，調(diào)整攝像機(jī)鏡頭與試件表面垂直；對(duì)試件加載，用攝像機(jī)采集試件表面變形前后的散斑圖像；分析兩幅散斑圖灰度分布變化，對(duì)兩幅散斑圖進(jìn)行相關(guān)搜索，實(shí)現(xiàn)變形測(cè)量。將變形前圖像稱為“參考圖像”，變形后圖像稱為“目標(biāo)圖像”，經(jīng)過(guò)加載后參考圖像與目標(biāo)圖像的散斑灰度信息會(huì)存在微小的差異，這種微小差異的本質(zhì)是位移和應(yīng)變引起的。

圖1測(cè)量系統(tǒng)

圖2匹配示意圖

(1)

(2)

在(2)式中u、v分別是點(diǎn)P在x、y軸上的位移。通常物體表面除發(fā)生x、y軸上的位移外，還有拉伸、彎曲、剪切等變形，目標(biāo)子區(qū)上任一點(diǎn)的坐標(biāo)信息可用點(diǎn)P位移及增量表示。參考子區(qū)上任一點(diǎn)Q(X,Y)在目標(biāo)子區(qū)上對(duì)應(yīng)點(diǎn)Q*(x*,y*)，有：

(3)

(3)式中Δx、Δy為點(diǎn)Q到點(diǎn)P的距離。上述過(guò)程為相關(guān)匹配，是整個(gè)相關(guān)搜索過(guò)程的核心。為了評(píng)價(jià)匹配結(jié)果定義了一個(gè)參數(shù)C，稱為相關(guān)系數(shù)，相關(guān)搜索就是通過(guò)尋找參數(shù)C的極值點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常根據(jù)參數(shù)C的定義，當(dāng)C=1時(shí)表示匹配的結(jié)果完全相關(guān)，即目標(biāo)子區(qū)與參考子區(qū)完全相似。

1.2相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)是相關(guān)搜索能否實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)搜索的關(guān)鍵性因素，因而相關(guān)系數(shù)的選擇是至關(guān)重要的。相關(guān)系數(shù)應(yīng)具有計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、靈敏、穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。簡(jiǎn)單的計(jì)算過(guò)程能保證搜索快速的完成，減少了搜索的時(shí)間；為實(shí)現(xiàn)相關(guān)匹配的精準(zhǔn)，避免出現(xiàn)多個(gè)相似程度大的點(diǎn)，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算過(guò)程應(yīng)靈敏；如果計(jì)算過(guò)程不穩(wěn)定，將導(dǎo)致相關(guān)匹配的最優(yōu)值判斷困難；抗干擾性強(qiáng)能降低相關(guān)搜索過(guò)程中受振動(dòng)、噪音的影響。對(duì)于相關(guān)系數(shù)的定義有很多，金觀昌、孟利波等[5]進(jìn)了歸納，并以各相關(guān)系數(shù)為依據(jù)進(jìn)行了相關(guān)搜索，對(duì)搜索結(jié)果進(jìn)行了比較、評(píng)價(jià)。幾種最典型相關(guān)系數(shù)定義如下：

直接互相關(guān)系數(shù)

(4)

標(biāo)準(zhǔn)化互相關(guān)系數(shù)

(5)

標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)方差互相關(guān)系數(shù)

(6)

最小平方距離相關(guān)系數(shù)

(7)

歸一化最小平方距離相關(guān)系數(shù)

(8)

零值歸一化最小平方距相關(guān)系數(shù)

(9)

1.3誤差分析

由眾多學(xué)者的研究結(jié)果可知DSCM的測(cè)量精度可達(dá)到0.01像素，然而其精度受測(cè)量過(guò)程中眾多因素的影響,誤差主要來(lái)源于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)所境的環(huán)境，根據(jù)產(chǎn)生的原因?qū)⒄`差劃分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差[6]。系統(tǒng)誤差主要有：

1.攝像機(jī)鏡頭與試件表面不垂直引起的誤差[7]。散字散斑相關(guān)方法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求試件表面與攝像機(jī)鏡頭保持垂直。在實(shí)驗(yàn)中是很難保證絕對(duì)垂直的，因而必然引起系統(tǒng)誤差。

2.由離面位移造成的系統(tǒng)誤差[8-9]。在加載過(guò)程中試件表面必然有由變形引發(fā)的離面位移，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

3.子區(qū)位移模式假設(shè)造成的系統(tǒng)誤差。由公式(1.3)可知，相關(guān)匹配的過(guò)程是一個(gè)近似的過(guò)程，因而必然有誤差的產(chǎn)生?？赏ㄟ^(guò)選擇合理的散斑尺寸[10]、搜索子區(qū)大小[11]來(lái)減小該誤差。

4.亞像素重建造成的系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)中試件表面位移和應(yīng)變通常不是整像素倍，為保證測(cè)量結(jié)果的精度，亞像素搜索前需要對(duì)散斑圖像進(jìn)行亞像素重建。而重建過(guò)程的必然有誤差產(chǎn)生。

5.亞像素運(yùn)算方法的誤差。

隨機(jī)誤差主要有：光源光強(qiáng)的不穩(wěn)定引起的誤差，可以通過(guò)選照明穩(wěn)定的光源來(lái)減小誤差；實(shí)驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)引起的誤差；噪音引起的隨機(jī)誤差，根據(jù)噪音的來(lái)源分為外部環(huán)境噪音及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)噪音。

1.4散斑質(zhì)量評(píng)定參數(shù)

《秀才胡同》對(duì)修辭更為在意，使用也極盡能事，苦心營(yíng)造以此營(yíng)造古典美的意境，后者則并不拘泥于對(duì)修辭的使用，僅在適當(dāng)處選用。

試件的表面應(yīng)有高質(zhì)量的散斑場(chǎng)，使拍攝時(shí)有足夠充分的灰度變化信息，確保識(shí)別唯一性，從而保證匹配結(jié)果的可靠性和測(cè)量結(jié)果的精度。當(dāng)實(shí)驗(yàn)試件表面的散斑場(chǎng)不能滿足實(shí)驗(yàn)的需要時(shí)，可通時(shí)在試件表面人工制斑來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。研究證明散斑場(chǎng)質(zhì)量在很大程度上影響著測(cè)量結(jié)果的精度[12-16]，因而散斑質(zhì)量的評(píng)定是DSCM中一個(gè)極其重要的問(wèn)題。

近年來(lái)研究人員提多種參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)散斑圖優(yōu)劣，其中這些參數(shù)可分為局部參數(shù)和全局參數(shù)，局部參數(shù)只能評(píng)定單個(gè)子區(qū)范圍內(nèi)的散斑質(zhì)量，全局參數(shù)可對(duì)全局范圍內(nèi)的散斑質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。局部參數(shù)有，Sun 、Pang等[13]提出的圖像子區(qū)熵(subset entropy)、Pan、Xie等[14]提出的圖像子區(qū)灰度梯度平方和(sum of square of subset intensity gradient)等，局部參數(shù)不方便于實(shí)際應(yīng)用。全局參數(shù)有，Lecompte、Smits等[15]提出的散斑顆粒平均大小(mean speckle size)、潘兵、吳大勇等[16]提出的散斑圖平均灰色梯度等。

2數(shù)字散斑相關(guān)搜索方法

相關(guān)搜索是保證DSCM實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵過(guò)程，搜索方法分為整像素搜索和亞像素搜索兩類(lèi)。進(jìn)行整像素搜索時(shí)，假設(shè)子區(qū)只有位移，不考慮子區(qū)的變形，相關(guān)計(jì)算時(shí)只有u、v兩個(gè)位移參量，其搜索位移值以整像素為單位。當(dāng)整像素搜索的精度達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，需要在整像素搜索的基礎(chǔ)再進(jìn)行亞像素搜索。精度和運(yùn)算時(shí)間是搜索方法要重點(diǎn)考慮兩個(gè)因素，搜索方法優(yōu)劣是由這兩個(gè)因素決定的。

2.1整像素搜索

在數(shù)字散斑相關(guān)方法提出的初期，相關(guān)搜索是通過(guò)對(duì)全局范圍內(nèi)的像素點(diǎn)逐個(gè)搜索來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種搜索方式計(jì)算量大，使得相關(guān)搜索的實(shí)現(xiàn)較慢。為了提高效率，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)相關(guān)搜索的方法做了大量的研究，提出多種搜索方法以使相關(guān)搜索能快速、精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。其中整像素搜索法主要有粗-細(xì)搜索法、十字搜索法、爬山搜索法等。

2.1.1粗-細(xì)搜索法[17]

粗-細(xì)搜索法也被稱為金字塔搜索法。為減小搜索工作量，避免對(duì)全局范圍內(nèi)的像素點(diǎn)逐個(gè)搜索，先用較大步距進(jìn)行全局范圍的搜索，計(jì)算出所有步距點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)值，從中選出最大值點(diǎn)；縮短搜索步距，對(duì)以該相關(guān)系數(shù)最大值點(diǎn)為中心的較小散斑圖像范圍實(shí)施搜索；繼續(xù)縮短搜索步距，重復(fù)搜索，至找到整個(gè)散斑圖像中相關(guān)系數(shù)的極大值點(diǎn)或閥值點(diǎn)。對(duì)比逐點(diǎn)搜索，該方法的搜索速度有很大的改善，但通常不易搜索到全局相關(guān)系的極大值點(diǎn)，因而設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)拈y值是搜索能否精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.1.2十字搜索法[18]

依據(jù)相關(guān)系數(shù)曲面單峰性的假定，可以將二維搜索轉(zhuǎn)化為一維搜索，使得搜索工作量減小，降低運(yùn)算量，加快搜索速度。相關(guān)系數(shù)曲面單峰性是在理想試驗(yàn)環(huán)境下才會(huì)出現(xiàn)的，但正常試驗(yàn)環(huán)境下都會(huì)有噪聲存在，使得相關(guān)系數(shù)曲面主峰周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)若干次峰，這將干擾十字搜索法的搜索結(jié)果，芮嘉白等采取設(shè)置閾值方法解決了該問(wèn)題。另外相關(guān)系數(shù)曲面單峰性被破壞的情況也是可能出現(xiàn)的，大量實(shí)驗(yàn)表明相關(guān)系數(shù)曲面單峰性破壞的概率是很低的，因而一般情況下十字搜索法是適用的。

2.1.3爬山搜索法[19]

爬山搜索法主要過(guò)程有：

1.在搜索區(qū)域中選定任一點(diǎn)，計(jì)算該當(dāng)前點(diǎn)相關(guān)系數(shù)。

2.確定每次搜索步距為r個(gè)像素，依次考察當(dāng)前點(diǎn)八個(gè)方向的點(diǎn)(八個(gè)方向各方向平面內(nèi)夾角相等)，選擇其中相關(guān)系數(shù)值最大點(diǎn)為當(dāng)前點(diǎn)，該相關(guān)系數(shù)值最大點(diǎn)方向的稱為當(dāng)前搜索方向。

3.沿當(dāng)前搜索方向進(jìn)行搜索，如相關(guān)系數(shù)持續(xù)增大，則搜索方向不變；如某次搜索后的當(dāng)前相關(guān)系數(shù)減小，則再次考察當(dāng)前點(diǎn)八個(gè)方向的點(diǎn)，選擇相關(guān)系數(shù)最大的點(diǎn)的方向進(jìn)行搜索。

4.重復(fù)上述過(guò)程。當(dāng)當(dāng)前點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)大于所有八個(gè)方向的點(diǎn)時(shí)，減小每次搜索的步距，直至步距縮短為1個(gè)像素為止，此時(shí)可找到相關(guān)系數(shù)極大值點(diǎn)。

2.2亞像素搜索

散斑圖像的灰度分布信息通過(guò)離散的像素點(diǎn)表現(xiàn)出來(lái)的，整像素搜索都是以整像素為搜索單位進(jìn)行，通常實(shí)驗(yàn)試件表面的變形并不是整像素倍，實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行整像素搜索是不能滿足實(shí)際需要。為使測(cè)量結(jié)果滿足精度要求，通常可采取的措施有：提高攝像機(jī)鏡頭的分辨率，但當(dāng)分辨率提高到一定程度后，要繼續(xù)提高是不經(jīng)濟(jì)且技術(shù)上是有困難的；可采用放大倍數(shù)較高的光學(xué)成像系統(tǒng)滿足測(cè)量精度的需要，對(duì)散斑圖像進(jìn)行較大倍數(shù)放大后，往往使得可測(cè)面積嚴(yán)重縮小。采用亞像素搜索方法，經(jīng)眾多學(xué)者研究證明，該方法是提高測(cè)量精度最有效的方式。從DSCM提出至今，亞像素搜索方法已得到極大的豐富和發(fā)展，常用的亞像素搜索方法有曲面擬合法、梯度算、Newton-Rapshon( N-R)法、遺傳算法、插值法、頻域相關(guān)法、后概率算法等。

2.2.1曲面擬合法[20-22]

散斑圖像素點(diǎn)的不連續(xù)性，對(duì)相關(guān)系數(shù)的極值的搜索會(huì)產(chǎn)生偏差，如將相關(guān)系數(shù)的值擬合成曲面，則可較精確的找到相關(guān)系數(shù)極值點(diǎn)。文獻(xiàn)[21]中詳細(xì)介紹了曲面擬合法基本思路，先對(duì)散斑圖全局范圍進(jìn)行整像素搜索，依據(jù)搜索結(jié)果找到其中相關(guān)系數(shù)的最大值點(diǎn)，再對(duì)以該最大值點(diǎn)為中心的周?chē)鄠€(gè)點(diǎn)曲面擬合，進(jìn)而根據(jù)擬合曲面通過(guò)計(jì)算使得搜索的結(jié)果更精確。擬合的方式主要有二元二次多項(xiàng)式擬合、高斯函數(shù)擬合和二維拉格朗日插值擬合等。對(duì)于擬合窗口(擬合點(diǎn)個(gè)數(shù))選擇，并不是越大越好，文獻(xiàn)[22]、[23]中研究證明，最佳擬合窗口為3×3(像素)。

2.2.2基于梯度的亞像素位移算法

該方法簡(jiǎn)稱梯度算法，文獻(xiàn)[24]中介紹了梯度法的原理，根據(jù)DSCM的基本假設(shè)有：

(10)

其中

(11)

將(10)式對(duì)亞像素位移Δu、Δv進(jìn)行一階泰勒展開(kāi)，舍去展開(kāi)式中高階小量得：

(12)

對(duì)(7)式取駐值，可得：

(13)

Newton-Rapshon( N-R)法最初由Bruck等[26]提出，常用整像素搜索結(jié)果作為迭代初值，通過(guò)牛頓迭代找出相關(guān)系數(shù)的極值；遺傳算法是在近年來(lái)發(fā)展迅速的優(yōu)化搜索方法，是一種能實(shí)現(xiàn)多峰值的全局、快速、準(zhǔn)確搜索方法，該方法是依據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論和孟德?tīng)栠z傳學(xué)提出來(lái)的，文獻(xiàn)[27]中介紹了該方法實(shí)現(xiàn)過(guò)程，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了遺傳算法存在的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[28-30]中對(duì)多種亞像素搜索方法進(jìn)行了研究對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果分析了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通常插值法的計(jì)算工作量較大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，目前已較少使用；曲面擬合法的計(jì)算工作量小，運(yùn)算時(shí)間短，精度高，應(yīng)用的較多；梯度算法的計(jì)算效率高，精度較高；N-R法在經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算后，計(jì)算量較大，但其精度高，因而在當(dāng)前得到廣泛的應(yīng)用。

3在土木工程變形測(cè)量中的應(yīng)用

數(shù)字散斑相關(guān)方法有全場(chǎng)、無(wú)接觸、高自動(dòng)化和高精度等特點(diǎn)，因而其應(yīng)用過(guò)程低消耗、過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作和結(jié)果直觀，該方法自提出以來(lái)，土木工程中的眾多應(yīng)用展現(xiàn)其巨大的實(shí)用價(jià)值。由于散字散斑相關(guān)方法測(cè)量裝置簡(jiǎn)易性，使其在土木工程中的應(yīng)用十分方便，國(guó)內(nèi)外很多實(shí)例證明了將數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于土木工程變形測(cè)量的可行性與優(yōu)越性。

在土木工程結(jié)構(gòu)變形測(cè)量中的應(yīng)用有，Yoneyama等[31]用DSCM為實(shí)驗(yàn)手段測(cè)出了橋梁的撓度曲線，并采用橋梁自然散斑和人工制作散斑兩種方式進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)證明這兩種方式的測(cè)量結(jié)果相同。國(guó)內(nèi)學(xué)者郭勇[32]也用該方法測(cè)量了橋梁的撓度，并其應(yīng)用于工程實(shí)例中。臺(tái)灣 Shih-Heng 等[33]分析了砌體墻中裂縫的演化過(guò)程，加拿大Küntz Michel 等[34]運(yùn)用數(shù)字散斑相關(guān)方法研究了混凝土梁的剪切裂縫，美國(guó)學(xué)者J.D.Helm[35]研究了混凝土板的裂縫發(fā)展過(guò)程，天津大學(xué)王靜、李鴻琦等[36]監(jiān)測(cè)了橋梁裂縫的發(fā)展，證實(shí)將DSCM運(yùn)用于結(jié)構(gòu)變形測(cè)量的可行性與優(yōu)越性。由于攝像機(jī)可連續(xù)拍攝，數(shù)字散斑相關(guān)方法可實(shí)現(xiàn)動(dòng)位移的測(cè)量，蘇州大學(xué)陳大慶在斜光軸情況下測(cè)量橋梁靜態(tài)和動(dòng)態(tài)位移[37]，胡建軍等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[38]，王言磊測(cè)量了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)位移[39]。

通常巖石表面存在的天然散斑場(chǎng)能滿足DSCM的要求。在巖石力學(xué)的變形測(cè)量中，常用的手段是電應(yīng)變測(cè)量和聲波發(fā)射測(cè)量，它們都屬于點(diǎn)測(cè)量，通過(guò)在待測(cè)試件上貼應(yīng)變片或聲波發(fā)射傳感器來(lái)傳遞測(cè)量所需信息，基于DSCM的優(yōu)越性能，近年來(lái)在巖石力學(xué)變形測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)有。文獻(xiàn)[40]中設(shè)計(jì)了大理石的單軸壓縮和花崗巖的粘滑兩個(gè)試驗(yàn)，證實(shí)了DSCM用于巖石變形測(cè)量的可行性與優(yōu)越性，作者在文中介紹了測(cè)量的實(shí)驗(yàn)步驟。馬少鵬、金觀昌等[41]證實(shí)巖石材料表面具有良好的散斑結(jié)構(gòu)，測(cè)量了巖石-水泥樁基界面及鋼橋鉚接處的變形，通常傳統(tǒng)的測(cè)量方法解決不了該類(lèi)問(wèn)題。文獻(xiàn)[42-46]以DSCM為試驗(yàn)觀測(cè)手段對(duì)巖石的多種破壞形式進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了各種巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜破壞過(guò)程，同時(shí)對(duì)破壞過(guò)程中表面變形演化特征進(jìn)行了分析。李元海、靖洪文等[47]采用自主研發(fā)的DSCM變形測(cè)量軟件,對(duì)隧道圍巖的變形破壞模式進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)圍巖在不同圍壓作用下的變形破裂過(guò)程進(jìn)觀測(cè)和研究。雷冬、喬丕冬等[48]以高速攝像機(jī)采集了花崗巖在動(dòng)荷載作用下散斑圖像，用DSCM為觀測(cè)手段研究了巖石在動(dòng)荷載作用下的變形狀況，同時(shí)分析了拉應(yīng)變場(chǎng)與巖石破壞形態(tài)的關(guān)系。代樹(shù)紅、馬勝利等[49]以DSCM為手段對(duì)沉積層表面變形場(chǎng)的演化過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，通過(guò)測(cè)量的結(jié)果分析了基巖斷層位移與沉積層厚度之間的聯(lián)系。陳智強(qiáng)、張永興等[50]以DSCM為實(shí)驗(yàn)手段對(duì)深埋隧道圍巖巖爆傾向進(jìn)行了觀測(cè)與研究，同時(shí)分析了在不同巖石強(qiáng)度、開(kāi)挖速度和支護(hù)作用的情況下的圍巖巖爆發(fā)生的規(guī)律。

4結(jié)語(yǔ)

DSCM作為一種有效的表面變形測(cè)量技術(shù)，經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展日漸成熟和完善，從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，其理論越來(lái)越完善，搜索速度越來(lái)越快，精度逐漸提高；從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，其發(fā)趨勢(shì)表現(xiàn)在，從宏觀測(cè)量向微觀測(cè)量方向發(fā)展，靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展，常規(guī)環(huán)境向惡劣環(huán)境發(fā)展。將數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于土木工程是可行的，通常建筑物(構(gòu)筑物)構(gòu)件和巖石表面具有高質(zhì)量天然散斑場(chǎng)，能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的需要，與傳統(tǒng)土木工程變形測(cè)量方法DSCM存在某些方面的優(yōu)勢(shì)，其無(wú)接觸測(cè)量、全場(chǎng)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)能解決工程應(yīng)用中許多的難題。DSCM作為一種新興的光學(xué)變形測(cè)量技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展空間及應(yīng)用前景，同時(shí)也存在著很多急待解決的問(wèn)題。

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Principle of Digital Speckle Correlation Method and Its Applications
in Civil Engineering Deformation Measurement

LIU Guangli,JIANG Hongyan

(College of Defense Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)

Abstract:As a non-contact, high automation and high precision optical deformation measurement method, Digital speckle correlation method (DSCM) is more outstanding than convention deformation measuring technology. After constantly improvement, the theory is becoming increasing sophisticated. As a solid material surface deformation measurement method, DSCM was widely used in solid mechanics experiment, and gets quickly development in the civil engineering deformation measurement. DSCM and its applications in civil engineering are illustrated in this article.

Key words:correlation coefficient; error analysis; integral pixel search method;sub-pixel search method

收稿日期：2015-04-21 2015-05-20 2015-04-24

作者簡(jiǎn)介：劉光利(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)變形測(cè)量。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150611

中圖分類(lèi)號(hào)：TU18

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)06-052-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2014ZX07405-003-03)；安徽省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A109) 安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2009B007)