邵新星 何小元 張瑾琳

(東南大學江蘇省工程力學分析重點實驗室, 南京 210096)

多尺度二維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)及其應用

邵新星 何小元 張瑾琳

(東南大學江蘇省工程力學分析重點實驗室, 南京 210096)

為了實現(xiàn)全場多尺度變形測量,利用三軸電動平移臺、4臺高分辨率相機、3個不同放大倍數(shù)的遠心鏡頭和1個顯微鏡頭組成了多尺度二維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng),采用該測量裝置可實現(xiàn)從宏觀到微觀尺度的變形測量.實驗結果表明:通過置于高精度三維可控平移臺上的二維數(shù)字圖像相關測量裝置,可實現(xiàn)任意微區(qū)的跟蹤觀測.經過標定的測量系統(tǒng)可以對觀測區(qū)域實現(xiàn)測量尺度的任意切換,達到所需要的測量精度及觀測要求.最后對貝氏體鋼腐蝕后的表面紋理進行了數(shù)字圖像相關測量.該測量系統(tǒng)對于裂紋尖端力學行為的研究具有很好的應用前景.

多尺度測量;數(shù)字圖像相關;變形測量;裂紋尖端

數(shù)字圖像相關技術(digital image correlation,DIC)是20世紀80年代由Yamaguchi等[1-3]提出的一種基于現(xiàn)代數(shù)字圖像處理和分析技術的實驗測試技術.30多年來,國內外的學者針對數(shù)字圖像相關中位移、應變計算精度的提高[4-5]、散斑質量的評價[6-7]、計算效率的提升[8-9]以及應用領域的拓寬做了大量的工作.目前,數(shù)字圖像相關技術已經廣泛應用于土木工程[10-11]、交通運輸[12]、材料工程[13]等科學領域.

數(shù)字圖像相關技術作為一種非接觸式的變形測量技術,主要用于材料或結構在荷載作用下的表面變形場測量.該技術具有全場測量、非接觸、光路相對簡單、測試視場方便調節(jié)、對測量環(huán)境無特別要求等優(yōu)點[14].通過在相機前安裝不同放大倍數(shù)的鏡頭,數(shù)字圖像相關方法可以實現(xiàn)從宏觀到細觀尺度的變形測量.將數(shù)字圖像相關方法與激光掃描共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡等相結合,該方法甚至可以實現(xiàn)微觀尺度的變形測量[14].雖然數(shù)字圖像相關方法的測量視場方便調節(jié),但是在一次實驗中往往只能選擇一種大小的視場(也即一種尺度),無法實現(xiàn)多種尺度的變形測量.

文獻[15]中為了實現(xiàn)對試樣的多尺度變形測量,使用了2種放大倍數(shù)的鏡頭(一種用于全局變形的觀測,一種用于局部變形的觀測),且使用這2種鏡頭開展了4次實驗.但是每一次實驗中只使用一種放大倍數(shù)的鏡頭,這就意味著在每一次實驗后都需要手動切換鏡頭并手動調整至觀測位置.這樣的方法非常繁瑣且對于局部變形測量難以對觀測位置實施定位和調焦.文獻[16]為了實現(xiàn)同一區(qū)域的2種尺度測量,提出了使用分光棱鏡的方法,在分光棱鏡的出射光口分別采用2種不同放大倍數(shù)的鏡頭進行觀測.使用分光棱鏡可以實現(xiàn)同一區(qū)域的多種尺度變形測量,但分光棱鏡的使用使得測量光路更加復雜.同時,文獻[16]中的裝置無法實現(xiàn)對感興趣微區(qū)的跟蹤測量.在細觀和微觀尺度下,當試件被加載后,感興趣區(qū)域很容易移動到測量視場以外,因此需要對其進行跟蹤測量.

本文為了實現(xiàn)數(shù)字圖像相關方法的多尺度變形測量,利用1臺三軸電動平移臺、4臺高分辨率的相機、3個不同放大倍數(shù)的遠心鏡頭和1個顯微鏡頭組成了多尺度二維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng).基于同心圓標定物下的系統(tǒng)標定以及自編軟件對3個高精度位移平移臺的精確控制,此系統(tǒng)可以對觀測區(qū)域實現(xiàn)測量尺度的任意切換,以達到所需要的測量精度及觀測要求.同時,此系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對感興趣微區(qū)的自動追蹤觀測.預制裂縫的貝氏體鋼三點彎實驗證明了此系統(tǒng)的可行性,且表明此系統(tǒng)對于裂紋尖端的測量具有廣闊的應用前景.

1 多尺度二維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)

1.1 數(shù)字圖像相關法測量面內變形

一般來說,數(shù)字圖像相關方法將被測物表面隨機分布的灰度作為物體表面的變形信息載體.相機(如CCD或CMOS相機)常被用于記錄被測物表面變形前后的灰度圖像.如圖1所示,利用相機拍下變形前的參考圖和變形后的一系列目標圖像,通過計算變形前、后子區(qū)的對應關系便可以獲得全場的位移信息.為了描述變形前、后子區(qū)的相似程度,需預先定義相關函數(shù),本文采用零均值歸一化互相關準則,其公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中,f(x,y)為參考圖中點(x,y)的灰度值;g(x′,y′)為變形圖中點(x′,y′)的灰度值;M為子區(qū)的半寬.

為了使得相關函數(shù)取得極值,需要使用亞像素位移算法,本文采用抗噪聲能力強的反向組合高斯-牛頓算法[4].計算得到全場位移信息后,通過逐點的局部最小二乘方法計算應變[17].

1.2 多尺度二維數(shù)字圖像相關測量裝置

通常的二維數(shù)字圖像相關測量裝置由單個相機和鏡頭組成.單個相機和鏡頭也就意味著單一的測量尺度.為了實現(xiàn)全場多尺度變形的測量,本文設計了如圖2所示的測量裝置.該測量裝置主要包括3個單軸平移臺組建的三軸平移臺(單軸平移精度可達1 μm)、4臺高分辨率相機(分辨率為3 840×2 748像素)、放大倍數(shù)分別為0.16倍、0.5倍、2倍的遠心鏡頭以及放大倍數(shù)為10倍的顯微鏡頭.在實驗過程中,可以任意切換4種放大倍數(shù)的鏡頭,以進行不同尺度下的變形測量.在裝置的前端安裝了一個環(huán)形的光源,在光源的環(huán)形部分和中間的圓形部分分別安裝了偏振片,以達到偏振照明的效果.在實驗過程中,偏振照明可以有效地消除金屬的反光,從而減小變形計算過程中的失相關.為了使得顯微鏡頭達到金相顯微鏡的效果,還對該鏡頭采用了同軸照明的照明方式.圖3分別為非同軸照明和同軸照明的實驗圖,只有使用同軸照明才能撲捉到金屬的組織成像(貝氏體和奧氏體).為了實現(xiàn)顯微鏡頭的同軸照明,在相機和顯微鏡頭之間安裝了分光同軸照明裝置.

(a) 參考圖像

(b) 目標圖像

圖2 多尺度二維數(shù)字圖像相關測量裝置

(a) 非同軸照明

(b) 同軸照明

1.3 系統(tǒng)標定方法

為了實現(xiàn)觀測區(qū)域測量尺度的任意切換以及對感興趣微區(qū)的追蹤,需要對測量系統(tǒng)進行標定.為了實現(xiàn)系統(tǒng)的標定,本文設計了如圖4所示的同心圓標定物.該標定物由4個黑白相間的同心圓組成,同心圓的最中間為一個十字絲.

圖4 系統(tǒng)標定

標定過程如下:① 將測量系統(tǒng)移動至標定物前(見圖4);② 通過自編軟件控制電控平移臺移動,將十字絲分別成像于4臺相機圖像的中心位置,記錄此時平移臺三軸的位置和拍攝的圖像;③ 利用不同大小圓的直徑來標定像素與毫米的比例關系.

假設4臺相機清晰成像的平移臺位置為(Xi,Yi,Zi)(i的取值為1,2,3,4,分別對應4種測量尺度),4臺相機圖像像素與毫米比例關系為αi.那么,將0.16倍放大倍數(shù)圖像上的點(x,y)切換成2倍放大倍數(shù)顯示時,三維平移臺移動的距離dx,dy和dz分別為

dx=X3-X1+(x-3 840/2)α1

(4)

dy=Y3-Y1+(y-2 748/2)α1

(5)

dz=Z3-Z1

(6)

實驗中,通過鼠標右鍵菜單在軟件顯示的圖像上點擊,即可實現(xiàn)測量尺度的任意切換.

1.4 自動追蹤

對于細觀和微觀尺度下的變形測量,感興趣區(qū)域隨著加載過程往往會移動到測量視場以外.為了實現(xiàn)對感興趣區(qū)域的變形測量,必須進行自動追蹤.根據(jù)已經標定的像素與毫米比例關系,通過數(shù)字圖像相關對圖像中心點的實時位移測量和平移臺進行控制,即可實現(xiàn)感興趣區(qū)域的自動追蹤.對圖像中心點的實時位移測量為單點測量,因此可以采用文獻[18]中的快速算法.自動追蹤的過程等于對測量系統(tǒng)施加了剛體平動,對于應變測量以及裂紋張開位移沒有影響,因為應變及裂紋張開位移都是相對量.

2 實驗及結果

為了驗證測量系統(tǒng)的有效性,本文使用該測量系統(tǒng)進行了貝氏體鋼試樣的三點彎實驗,試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm.實驗現(xiàn)場如圖5所示,使用MTS萬能試驗機進行試樣的加載.如圖6所示,通過鼠標右鍵菜單實現(xiàn)放大倍數(shù)從0.5～10倍顯微放大倍數(shù)的切換.在裂紋擴展的不同階段可以使用不同的測量尺度對其進行觀測與變形計算.由圖6可見,當使用10倍顯微鏡頭時,可以清楚地看到貝氏體與奧氏體的分布情況.使用這樣的圖像,可以從金屬組織分布的角度對試樣的力學性能進行分析.同時試件在不同尺度下的自然紋理完全可以用于數(shù)字圖像相關分析.

圖7為0.5倍放大倍數(shù)和2倍放大倍數(shù)下的變形測量結果.其中圖7(a)為Y方向位移場的測量結果,圖7(b)為Y方向應變場的測量結果.可以明顯看到,裂紋尖端應力集中,在0.5倍放大倍數(shù)和2倍放大倍數(shù)下的變形測量結果趨勢基本保持一致.實驗過程中,從裂紋的萌生到擴展直至斷裂,根據(jù)實驗的需求,可以在不同的測量尺度進行變形的觀測.

(a) 試樣加載

(b) 試樣變形測量

(a) 0.5倍放大

(b) 2倍放大

(c) 10倍放大

(a) 0.5倍放大系數(shù)位移場測量結果

(b) 2倍放大倍數(shù)位移場測量結果

(c) 0.5倍放大系數(shù)應變場測量結果

(d) 2倍放大倍數(shù)應變場測量結果

3 結語

本文研究了用于多尺度數(shù)字圖像相關測量的裝置及方法.在系統(tǒng)標定后,利用自編軟件可以幫助實驗人員實現(xiàn)不同尺度下的全場變形測量.本文詳細介紹了該裝置的組成、設計、測量方法以及標定方法.最后,通過貝氏體鋼的三點彎實驗驗證了其有效性與應用價值.

References)

[1]Yamaguchi I. A laser-speckle strain gauge[J].JournalofPhysicsE:ScientificInstruments, 1981, 14(11): 1270-1273. DOI:10.1088/0022-3735/14/11/012.

[2]Sutton M A, Wolters W J, Peters W H, et al. Determination of displacements using an improved digital correlation method [J].ImageandVisionComputing, 1983, 1(3): 133-139. DOI:10.1016/0262-8856(83)90064-1.

[3]金觀昌,孟利波,陳俊達,等.數(shù)字散斑相關技術進展及應用[J].實驗力學,2006,21(6):689-702. DOI:10.3969/j.issn.1001-4888.2006.06.002. Jin Guangchang, Meng Libo, Chen Junda, et al. The progress and application of digital speckle correlation method[J].JournalofExperimentalMechanics, 2006, 21(6): 689-702. DOI:10.3969/j.issn.1001-4888.2006.06.002. (in Chinese)

[4]Shao X, Dai X, He X. Noise robustness and parallel computation of the inverse compositional Gauss-Newton algorithm in digital image correlation[J].OpticsandLasersinEngineering, 2015, 71: 9-19. DOI:10.1016/j.optlaseng.2015.03.005.

[5]邵新星,陳振寧,代祥俊,等.相機陣列測量二維應變場的高精度分析方法[J].中國科學:技術科學,2015,45(5):483-490. Shao Xinxing, Chen Zhenning, Dai Xiangjun, et al. High-accuracy two-dimensional full field strain measurement method using camera array[J].ScientiaSinicaTechnologica, 2015, 45(5): 483-490. (in Chinese)

[6]潘兵,吳大方,夏勇.數(shù)字圖像相關方法中散斑圖的質量評價研究[J].實驗力學,2010,25(2):120-129. Pan Bing, Wu Dafang, Xia Yong. Study of speckle pattern quality assessment used in digital image correlation[J].JournalofExperimentalMechanics, 2010, 25(2): 120-129. (in Chinese)

[7]Su Y, Zhang Q, Xu X, et al. Quality assessment of speckle patterns for DIC by consideration of both systematic errors and random errors[J].OpticsandLasersinEngineering, 2016, 86: 132-142. DOI:10.1016/j.optlaseng.2016.05.019.

[8]邵新星,戴云彤,何小元,等.實時數(shù)字圖像相關用于土木準靜態(tài)實驗測量[J].光學學報,2015,35(10):125-133. Shao Xinxing, Dai Yuntong, He Xiaoyuan, et al. Real-time digital image correlation for quasi-static test in civil engineering[J].ActaOpticaSinica, 2015, 35(10): 125-133. (in Chinese)

[9]Shao X, Dai X, Chen Z, et al. Real-time 3D digital image correlation method and its application in human pulse monitoring[J].AppliedOptics, 2016, 55(4): 696-704. DOI:10.1364/ao.55.000696.

[10]劉聰,陳振寧,何小元.3D-DIC在土木結構力學性能試驗研究中的應用[J].東南大學學報(自然科學版),2014,44(2):339-344. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.02.020. Liu Cong, Chen Zhenning, He Xiaoyuan. Application of 3D-DIC in experimental study on mechanical properties of civil structures[J].JournalofSoutheastUniversity(NationScienceEdition), 2014, 44(2): 339-344. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2014.02.020. (in Chinese)

[11]陳振寧,劉聰,戴云彤,等.BFRP混凝土圓柱破壞全周監(jiān)測與可靠性研究[J].工程力學,2015,32(12):147-153. Chen Zhenning, Liu Cong, Dai Yuntong, et al. Full-circle monitoring and stability study of BFRP concrete columns[J].EngineeringMechanics, 2015, 32(12): 147-153. (in Chinese)

[12]Gao L, Ni F, Ling C, et al. Evaluation of fatigue behavior in cold recycled mixture using digital image correlation method[J].ConstructionandBuildingMaterials, 2016, 102: 393-402. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2015.11.014.

[13]戴云彤,陳振寧,朱飛鵬,等.小尺寸低碳鋼試件呂德斯效應的三維數(shù)字圖像相關測量[J].力學學報,2015,47(1):119-126. DOI:10.6052/0459-1879-14-175. Dai Yuntong, Chen Zhenning, Zhu Feipeng, et al. Measurement of Luders band in small size low carbon steel specimen by 3D digital image correlation method[J].ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanics, 2015, 47(1): 119-126. DOI:10.6052/0459-1879-14-175. (in Chinese)

[14]Pan B, Qian K, Xie H, et al. Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review[J].MeasurementScienceandTechnology, 2009, 20(6): 062001. DOI:10.1088/0957-0233/20/6/062001.

[15]Wang Z Y, Li H Q, Tong J W, et al. Dual magnification digital image correlation based strain measurement in CFRP Laminates with open hole[J].CompositesScienceandTechnology, 2008, 68(9): 1975-1980. DOI:10.1016/j.compscitech.2007.04.026.

[16]Nunes L C S. Simple approach for 2D-DIC with dual field of view[J].MeasurementScienceandTechnology, 2015, 26(9): 095205. DOI:10.1088/0957-0233/26/9/095205.

[17]潘兵,謝惠民.數(shù)字圖像相關中基于位移場局部最小二乘擬合的全場應變測量[J].光學學報,2007,27(11):1980-1986. DOI:10.3321/j.issn:0253-2239.2007.11.012. Pan Ping, Xie Huimin. Full-field strain measurement based on least-square fitting of local displacement for digital image correlation method[J].ActaOpticaSinica, 2007, 27(11): 1980-1986. DOI:10.3321/j.issn:0253-2239.2007.11.012. (in Chinese)

[18]Wu R, Kong C, Li K, et al. Real-time digital image correlation for dynamic strain measurement[J].ExperimentalMechanics, 2016, 56(5): 833-843. DOI:10.1007/s11340-016-0133-6.

Multi-scale two-dimensional digital image correlation system and its application

Shao Xinxing He Xiaoyuan Zhang Jinlin

(Jiangsu Key Laboratory of Engineering Mechanics, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To realize multi-scale deformation measurement using digital image correlation (DIC), a multi-scale two-dimensional digital image correlation(DIC)system was introduced. The measurement device consists of an electric three-axis translation stage, four high-resolution CMOS cameras, three telecentric lens with different magnifications, and a microscope. Deformation measurements from macro to micro were performed by using the device. The measured results indicate that the system can be used for tracking the micro-region by precisely controlling the three-axis translation stage. After the system calibration, the measurement scale was changed for the arbitrary observation region to meet the requirements of the accuracy and the observation. Using the surface texture of bainitic steel after corrosion, the DIC measurement from macro to micro was achieved. Measurement results show that the system has good potential for studying of the mechanical behavior of the crack tip.

multi-scale measurement; digital image correlation; deformation measurement; crack tip

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.008

2016-08-03. 作者簡介: 邵新星(1991—),男,博士生;何小元(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導師,mmhxy@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(11272089,11327201,11532005)、 “十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2014BAK11B04).

邵新星,何小元,張瑾琳.多尺度二維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)及其應用[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(2):242-246.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.008.

TH822;TH741

A

1001-0505(2017)02-0242-05