趙幸煥

（廣東和協(xié)建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，廣東 東莞523430）

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)在20 世紀(jì)80 年代初由幾名學(xué)者相繼提出，是一種基于攝影測(cè)量法的測(cè)量技術(shù)，能夠在物體變形前后，根據(jù)物體表面天然或人工制作的散斑場(chǎng)圖像，通過(guò)一系列相關(guān)計(jì)算，來(lái)獲取物體感興趣區(qū)域的變形信息。近年來(lái)，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)作為一種評(píng)價(jià)方法被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，它的基本思路是對(duì)變形前后的物體進(jìn)行連續(xù)散斑圖像采集，然后利用圖像識(shí)別處理技術(shù)得到數(shù)字灰度場(chǎng)的位移和應(yīng)變等，利用光學(xué)測(cè)量原理將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題，由此來(lái)獲得物體所需的參數(shù)。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：測(cè)量過(guò)程和試驗(yàn)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單，僅需一或兩臺(tái)數(shù)字相機(jī)拍攝被測(cè)物體變形前后表面的數(shù)字圖像；對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低，在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需激光照明和隔振等；適用范圍廣泛，可與不同的數(shù)字成像設(shè)備直接結(jié)合。由于以上突出的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)成為了當(dāng)前固體力學(xué)試驗(yàn)最重要、最受歡迎和應(yīng)用最為廣泛的變形測(cè)量技術(shù)[1]。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)提出以來(lái)主要用于力學(xué)測(cè)試；但隨著研究的進(jìn)一步深入，其在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到包括裂紋萌生和擴(kuò)展、位移與應(yīng)變測(cè)量、各種小尺寸和大規(guī)模的材料評(píng)估及結(jié)構(gòu)安全評(píng)估等范疇。將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合，能夠進(jìn)一步擴(kuò)展其測(cè)量能力，得出更具可比性的測(cè)量結(jié)果。

1 數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的功能及其拓展

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)的基本原理是將變形前原始圖像中的感興趣區(qū)域劃分為網(wǎng)格，將每個(gè)子區(qū)域認(rèn)為是剛性運(yùn)動(dòng)；變形后，目標(biāo)圖像子區(qū)域的中心位置相對(duì)原始圖像發(fā)生了移動(dòng)且形狀也發(fā)生了變化，故針對(duì)每個(gè)子區(qū)域按照預(yù)先定義的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，尋找目標(biāo)圖像中相對(duì)于原始圖像每個(gè)子區(qū)域相關(guān)系數(shù)為最大值的區(qū)域，即可確定該子區(qū)域變形后的位置，進(jìn)而獲得其位移。按照此方法對(duì)原始圖像中劃分的全部子區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，便可獲得全場(chǎng)的變形信息。

圖像采集通常使用電荷耦合器件（CCD）相機(jī)，以快速獲得高分辨率的圖像。對(duì)于二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量，試樣表面通常被要求是平坦的并保持在與攝像機(jī)傳感器平行的平面上，試樣通過(guò)天然散斑或人為制造的散斑圖來(lái)達(dá)到足夠的對(duì)比度，以便與變形后目標(biāo)圖像中的像素位置進(jìn)行對(duì)比，由此進(jìn)行相關(guān)識(shí)別。該方法在使用過(guò)程中計(jì)算復(fù)雜度小、計(jì)算精度較高。

1.1 三維數(shù)字圖像相關(guān)方法

二維數(shù)字圖像相關(guān)方法通常局限于平面物體的面內(nèi)位移測(cè)量且要得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果，對(duì)被測(cè)物體及其變形狀態(tài)和成像系統(tǒng)還提出了一系列要求：被測(cè)物面需為平面或近似平面；攝像機(jī)光軸應(yīng)與被測(cè)物面垂直或近似垂直且成像系統(tǒng)畸變誤差可忽略；被測(cè)物體變形主要發(fā)生在面內(nèi)，離面的位移分量非常??；被測(cè)物體表面具有隨機(jī)的灰度分布，可以作為變形信息的載體并為后續(xù)的相關(guān)匹配提供特征?；谠械亩S圖像相關(guān)方法與立體目視原理，Luo P F等[2]最先提出了三維數(shù)字圖像相關(guān)方法（3D DIC），通過(guò)兩臺(tái)數(shù)字相機(jī)同時(shí)拍攝物體的圖像，構(gòu)建三維立體模型，對(duì)物體的三維形貌及變形進(jìn)行分析。該方法克服了二維數(shù)字圖像相關(guān)方法的局限，具有更廣闊的適用范圍和良好的精度；但由于需要考慮數(shù)字相機(jī)的參數(shù)及被測(cè)物體表面的幾何特征，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算時(shí)形函數(shù)選擇的復(fù)雜性增強(qiáng)。在三維數(shù)字圖像相關(guān)方法的測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)定和匹配這兩個(gè)關(guān)鍵步驟對(duì)計(jì)算結(jié)果有直接影響：標(biāo)定是確定兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的過(guò)程，其精度會(huì)直接影響到最終測(cè)量結(jié)果；匹配是尋找測(cè)量系統(tǒng)中兩個(gè)攝像機(jī)分別記錄的數(shù)字圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是立體視覺(jué)中最為困難的部分。潘兵等[3]用雙目立體視覺(jué)成像系統(tǒng)標(biāo)定方法和基于二次形函數(shù)的立體匹配方法實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字圖像相關(guān)研究，用兩個(gè)典型試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的有效性。

三維數(shù)字圖像相關(guān)方法的優(yōu)點(diǎn)是僅需對(duì)試樣表面進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，使其具有隨機(jī)的灰度變化，試驗(yàn)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單；采用白光照明，對(duì)振動(dòng)不敏感，對(duì)環(huán)境要求較低；適用范圍廣，測(cè)量范圍適用于小變形（＞500 微應(yīng)變）到大變形（幾百應(yīng)變）；避免干涉測(cè)量方法中涉及到的條紋圖處理和相位展開(kāi)，數(shù)據(jù)處理可以完全自動(dòng)進(jìn)行。其不足在于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，要求較高的數(shù)字圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程水平，不適合宏觀物體小變形（＜500 微應(yīng)變）測(cè)量[4]。三維數(shù)字圖像相關(guān)方法在三維形貌和變形測(cè)量、部分靜載和動(dòng)載試驗(yàn)、高溫形變測(cè)量、大變形測(cè)量和殘余應(yīng)力分析等多方面中均有應(yīng)用；為了提高其精度，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究散斑特征與匹配誤差關(guān)系、外界因素干擾對(duì)測(cè)量效果的影響，擴(kuò)大其適用范圍。

1.2 數(shù)字體圖像相關(guān)方法

數(shù)字體圖像相關(guān)方法是在數(shù)字圖像相關(guān)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的測(cè)量方法。已有的二維、三維數(shù)字圖像相關(guān)方法僅可用于物體表面變形測(cè)量，Bay B K 等[4]將數(shù)字圖像相關(guān)方法推廣至三維，提出了數(shù)字體圖像相關(guān)方法（digital volume correlation，DVC），以松質(zhì)骨為研究對(duì)象，通過(guò)匹配由顯微CT 記錄的變形前后的體圖像，獲得其在特定壓縮載荷作用下的內(nèi)部三維全場(chǎng)位移和應(yīng)變。受此思想的啟發(fā)，研究人員將數(shù)字體圖像方法與各種體成像設(shè)備結(jié)合，不斷拓展應(yīng)用范圍，應(yīng)用對(duì)象也不斷豐富，應(yīng)用在試驗(yàn)力學(xué)中三維裂紋的局部變形研究和非均勻材料內(nèi)部參數(shù)識(shí)別等研究中。

數(shù)字體圖像相關(guān)方法測(cè)量物體內(nèi)部變形的過(guò)程與數(shù)字圖像方法測(cè)量表面變形的過(guò)程類似，主要分3步：數(shù)字體圖像采集、位移場(chǎng)測(cè)量、應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算。二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量時(shí)，可以在被測(cè)試樣表面制作人工散斑圖案以提高變形信息載體的對(duì)比度；但絕大多數(shù)情況下，數(shù)字體圖像相關(guān)方法只能依賴被測(cè)物體內(nèi)部的復(fù)雜成分或微結(jié)構(gòu)體系在體圖像中形成的灰度差異作為變形信息載體。由于研究對(duì)象、成像方式、圖像特性的不同，與數(shù)字圖像相關(guān)方法相比，數(shù)字體圖像相關(guān)方法面臨著更多困難和挑戰(zhàn)，包括材料內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)的影響、各種因素對(duì)體圖像質(zhì)量的影響、相關(guān)算法的性能等[5]。

2 在混凝土領(lǐng)域的具體應(yīng)用

混凝土作為一種在建筑中廣泛使用的各向異性材料，對(duì)其相關(guān)性能及破壞機(jī)理等的探究必不可少，根據(jù)混凝土構(gòu)件的特點(diǎn)改進(jìn)的數(shù)字圖像相關(guān)方法，能夠更好地滿足相關(guān)需求。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)能有效檢測(cè)出混凝土裂縫出現(xiàn)的位置、損傷的發(fā)展趨勢(shì)等，也為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供新思路。

2.1 裂縫演變及斷裂特性

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)已被用于混凝土裂紋檢測(cè)，進(jìn)一步提高了其觀察損傷或失效、斷裂特征和其他不連續(xù)行為的能力。Fayyad M T 等[6]通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了鋼筋混凝土試件中的I 型裂紋及其擴(kuò)展，研究結(jié)果進(jìn)一步表明數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是測(cè)量裂紋張開(kāi)位移的有效手段，能夠可視化、定量地確定鋼筋混凝土的斷裂特性；Marek U 等[7]將使用二維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)得到的應(yīng)變和位移與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，分析了BFRP 鋼筋混凝土梁中裂縫的萌生和擴(kuò)展；童晶等[8]使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在混凝土表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫前準(zhǔn)確判斷初裂的時(shí)間和位置，證實(shí)了其對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)具有重要的意義。數(shù)字圖像相關(guān)方法能夠測(cè)量裂紋的寬度并且能夠提供試件上裂紋寬度隨荷載增加的演變過(guò)程，能夠可視化、定量地確定混凝土的斷裂特性，成為測(cè)量裂紋張開(kāi)位移的有效手段。目前混凝土裂縫檢測(cè)的人工觀測(cè)方法、超聲波檢測(cè)方法、傳感器監(jiān)測(cè)方法等均能有效地獲取裂縫信息；但時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，受環(huán)境等因素的限制，難以捕捉微裂縫。而數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)能夠在不進(jìn)行任何復(fù)雜測(cè)量的情況下，通過(guò)數(shù)字相機(jī)記錄的混凝土變形前后表面圖像，采用相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行分析，對(duì)裂縫的幾何形狀進(jìn)行重建，從而檢測(cè)混凝土表面受損區(qū)域、裂縫萌生及發(fā)展?fàn)顩r。對(duì)于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究的新進(jìn)展能夠?yàn)閿嗔压こ烫峁┬碌臏y(cè)量方法，并能夠加深對(duì)混凝土開(kāi)裂過(guò)程的深入研究。

2.2 位移與應(yīng)變

混凝土作為各類土木結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛的建筑材料，了解其受載時(shí)的位移和應(yīng)變有助于對(duì)其性質(zhì)及將出現(xiàn)在其表面的裂縫模式進(jìn)行探究。目前普遍采用應(yīng)變片等離散點(diǎn)抽樣測(cè)量方法對(duì)混凝土構(gòu)件受載變形的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果往往不能有效反映試件的真實(shí)特性；而數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)具有無(wú)損、非接觸、對(duì)環(huán)境要求低、適用范圍廣和精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠測(cè)得混凝土在受載時(shí)的位移和應(yīng)變發(fā)展且能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算進(jìn)行定量分析。由于大剛體位移、低應(yīng)變的變形特點(diǎn)，常規(guī)測(cè)量技術(shù)難以完成混凝土構(gòu)件試驗(yàn)，戴宜全等[9]針對(duì)混凝土構(gòu)件變形測(cè)試中大剛體位移、低應(yīng)變量的特點(diǎn)，將數(shù)字圖像相關(guān)方法改行了改進(jìn)，更好地適應(yīng)了工程試驗(yàn)中混凝土全場(chǎng)變形測(cè)量的要求。王凡等[10]將數(shù)字圖像相關(guān)方法與CT 技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，直觀地以圖像形式呈現(xiàn)混凝土試件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程，為研究混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形、破壞和穩(wěn)定性提供了有效地可視化手段。毛靈濤等[11]采用數(shù)字體圖像相關(guān)方法與X 射線CT 相結(jié)合測(cè)量試件內(nèi)部三維變形場(chǎng)，分析內(nèi)部變形的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)已經(jīng)較為成熟地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受載時(shí)位移與應(yīng)變的測(cè)量，憑借其優(yōu)點(diǎn)為相關(guān)領(lǐng)域的試驗(yàn)提供了更優(yōu)解決方案。

2.3 結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)通過(guò)計(jì)算位移和應(yīng)變，能夠評(píng)估混凝土材料在不同形式加載下的表征，檢測(cè)混凝土材料的強(qiáng)度和機(jī)械性能，證實(shí)混凝土材料的承載能力，推斷混凝土材料或結(jié)構(gòu)的耐久性；同時(shí)，其能夠檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷，測(cè)量裂紋的寬度并提供裂紋的萌發(fā)及演變過(guò)程，因此數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估有重要意義，也為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了新的思路。三維數(shù)字圖像相關(guān)方法可以作為評(píng)估定量健康狀況的替代方法，將表面幾何形狀、位移和應(yīng)變測(cè)量與基準(zhǔn)線進(jìn)行比較，或比較隨時(shí)間的變化，可以表明結(jié)構(gòu)和損傷位置的變化且具有長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的潛力，可以定期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，根據(jù)不同日期或不同運(yùn)行條件下記錄的圖像計(jì)算應(yīng)變和位移。一些研究人員將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于捕捉結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)荷載下動(dòng)態(tài)位移及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的研究和使用，有助于高效地對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評(píng)估。

2.4 其他方面的應(yīng)用

以位移、應(yīng)變和裂縫測(cè)量為基礎(chǔ)，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在混凝土領(lǐng)域可拓展至結(jié)構(gòu)全場(chǎng)變形分析、混凝土中鋼筋銹脹應(yīng)力分析、鋼筋混凝土梁斷裂、混凝土損傷檢測(cè)等方面。隨著數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與其他測(cè)試技術(shù)的結(jié)合及改進(jìn)計(jì)算方法、提高測(cè)量精度、克服環(huán)境影響等，其應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步拓寬。

3 應(yīng)用中的問(wèn)題

大量試驗(yàn)表明，測(cè)量中散斑圖的質(zhì)量對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，當(dāng)采用不同的散斑圖時(shí)，即使試件的變形狀態(tài)及相關(guān)的計(jì)算參數(shù)完全相同，最終的結(jié)果也會(huì)有所不同；因此散斑圖的制作是試驗(yàn)中非常重要的一步，如何評(píng)價(jià)散斑圖的優(yōu)劣也成為了數(shù)字圖像相關(guān)方法使用者十分關(guān)心的問(wèn)題。已有評(píng)價(jià)散斑圖優(yōu)劣參數(shù)的研究[12]仍待進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的改進(jìn)，數(shù)字體圖像相關(guān)技術(shù)仍處于起步階段，使用該方法進(jìn)行測(cè)量評(píng)估的持續(xù)發(fā)展是當(dāng)下研究的一部分。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與其他檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合，也仍待進(jìn)一步研究和應(yīng)用；此外，受散斑制備質(zhì)量、計(jì)算參數(shù)選取、缺乏有效的計(jì)量方法標(biāo)定等諸多因素的影響和制約，其測(cè)量結(jié)果的一致性和正確性難以得到保證且與應(yīng)變片技術(shù)相比，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量精度仍不夠高；雖然基于子區(qū)的亞像素位移算法相比于基于有限元的全局計(jì)算方法計(jì)算效率更高，但仍然難以滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的需求，尤其對(duì)于高速動(dòng)態(tài)測(cè)量及一系列特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，目前商業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的適用性仍然不足[13]。

4 結(jié)論與展望

盡管作為一種新興的非傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化，但數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在混凝土領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用并且具有很好的發(fā)展前景。從當(dāng)前研究成果來(lái)看，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)已經(jīng)被作為一種先進(jìn)工具，在對(duì)混凝土的力學(xué)性能、位移與應(yīng)變、裂縫的萌發(fā)與擴(kuò)展以及混凝土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行了應(yīng)用。對(duì)于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的研究仍有待進(jìn)一步深入，其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著許多問(wèn)題，隨著其算法的優(yōu)化、精度的提高和處理分析系統(tǒng)的升級(jí)等，未來(lái)在混凝土領(lǐng)域會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。