数字散斑技术介绍DIC

多尺度小波降噪的数字散斑相关搜索

第15卷　第1期 2007年1月 光学精密工程 　Optics and Precision Engineering Vol.15　No.1 Jan.2007 收稿日期:2006207206;修订日期:2006210221. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60478026);国家自然基金委中韩合作研究资助项目(No.60611140400) 文章编号　10042924X (2007)0120057206 多尺度小波降噪的数字散斑相关搜索 李新忠1,2,岱　钦1,2,王希军1,2,J.W.Seo 3 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033; 2.中国科学院研究生院,北京100039; 3.韩国宏益大学电子工程系,首尔韩国1212791) 摘要:提出了一种基于多尺度小波降噪的数字散斑相关搜索方法。选用symlets 小波,对分别存在高斯白噪声、椒盐噪声及泊松噪声的散斑位移图像进行多级小波分解,采用不同的降噪策略处理后再进行相关搜索。计算结果表明,多尺度小波降噪的数字散斑相关搜索方法与传统空域相关搜索方法相比,其测量精度提高了一个数量级,相对误差可以控制在 1%以内;同时,其计算效率提高了1倍。 关　键　词:散斑相关;小波变换;多尺度;图像处理中图分类号:TP391.4;O348 文献标识码:A Digital speckle correlation method of multi 2scale w avelet noise reduction L I Xin 2zhong 1,2,DA I Qin 1,2,WAN G Xi 2jun 1,2,J.W.Seo 3 (1.Changchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne Mechanics and Physics , Chi nese A cadem y of S ciences ,Changchun 130031,Chi na; 2.Gra d uate S chool of t he Chi nese A ca dem y of S ciences ,B ei j i ng 100039,Chi na; 3.S chool of Elect ronic and Elect rical Engi neeri ng ,Hon gi k U ni versit y , 7221S an gs u 2dong ,M a po 2g u ,S eoul 1212791,S out h Korea ) Abstract :A novel Digital Speckle Correlation Met hod (DSCM )based on multi 2scale wavelet noise re 2duction is p ropo sed.Speckle patterns wit h Gaussian white noise or Salt &pepper noise or Poisson noise are decompo sed using symlet s wavelet family and processed by different noise reduction strate https://www.docsj.com/doc/4012449905.html,pared wit h t he traditional DSCM ,t he accuracy of t his new met hod is improved dramatically and t he relative error is less t han 1%.Meanwhile ,t he calculated consuming time is decreased to half of t he traditio nal DSCM. K ey w ords :speckle correlation ;wavelet t ransform ;multi 2scale ;image processing

第2章 三维数字散斑相关法

第2章三维数字散斑相关法 三维数字图像相关方法（简称是基于双目立体视觉原理和数字图像相关方法，测量物体表面三维形貌以及三维变形的方法。本章将讨论的原理及方法。本章首先介绍数字散斑相关法，然后再介绍双目立体视觉技术。 三维数字散斑相关方法（3D-DSCM）是一种光学测量方法，通过采集目标变形前后的四幅散斑图像，利用双目立体视觉技术进行空间点 的重构、二维数字散斑相关方法（2D-DSCM）进行变形前后的空间点的对应，在此基础上完成三维坐标及三维变形的测量。3D-DSCM 克服了 2D-DSCM 只能测量平面物体二维形变的局限，可以获得任意被测表面的空间位移及形变，而且具有实时性、对测量环境要求低、试样准备简单、适用范围广等优点。 2.1 二维数字散斑相关法 二维数字散斑相关方法（2D-DSCM）又称为数字图像相关方法（DIC），是基于物体表面散斑图像的灰度特征来进行测量的，根据灰度特征的相关性完成被测物体位移和变形信息测量。下面是相关搜索的原理，如图 2-1 所示。 数字散斑相关法是一种对试件（受载荷作用下）发生形变前后的散斑场进行相关运算并以此来获得位移全场信息的测量方法。数字散斑相关法起源于机器视觉的发展，它具有机器视觉的优点——非接触式、全场在线测量等。数字散斑相关方法是由计算机技术、图像处理技术

以及光学技术结合而成的。相比于前文提及的传统光测法，它的光路相对简单，对测量环境要求低，故其应用面更加广泛。随着数字化技术迅速发展，其在生物力学、微观结构、材料力学等诸多领域都得到了相对广泛的应用，同时也促进了其他学科的发展。 在基于数字图像相关法的测量实验中，先采集试件变形前后的散斑图像，分别将这两幅图像表示为图像 A 和图(像 ,B。)如图 2.1 所示，在参考图像(2A（+即1变)×形前2的+图1像）中随机选择一种子点，以P点为中心选择一个 ( )像素大小的样本子区。然后在图像（即变形后的图像）中通过搜索算法寻找目标子区。该子区以与样本子区的互相关系数符合要求的点为 0 0 中心。从而进一步确定计算点 P 在 x 和 y 方向的位移量 u 和 v。之所以为 P 点为中心选择一个样本子区作为搜索点是由于样本子区比单独的计算像素点包含更多的灰度值信息，所以更易于识别。 （样本子区变形位移）

基于MATLAB的数字散斑条纹图滤波比较

基于MATLAB的数字散斑条纹图滤波比较 【摘要】数字散斑照相术提取的数字散斑条纹图存在信噪比低、强度弱的特点，因此需要对图像进行滤波除噪。为了比较不同的滤波方法对散斑条纹图的除噪效果，笔者在MATLAB中采用中值滤波、巴特沃斯低通滤波、指数低通滤波以及同态滤波对提取的条纹图进行处理并就处理结果做出了分析比较。实验结果表明，以上方法都能从噪声中提取信号，其中中值滤波除噪效果最好。 【关键词】MATLAB；数字散斑照相术；散斑条纹图滤波 1.引言 数字散斑照相术[1]是在传统的散斑照相术的基础上用CCD代替传统的全息底片将物体位移前后的散斑图像记录在计算机中，利用数字图像处理技术叠加位移前后的散斑图得到双曝光底片的图像，对叠加图像进行快速傅里叶变换提取杨氏干涉条纹图，再对条纹图像进行滤波、细化等处理提取条纹图的骨架线取得条纹间距，从而达到测量位移的目的。图像处理的实质是对条纹进行骨架线提取，想要获得精确的数据就必须得到精细的骨架线。而散斑图具有信号强度弱、信噪比低的特点，这使得提取的杨氏干涉条纹图具有很强的噪声。因此对图像进行滤波除噪显得至关重要。笔者在MATLAB中采用中值滤波、巴特沃斯低通滤波、指数低通滤波以及同态滤波对实测散斑图像所提取的杨氏干涉条纹图像进行滤波处理，并就处理结果做出分析比较。 2.几种滤波方法 滤波的方法分为空域法和频域法两类。空域即图像平面本身，频域即图像进行某种变换之后的频率域。空域滤波[2]是借助某一模板直接对图像中的各个像素点进行邻域操作，即通过模板对输入像素相应邻域内的像素值进行计算得到输出图像中每一个像素的取值。频域滤波[2]是在图像进行某种变换（如傅里叶变换）后，在变换域中对图像进行操作，比如抑制或增强高频或低频信号，之后再进行反变换，便可获得滤波后的图像。中值滤波属于空域滤波。巴特沃斯低通滤波、指数低通滤波以及同态滤波属于频域滤波。 2.1 空域滤波 中值滤波[2]是取邻域像素点灰度值的中值来作为该像素点的灰度取值。中值滤波窗口（即所取邻域）越大，条纹边界越平滑，但局部细节丢失也越明显。因此，窗口的选择对滤波效果影响很大。一般情况下，选择奇数的滤波窗口，这样对于确定窗口中心元素较为容易。若像素点数为偶数时，中值就取排序像素中间亮点的平均值[3]。中值滤波的优点是能有效保护图像边缘，方法简单。 在MATLAB中，用medfilt2[4]函数实现中值滤波，滤波后的图像如图3所示。再将图3进行二值化、数学形态学开、闭操作、提取骨架线，所得条纹图的

数字散斑干涉(DSPI)研究的文献综述

数字散斑干涉振动测量技术研究进展 摘要：数字散斑干涉技术（DSPI）是一种光学测试方法，具有非接触、高灵敏度、全场、实时、无损检测的特点，在振动测量方面有着较大的优势。本文从图像处理、相移技术等方面阐述了数字散斑干涉振动测量的发展现状，并对其中的关键技术进行了比较和分析。 关键词：数字散斑干涉，振动测量，数字图像处理，相移技术 Research Progress on V ibration Measurement Using Digital Speckle Pattern Interferometry Abstract:Digital speckle pattern interferometry (DSPI) is an optical testing and measuring method，a non-contact, high-sensitivity, full-field, real-time, non-destructive one, which has an advantage in vibration analysis. This paper introduces the recent progress on DSPI vibration measurement from aspects of digital image processing and phase shifting, also compares and analyzes their key technologies. Keywords:Digital speckle pattern interferometry; Vibration measurement; Digital image processing; Phase shifting 0 引言 散斑计量技术是现代光测力学技术中的一种。它具有非接触、无损、全场、高精度、实时测量的特点，在轮廓、应变、位移和振动测量方面有着广泛的应用前景[1]。目前广泛采用的振动测试技术，包括加速度传感器、应变式传感器等，由于均为单点测量，且会为结构带来附加质量，从而对振动产生影响，无法应用于微小振动测量。数字散斑干涉振动测量技术可以直接显示被测表面的模态振型，并且对环境稳定性的要求低于全息干涉方法[2]，这一系列优势使数字散斑干涉法成为激光测振技术中的一个重要分支。 采用激光散斑来研究振动测量的方法，最先由Massey于1968年开始进行研究。随后发展起来的散斑剪切干涉法[3]，从而实现了对振动中形变的导数进行测量。在最初的散斑计量技术中，用于记录散斑条纹图的介质为全息干板。此后，随着电子技术的发展，出现了采用磁带记录散斑图的测量方法，即电子散斑测量技术，最初于20世纪70年代初由J.N.Butters和J.A.Leendertz

第2章三维数字散斑相关法学习资料

第 2 章三维数字 散 斑相关法

第2章三维数字散斑相关法 三维数字图像相关方法（简称是基于双目立体视觉原理和数字图像相关方法，测量物体表面三维形貌以及三维变形的方法。本章将讨论的原理及方法。本章首先介绍数字散斑相关法，然后再介绍双目立体视觉技术。 三维数字散斑相关方法（3D-DSCM是一种光学测量方法，通过采集目标变形前后的四幅散斑图像，利用双目立体视觉技术进行空间点的重构、二维数字散斑相关方法（2D-DSC M进行变形前后的空间点的对应，在此基础上完成三维坐标及三维变形的测量。3D-DSCM克 服了 2D-DSCM只能测量平面物体二维形变的局限，可以获得任意被测表面的空间位移及形变，而且具有实时性、对测量环境要求低、试样准备简单、适用范围广等优点。 2.1二维数字散斑相关法 二维数字散斑相关方法（2D-DSCM又称为数字图像相关方法（ DIC），是基于物体表面散斑图像的灰度特征来进行测量的，根据灰度特征的相关性完成被测物体位移和变形信息测量。下面是相关搜索的原理，如图2-1所示。 数字散斑相关法是一种对试件（受载荷作用下）发生形变前后的散斑场进行相关运算并以此来获得位移全场信息的测量方法。数字散斑相关法起源于机器视觉的发展，它具有机器视觉的优点一一非接触式、全场在线测量等。数字散斑相关方法是由计算机技术、图像处理技术以及光学技术结合而成的。相比于前文提及的传统光测法，它的光路相对简单，对测量环境要求低，故其应用面更

加广泛。随着数字化技术迅速发展，其在生物力学、微观结构、材料力学等诸多领域都得到了相对广泛的应用，同时也促进了其他学科的发展。 在基于数字图像相关法的测量实验中，先采集试件变形前后的 散斑图像，分别将这两幅图像表示为图像A和图（像,B。）如图 2.1所示，在参考图像（2A （+即1变）X形前2的+图1像）中随机选择一种子点，以P点为中心选择一个（）像素大小的样本子区。然后在图像（即变形后的图像）中通过搜索算法寻找目标子 区。该子区以与样本子区的互相关系数符合要求的点为 0 0 中心。从而进一步确定计算点P在x和y方向的位移量u和V。之所以为P点为中心选择一个样本子区作为搜索点是由于样本子区比单独的计算像素点包含更多的灰度值信息，所以更易于识别。

数字图像相关方法

数字图像相关方法(DICM) 前言 数字图像相关法(Digital Image Correlation Method，简称DICM)，又称为数字散斑相关法(Digital Speckle Correlation Method，简称DSCM)，是应用于计算机视觉技术的一种图像测量方法。 数字图像相关(Digital Image Correlation，i.e. DIC)测量技术是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动测量的方法。它是现代先进光电技术、图像处理与识别技术与计算机技术相结合的产物，是现代光侧力学领域的又一新进展。它将物体表面随机分布的斑点或伪随机分布的人工散斑场作为变形信息载体，是一种对材料或者结构表面在外载荷或其他因素作用下进行全场位移和应变分析的新的实验力学方法。 在实验固体力学领域中，对于不同载荷下，材料和结构表面的变形测量一直是一个较难的课题。一般包括接触式和非接触式两种，对于一般使用的电阻应变片接触式测量方法，受其测量手段的限制，不能得到全场数据，且测量范围有限，不能得到物体整体上的变形规律。而对于全场的非接触式光学测量方法，包括干涉测量技术(例如全息照相干涉法，散斑千涉法)和非干涉技术(例如网格法和数字图像相关测量法)。由于干涉测量技术要求有相干光源，光路复杂，且测量结果易受外界震动的影响，多在具有隔振台的实验室中进行，应用范围受到了极大的限制。而非干涉测量技术是通过对比变形前后物体表面的灰度强度来决定表面变形量，对光源和测量环境要求较低。数字图像相关测量技术可以直接采用自然光源或白光源，通过具有一定分辨率的CCD相机采集图像，并利用相关算法进行图像处理得到变形信息，可以说，DIC是一种基于数字图像处理和数值计算的光学测量方法。由于该技术的直接处理对象是数字图像，而随着科学技术和数字化技术的不断发展与更新，数字图像的分辨率和清晰程度不断扩大，因此，数字图像处理技术的测量精度也在不断提升。由于数字图像测量技术的上述优点，使得DIC技术被广泛接受，并被视为测量表面变形的一种有力而又灵活的工具。 在材料科学领域，对于不同材料的应变、变形的测量一直是一个较为重要的

基于数字散斑的手持式三维结构光测量系统

基于数字散斑的手持式三维结构光测量系统当被测物体尺度较大、存在遮挡或内外表面时,为获取物体的完整三维表达,单视点测量系统一般需借助辅助运动机构如机械臂、转台等进行测量,或者构建三维传感器测量网络,使测量空间全面覆盖被测物体空间。上述方法将导致系统成本增加,且不灵活。因此,开发一种低成本、便携灵活且能够实时进行数据配准的三维测量设备具有重要意义。本文研究基于双目立体视觉系统的散斑结构光三维测量和数据配准相关原理和方法,并开发便携式手持三维测量系统,可实现物体的快速实时测量。 主要研究内容总结如下:阐述基于散斑结构光三维测量的关键技术,主要包括:散斑相关、对应点搜索、亚像素优化等。首先,利用数字散斑相关原理获取像素级对应点,通过图像极线矫正,结合测量空间内视差约束,将对应点查找从二维搜索简化为一维搜索,降低了计算复杂度。其次,对应点的亚像素优化,研究了基于一阶视差变换的N-R(Newton-Raphson)迭代优化方法、基于二阶视差变换的 N-R迭代优化方法以及基于曲线拟合的优化方法,并从算法性能及重建精度上对三者进行了对比。最后,结合标定结构参数,可实现空间三维坐标计算获取。 介绍三维点云数据的配准方法,为实现实时点云数据配准,研究微软Kinect Fusion中的算法结构,并着重研究基于Kinect Fusion开发的深度图像重建程序库(DIP)中的配准算法。该算法与传统迭代最近点算法(ICP)不同,在目标点云与源点云对应点的匹配上,其将源点云投影到目标点云的图像平面,从图像平面上建立点云的对应关系;在目标函数的定义上,其沿用了前人提出的点到面距离的定义形式。此外,该算法从预先定义的空间立方体结合截断符号距离函数(TSDF)模型渲染用于ICP配准的目标点云,实现一种点到模型的配准方法,提高了配准精度。在迭代策略上,通过对原始深度数据下采样建立多级点云,实现由粗到细的迭代方法,提高了配准效率及稳定性。 基于C/C++语言与Qt界面开发框架开发了手持式三维测量系统。该系统集成相机标定、实时点云重建、实时点云配准等功能。在测量结束后,能够使用系统内置的全局注册、点云去重、点云滤波等功能对测量点云进行后处理,最终生成经优化的点云模型。

激光散斑位移测量方法研究

第23卷　第1期2008年3月 北京机械工业学院学报 Journal of Beijing I nstitute ofM achinery Vol.23No.1 Dec.2008 文章编号:1008-1658(2008)01-0039-03 激光散斑位移测量方法研究 李晓英,郎晓萍 (北京信息科技大学　光电信息与通信工程学院,北京100192) 摘 要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。 主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD 记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。 关　键　词:激光散斑;位移测量;数字图像处理 中图分类号:O436.1 文献标识码:A Research of d ispl acem en t m ea surem en t ba sed on l a ser speckle L I Xiao2ying,LANG Xiao2p ing (School of Phot oelectric I nfor mati on and Telecommunicati on Engineering, Beijing I nfor mati on Science and Technol ogy University,Beijing100192,China) Abstract:The laser s peckle based on hol ography is of great p ractical value and can measure m icr o2 dis p lace ment.I n surface m icr o2dis p lace ment is focused on in this paper.The t w o laser s peckle patterns are res pectively shot bef ore and after the object is moved.D igital s peckle correlati on method and s peckle phot ography are used t o measure a s mall dis p lace ment moved al ong x or y axle.The above t w o methods are compared at the end of the paper. Key words:laser s peckle;dis p lace ment measure ment;digital i m age p r ocess 散斑测量与其他测量方法相比具有光路简单、成本低、调试及操作方便等优点,从而在位移测量中得到了广泛的应用。其实,散斑不仅可测量物体的位移和形变,还可测量振动、无损探伤等等。散斑在精细无损计量方面具有很大的发展潜力,是目前研究的一个热点[1]。所以对散斑特性和规律研究具有非常重要的意义[2]。 1激光散斑测量基本原理 1.1散斑照相法 当一束激光射到粗糙物体表面时,光被物体表面反射后在成像空间形成散斑。若将物体发生微小位移前后的散斑分别对记录介质曝光一次,就会得到一副双曝光散斑图,光强度分布为: I(x,y)=I0(x,y)+I0(x-Δx,y-Δy)(1) I0(x,y)表示第一次曝光光强,I0(x-Δx,y-Δy)表示第二次曝光光强,Δx,Δy分别指物体发生的面内微位移。根据全息原理知,记录介质的振幅透过率与光强成线性关系,即: t(x,y)=a-bI(x,y)(2)式中,a与b为常数。 因为当物体发生一个较小的面内位移时,可以认为前后两张散斑图的微观结构相同,仅有一个相对位移。当用一束细平行激光照射该散斑图时,在接收平面上可以接受到散斑图的夫琅和费衍射图样(杨氏条纹),其振幅分布由记录介质振幅透过率的傅里叶变换决定,经分析可得出微位移和条纹间距之间的关系[3,4]: Δx= λL M d x Δy= λL M d y (3) 收稿日期:2008-01-16 作者简介:李晓英(1975-),女,山西原平市人,北京信息科技大学光电信息与通信工程学院讲师,硕士,主要从事光学的教学与研究工作。

实验十五 数字散斑测量微小位移的实验

实验十五 数字散斑测量微小位移的实验 实验目的： 1. 掌握数字散斑干涉的原理。 2. 学会根据CCD ，激光器等器件，利用计算机进行快速傅立叶变换，测量物体的微 小位移。 3. 学会分析思考并处理实验中出现的问题。 实验原理： 当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面上时，在反射光的空间中用一个白色的屏去接收光总可以看到一些斑点，这就是激光散斑现象。散斑现象是高度相干性光源照明的结果，虽然会降低全息照相时的成像质量，但由于散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以用来进行微小位移的检测、形变测量以及振动研究等。 传统的散斑干涉测量技术采用在同一张底片上记录物体位移前后的双曝光散斑图，并通过会聚透镜进行光学傅立叶变换得到杨氏条纹图。随着CCD 的日益普及出现了数字散斑干涉技术，散斑图可以方便的记录在计算机中，并使用数字傅立叶变换进行处理和分析，避免了底片冲印测量的繁琐过程，可以实现方便快速的实时测量。 通过CCD 捕获被测物体位移前后的双曝光散斑图，对双曝光散斑图的任一点附近取一小块区域进行两次快速傅立叶变换，可以得到物体位移的方向和距离。 设位移前后的散斑图分别为()21,x x g i 和()2211,u x u x g itd ++，叠加得双曝光散斑图 ()()()22112121,,,u x u x g x x g x x g itd i +++= (15-1) 用快速傅立叶变换对其中一小块区域进行计算，结果为一小幅杨氏条纹图。 () ()()[]()[]??? +-?+++=212211*********exp ,,,dx dx x x j u x u x g x x g G itd i ωωπωω (15-2) 上式中，()21,ωωG 为频谱图上的谱面函数，21,ωω为谱面坐标，?是积分域。根据傅立叶平移原理，并假设21,u u 很小，可得双曝光散斑图相应的光强为：

第2章 三维数字散斑相关法学习资料

第2章三维数字散 斑相关法

第2章三维数字散斑相关法 三维数字图像相关方法（简称是基于双目立体视觉原理和数字图像相关方法，测量物体表面三维形貌以及三维变形的方法。本章将讨论的原理及方法。本章首先介绍数字散斑相关法，然后再介绍双目立体视觉技术。 三维数字散斑相关方法（3D-DSCM）是一种光学测量方法，通过采集目标变形前后的四幅散斑图像，利用双目立体视觉技术进行空间点的重构、二维数字散斑相关方法（2D-DSCM）进行变形前后的空间点的对应，在此基础上完成三维坐标及三维变形的测量。3D-DSCM 克服了 2D-DSCM 只能测量平面物体二维形变的局限，可以获得任意被测表面的空间位移及形变，而且具有实时性、对测量环境要求低、试样准备简单、适用范围广等优点。 2.1 二维数字散斑相关法 二维数字散斑相关方法（2D-DSCM）又称为数字图像相关方法（DIC），是基于物体表面散斑图像的灰度特征来进行测量的，根据灰度特征的相关性完成被测物体位移和变形信息测量。下面是相关搜索的原理，如图 2-1 所示。 数字散斑相关法是一种对试件（受载荷作用下）发生形变前后的散斑场进行相关运算并以此来获得位移全场信息的测量方法。数字散斑相关法起源于机器视觉的发展，它具有机器视觉的优点——非接触式、全场在线测量等。数字散斑相关方法是由计算机技术、图像

处理技术以及光学技术结合而成的。相比于前文提及的传统光测法，它的光路相对简单，对测量环境要求低，故其应用面更加广泛。随着数字化技术迅速发展，其在生物力学、微观结构、材料力学等诸多领域都得到了相对广泛的应用，同时也促进了其他学科的发展。 在基于数字图像相关法的测量实验中，先采集试件变形前后的散斑图像，分别将这两幅图像表示为图像 A 和图(像 ,B。)如图2.1 所示，在参考图像(2A（+即1变)×形前2的+图1像）中随机选择一种子点，以P点为中心选择一个 ( )像素大小的样本子区。然后在图像（即变形后的图像）中通过搜索算法寻找目标子区。该子区以与样本子区的互相关系数符合要求的点为 0 0 中心。从而进一步确定计算点 P 在 x 和 y 方向的位移量 u 和v。之所以为 P 点为中心选择一个样本子区作为搜索点是由于样本子区比单独的计算像素点包含更多的灰度值信息，所以更易于识别。

结合数码显微镜的数字散斑相关 方法精度分析及应用

第24卷　第4期2009年8月 实　验　力　学 J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICS Vol.24　No.4 Aug.2009 文章编号:100124888(2009)0420269207 结合数码显微镜的数字散斑相关 方法精度分析及应用3 侯方1,雷冬1,2,龚兴龙1 (1.中国科学技术大学近代力学系,合肥230027;2.河海大学工程力学系,南京210098) 摘要:结合数字散斑相关方法和一种新型的显微镜数码显微镜,提出了一种测量多晶材料晶粒尺度面内变形的新方法,并通过零变形校准实验、重聚焦实验和平移实验等一系列验证实验分析了该方法的精度和实用性。作为应用实例,对一种镍基合金试件进行了单向拉伸和疲劳实验,得到了晶粒尺度下具有较大应变梯度的应变分布图像。结果表明,该方法能够得到精确的位移测量数据,是一种理想的测量晶粒尺度变形的光测方法。 关键词:数字散斑相关;数码显微镜;多晶材料 中图分类号:T H741 文献标识码:A 0　引言 多晶材料在今天的工业生产中已经获得了广泛的应用,对这类材料的力学性能的研究已经成为了机械工程和材料科学领域的重要课题。过去的研究大多集中在宏观尺度,近年来,材料微观尺度上的力学行为开始受到关注,尤其是晶粒尺度的材料力学行为。对于微细观力学理论来说,定量的基于晶粒尺度的研究,是验证其模型和理论分析正确性与合理性的重要手段。同时,对晶粒内部的变形、晶间相互作用、异质材料的影响等的了解,也无疑会给多晶材料的微观理论的发展和数值模拟奠定基础[1]。 然而,微尺度力学量的定量测量是实验力学中的一个难题。晶粒尺度下的变形常处于亚微米量级,大多数传统测量方法无法应用于如此微小的尺度。实际上,由显微镜拍摄的高倍放大照片,只要微观结构灰度对比度足够大,就形成了广义散斑图.散斑本身包含了变形过程的大量信息,而光测力学中的数字散斑相关方法[2,3]最适合于提取两张散斑图之间的几何差别信息。因此,结合高倍显微装置,应用数字散斑相关技术,可以解决微区的定量测量问题。近年来,国内外对微观数字散斑相关方法的研究已经取得了丰富的成果[4-6]。 对数字散斑相关方法而言,能否获得高分辨率的散斑图像,是决定实验成败的关键。传统的光学显微镜放大倍数有限,并且存在着小景深和镜头畸变的问题,所以大多数研究采用的是电子类显微镜。然而电子显微镜同样存在着空间和时间畸变。虽然近来有学者提出了一些补偿方法来减小误差[6-8],但是比较复杂,甚至可能成为微观数字散斑技术应用的障碍。 基于上述研究现状,本文采用了一种新型的显微设备数码显微镜来作为实验的载体。数字散斑相关方法与其结合起来,作为一种定量测量材料晶粒尺度变形的方法,在国内外的文献中鲜有报道。本文对该方法的精度和误差进行了实验分析。作为应用实例,对航空材料GH4169合金单轴拉伸以及疲劳循环中晶粒尺度的力学行为进行了研究。 3收稿日期:2009203227;修订日期:2009205230 通讯作者:雷冬(1978-),男,博士后。主要研究方向:实验力学,材料的疲劳断裂。E2mail:leidong@https://www.docsj.com/doc/4012449905.html,

数字散斑-实验指导书

数字散斑相关法（DSCM ）测量物体面内位移 一． 实验目的 1． 了解和掌握DSCM 测量物体面内位移的方法和技术； 2． 学会用DSCM 方法测试试件的面内位移。 二． 实验器材和装置 实验试件为方形橡皮。试验器材有：光源、CCD 、图象卡、监视器、计算机及软件。光源为白光，由光纤灯产生。计算机及软件主要由图象采集、相关运算、数据处理等软件模块组成。实验装置和光路如图1所示。 图1 数字散斑相关方法测量示意图 三． DSCM 的基本原理 如图1所示，当白光照射到橡皮粗糙表面时，形成随机分布的散斑，用CCD 记录散斑图。物体表面的散斑随着物体的变形而运动，分析变形前后的散斑图，得到散斑沿U 和V 方向的相对位移，既物体沿横向和纵向的相对变形。变形前后的两幅散斑图存在相关性。在变形不大的情况下，物体表面的散斑场的灰度变化可以忽略不计。设（x ，y ）是变形前的一点， （x*，y*）是变形后的相应点，两者的关系为：??? ???????+???++=???+???++=y v y x v x v y y y u y x u x u x x ** 用函数F （x i ，y i ）表示变形前某一点（x i ，y i ）处的灰度值，G （x*I ，y*i ）表示变形后对应点（x*I ，y*i ）处的灰度值，由概率与数理统计理论可知，两者的相关系数为：

()[]() [] ()[]() [] ∑∑∑∑∑∑==** ====**----= s s s s s s m i m j j i m i m j j i m i m j j i j i g y x g f y x f g y x g f y x f C 11 2 11 2 11 ,,,, 其中0≤C ≤1；C=1时两者完全相关；C=0时两者完全不相关。分母分别为两者的均方根，分子为两者的相关矩，f 和g 分别为()i i y x f ,和()**i i y x g ,的平均值。只要两者相关，则以位移为变量的相关函数C(u, v)曲面为一单峰曲面。当位移U, V 分别固定时，C 则为一正态分布曲线。 四． 实验内容 1． 光路A 。调整光路，将试件中间两倍高度以上的区域放入CCD 视场中，在三点弯曲试验过程中采集散斑图，分析三点弯曲过程的材料的变形规律。 2． 光路B 。调整光路，放大视场，仅取试件中部下方的微小区域（宏观上为可也认为是一点）。采集三点弯曲过程中的散斑图，计算V 场，此时V 场的平均值近似等于试件的弯曲挠度f ，则试件的弯曲弹性模量E f 为： f h b L P E f ?????=3 3 4 式中： ΔP——载荷与挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N ； Δf——对应于ΔP 的试件跨度中点处的挠度增量，mm ；本实验用V 值代替。 L ——跨度，mm ； b ——试件宽度，mm ； h ——试件厚度，mm 。 五． 实验步骤 1． 把试件在加载装置上固定好。 2． 按图1摆好光路。调试光路要求成像清楚，可用带字的纸张成像来判断。 3． 用图象采集卡采集并存储不同载荷级次下的散斑图（*.bmp ）。 4． 把刻度尺贴近试件表面，刻度图片（scale.bmp ）。得到象素和毫米间的换算关系。 5． 打开DSCM 分析软件。 6． 打开需要计算的两幅散斑图，一幅为变形前的散斑图；另一幅为变形后的散斑图。 7． 用鼠标在变形后的散斑图上选定一个矩形计算区域，或者通过输入左上角和右下角两点的坐标（象素）来选定计算区域。选择X 、Y 方向的步距，一般为40，20，10等几种。 8． 点击计算。程序将对计算区域内以步距为大小的微小子集自动进行相关计算，计

数字图像相关法(DIC)

DIC是一种非接触式的高精度位移、用于全场形状、变形、运动测量的方法，也是现代光测量力学领域内最有应用前景的测量方法。其应用研究方向，正朝着从常规材料到新型材料的测量，从弹性问题测量到强塑性问题的测量，从常温到高温的测量，从宏观测量到微观测量的趋势发展。DIC方法在上世纪80年代初被提出，经过30多年众多学者的研究，DIC 技术上已经非常成熟。这种方法又被称为数字散斑相关法，它直接处理的对象是具有一定灰度分布的数字图像（散斑图），通过对比材料或者结构表面在变形前后的散斑图运用相关算法得到全场位移和应变。该方法对实验环境要求极为宽松，并且具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高等优点。 其基本测量原理如下图： 用于固体材料和结构表面位移、变形和形貌测量的数字图像相关方法(Digital image correlation, DIC)是一种基于数字图像处理和数值计算的非干涉变形测量方法，与其它基于

相干光波干涉原理的光测方法（如电子散斑干涉、云纹干涉法）相比，数字图像相关方法具有其明显和独特的优势： 1）仅需要一个（2D DIC）或两个数字相机(3D DIC)拍摄变形前后被测物体表面的数字图像，其光路布置、测量过程和试样准备简单； 2）无需激光照明和隔振，对测量环境要求较低； 3）可与不同时间分辨率和空间分辨率的数字成像设备（如高速摄像机、光学显微镜、扫描电子显微镜）直接结合，因此适用测量范围广泛。可以说，数字图像相关方法是当前实验力学领域最活跃也最受关注的光测力学方法之一，作为一种灵活、有效和功能强大的变形测量手段，数字图像相关方法在各种材料和结构表面变形测量、力学和物理参数表征以及验证力学理论和有限元分析的正确性等方面获得了无数令人影响深刻的成功应用。 以上就是关于关于DIC数字图像相关法的介绍，如果想了解更多关于DIC的资料，欢迎咨询武汉中创联达科技有限公司。