趙幸煥

（廣東和協(xié)建設(shè)工程檢測有限公司，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，是一種基于攝影測量法的測量技術(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圖像，通過一系列相關(guān)計算，來獲取物體感興趣區(qū)域的變形信息。近年來，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)作為一種評價方法被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，它的基本思路是對變形前后的物體進(jìn)行連續(xù)散斑圖像采集，然后利用圖像識別處理技術(shù)得到數(shù)字灰度場的位移和應(yīng)變等，利用光學(xué)測量原理將問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)計算問題，由此來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：測量過程和試驗(yàn)準(zhǔn)備簡單，僅需一或兩臺數(shù)字相機(jī)拍攝被測物體變形前后表面的數(shù)字圖像；對測量環(huán)境要求低，在試驗(yàn)過程中無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量技術(shù)[1]。

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)提出以來主要用于力學(xué)測試；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)變測量、各種小尺寸和大規(guī)模的材料評估及結(jié)構(gòu)安全評估等范疇。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)展其測量能力，得出更具可比性的測量結(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，將每個子區(qū)域認(rèn)為是剛性運(yùn)動；變形后，目標(biāo)圖像子區(qū)域的中心位置相對原始圖像發(fā)生了移動且形狀也發(fā)生了變化，故針對每個子區(qū)域按照預(yù)先定義的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計算，尋找目標(biāo)圖像中相對于原始圖像每個子區(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。按照此方法對原始圖像中劃分的全部子區(qū)域進(jìn)行計算，便可獲得全場的變形信息。

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。對于二維數(shù)字圖像相關(guān)測量，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，試樣通過天然散斑或人為制造的散斑圖來達(dá)到足夠的對比度，以便與變形后目標(biāo)圖像中的像素位置進(jìn)行對比，由此進(jìn)行相關(guān)識別。該方法在使用過程中計算復(fù)雜度小、計算精度較高。

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)位移測量且要得到準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果，對被測物體及其變形狀態(tài)和成像系統(tǒng)還提出了一系列要求：被測物面需為平面或近似平面；攝像機(jī)光軸應(yīng)與被測物面垂直或近似垂直且成像系統(tǒng)畸變誤差可忽略；被測物體變形主要發(fā)生在面內(nèi)，離面的位移分量非常??；被測物體表面具有隨機(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），通過兩臺數(shù)字相機(jī)同時拍攝物體的圖像，構(gòu)建三維立體模型，對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)及被測物體表面的幾何特征，進(jìn)行相關(guān)計算時形函數(shù)選擇的復(fù)雜性增強(qiáng)。在三維數(shù)字圖像相關(guān)方法的測量過程中，標(biāo)定和匹配這兩個關(guān)鍵步驟對計算結(jié)果有直接影響：標(biāo)定是確定兩個攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的過程，其精度會直接影響到最終測量結(jié)果；匹配是尋找測量系統(tǒng)中兩個攝像機(jī)分別記錄的數(shù)字圖像中的對應(yīng)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是立體視覺中最為困難的部分。潘兵等[3]用雙目立體視覺成像系統(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)是僅需對試樣表面進(jìn)行簡單處理，使其具有隨機(jī)的灰度變化，試驗(yàn)準(zhǔn)備簡單；采用白光照明，對振動不敏感，對環(huán)境要求較低；適用范圍廣，測量范圍適用于小變形（＞500 微應(yīng)變）到大變形（幾百應(yīng)變）；避免干涉測量方法中涉及到的條紋圖處理和相位展開，數(shù)據(jù)處理可以完全自動進(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)和計算機(jī)編程水平，不適合宏觀物體小變形（＜500 微應(yīng)變）測量[4]。三維數(shù)字圖像相關(guān)方法在三維形貌和變形測量、部分靜載和動載試驗(yàn)、高溫形變測量、大變形測量和殘余應(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、外界因素干擾對測量效果的影響，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)骨為研究對象，通過匹配由顯微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)識別等研究中。

數(shù)字體圖像相關(guān)方法測量物體內(nèi)部變形的過程與數(shù)字圖像方法測量表面變形的過程類似，主要分3步：數(shù)字體圖像采集、位移場測量、應(yīng)變場計算。二維數(shù)字圖像相關(guān)測量時，可以在被測試樣表面制作人工散斑圖案以提高變形信息載體的對比度；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)能有效檢測出混凝土裂縫出現(xiàn)的位置、損傷的發(fā)展趨勢等，也為結(jié)構(gòu)的安全評估提供新思路。

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，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)是測量裂紋張開位移的有效手段，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)庫進(jìn)行對比，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)肉眼可見裂縫前準(zhǔn)確判斷初裂的時間和位置，證實(shí)了其對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測具有重要的意義。數(shù)字圖像相關(guān)方法能夠測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程，能夠可視化、定量地確定混凝土的斷裂特性，成為測量裂紋張開位移的有效手段。目前混凝土裂縫檢測的人工觀測方法、超聲波檢測方法、傳感器監(jiān)測方法等均能有效地獲取裂縫信息；但時費(fèi)時費(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)雜測量的情況下，通過數(shù)字相機(jī)記錄的混凝土變形前后表面圖像，采用相關(guān)計算方法進(jìn)行分析，對裂縫的幾何形狀進(jìn)行重建，從而檢測混凝土表面受損區(qū)域、裂縫萌生及發(fā)展?fàn)顩r。對于數(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量方法，并能夠加深對混凝土開裂過程的深入研究。

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，了解其受載時的位移和應(yīng)變有助于對其性質(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)抽樣測量方法對混凝土構(gòu)件受載變形的狀態(tài)進(jìn)行測量，測量結(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)具有無損、非接觸、對環(huán)境要求低、適用范圍廣和精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠測得混凝土在受載時的位移和應(yīng)變發(fā)展且能夠通過計算機(jī)軟件計算進(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)測量技術(shù)難以完成混凝土構(gòu)件試驗(yàn)，戴宜全等[9]針對混凝土構(gòu)件變形測試中大剛體位移、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)中混凝土全場變形測量的要求。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)合測量試件內(nèi)部三維變形場，分析內(nèi)部變形的產(chǎn)生和發(fā)展過程。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)件受載時位移與應(yīng)變的測量，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)安全評估

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)通過計算位移和應(yīng)變，能夠評估混凝土材料在不同形式加載下的表征，檢測混凝土材料的強(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，其能夠檢測結(jié)構(gòu)損傷，測量裂紋的寬度并提供裂紋的萌發(fā)及演變過程，因此數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對結(jié)構(gòu)安全評估有重要意義，也為結(jié)構(gòu)安全評估提供了新的思路。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)變測量與基準(zhǔn)線進(jìn)行比較，或比較隨時間的變化，可以表明結(jié)構(gòu)和損傷位置的變化且具有長期監(jiān)測的潛力，可以定期對結(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)的動態(tài)荷載下動態(tài)位移及動態(tài)響應(yīng)。對數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的研究和使用，有助于高效地對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估。

2.4 其他方面的應(yīng)用

以位移、應(yīng)變和裂縫測量為基礎(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、混凝土損傷檢測等方面。隨著數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與其他測試技術(shù)的結(jié)合及改進(jìn)計算方法、提高測量精度、克服環(huán)境影響等，其應(yīng)用范圍將會進(jìn)一步拓寬。

3 應(yīng)用中的問題

大量試驗(yàn)表明，測量中散斑圖的質(zhì)量對測量結(jié)果有一定的影響，當(dāng)采用不同的散斑圖時，即使試件的變形狀態(tài)及相關(guān)的計算參數(shù)完全相同，最終的結(jié)果也會有所不同；因此散斑圖的制作是試驗(yàn)中非常重要的一步，如何評價散斑圖的優(yōu)劣也成為了數(shù)字圖像相關(guān)方法使用者十分關(guān)心的問題。已有評價散斑圖優(yōu)劣參數(shù)的研究[12]仍待進(jìn)一步優(yōu)化。對于數(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)行測量評估的持續(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、計算參數(shù)選取、缺乏有效的計量方法標(biāo)定等諸多因素的影響和制約，其測量結(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算方法計算效率更高，但仍然難以滿足實(shí)時測量的需求，尤其對于高速動態(tài)測量及一系列特殊的應(yīng)用場合，目前商業(yè)測量系統(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)測量技術(shù)仍有待進(jìn)一步研究優(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)測等方面進(jìn)行了應(yīng)用。對于數(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)的升級等，未來在混凝土領(lǐng)域會有更加廣闊的應(yīng)用前景。