数字图像相关性方法测量应变在岩土工程中的应用

摘要：Fairy在此声明，Me是一个对应变测量非常感兴趣的外行人士，因着职业要求和兴趣所在，找了不少关于目前来说比较流行的非接触式应变测量手段——数字图像相关性测量方法的资料，凭着好东西不能独食的原则，这段时间将开心的和大家一起分享，共同成长！

数字图像相关性，英文为：Digital Image Correlation。数字图像相关性测量方法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。
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。
很早以前，人们认为数字图像相关性测量方法有很多瓶颈，N多问题无法跨跃，所以即使知道这是一个测量应变的极好的方法，或者说是捷径，但都没有去采用，直到近年来，随着各种先进设备不断产生，数以计数的研究人员的不断闯关成功，非接触式的应变测量系统也相继问世，被大家应用在我们想不到的各种领域，接下来我们就大致预览一下，该方法在各个领域内的应用吧！

一、 在土木工程中的应用
在建构筑物工程建设和运营过程 中,由于设计、施工以及使用等方面的原因,混凝土结构往往会产生裂缝,并影响其使用性及耐久性。而且,当裂缝宽度扩展到一定程度时,还极有可能危及主体结 构的安全。虽然大量的科研成果和实践已经证明,混凝土结构出现裂缝是难以避免的,是混凝土固有的材料特性之一,是人们可以接受的,但是问题的关键是要将其 有害程度严格控制在允许的范围之内。裂缝的开展状况,往往是诊断、分析、评判已有建筑物病态的重要条件和依据之一。根据其位置和形态,可以初步判断建筑结 构上出现裂缝的原因,评判裂缝的危害,从而采取相应的解决措施。因此,及时准确掌握混凝土裂缝的形态、走向、宽度、长度和深度等信息,对于正确判断混凝土 构件的健康状况,提出科学合理的处理方案起着至关重要的作用。目前,裂缝宽度检测以传统的接触式检测方法为主,这种方法准确度较高,但效率较低,影响检测 进程和结果,人员安全隐患大,经济成本和人力成本较高。当前工程检测实际应用中急需一种远距离的非接触式裂缝测量设备,使得检测成本降低,提高工作效率, 并在此基础上,实现远程遥控、实时的、大批量的高精度测量,以满足现代社会对建筑测量智能化的要求。因此,本科研课题的设立对于建筑物智能化检测、鉴定、 评估工作具有重大意义。随着数字化光学摄影技术的发展,涉及到光学摄像的硬件技术如光学镜头、电荷耦合传感器、相关电子元器件等产品性能指标大幅度提高, 且成本逐渐走低,为实现光学测量技术的应用创造了条件。本课题正是利用基于光测法的数字图像处理技术,对混凝土表面裂缝宽度等特征进行测量和分析。具体技 术路线为：1、利用图像采集系统对裂缝形态进行拍摄；2、将采集到的图像进行滤波、锐化、对比度增强等处理；3、对裂缝的图像边缘进行处理,以此来锐化裂 缝边缘,使其更加清晰可辨；4、将裂缝边缘作亚像素处理,确保图像中的裂缝在放大处理后依然保持清晰可辨的轮廓边缘,以利于计算时拾取边缘位置。本课题打 破常规裂缝图像处理方法仅能计算水平和竖直方向裂缝宽度的局限,提出了一种全新的能计算任意走向和在一定倾角、俯仰角及在圆弧形特殊平面内的裂缝宽度计算 方法,并详细的对其进行了多种误差修正,经多组实验比较、分析和验证,该方法具有较高的精度,完全能够满足建构筑物表面裂缝检测的需要。最后,基于 Java开发环境,采用面向对象的程序设计方法,编写了裂缝宽度检测软件,实现了裂缝宽度的直接测量,使裂缝检测更加数字化,解决了传统人工检测裂缝的效 率低、不确定性、主观性等方面的弊端,发挥了数字图像处理技术的优势。采用MySQL数据库,实现了裂缝信息的智能化管理。