多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用

邵新星 何小元 張瑾琳

(東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用

邵新星 何小元 張瑾琳

(東南大學(xué)江蘇省工程力學(xué)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

為了實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)多尺度變形測(cè)量,利用三軸電動(dòng)平移臺(tái)、4臺(tái)高分辨率相機(jī)、3個(gè)不同放大倍數(shù)的遠(yuǎn)心鏡頭和1個(gè)顯微鏡頭組成了多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng),采用該測(cè)量裝置可實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀尺度的變形測(cè)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過置于高精度三維可控平移臺(tái)上的二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量裝置,可實(shí)現(xiàn)任意微區(qū)的跟蹤觀測(cè).經(jīng)過標(biāo)定的測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)觀測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)測(cè)量尺度的任意切換,達(dá)到所需要的測(cè)量精度及觀測(cè)要求.最后對(duì)貝氏體鋼腐蝕后的表面紋理進(jìn)行了數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量.該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于裂紋尖端力學(xué)行為的研究具有很好的應(yīng)用前景.

多尺度測(cè)量;數(shù)字圖像相關(guān);變形測(cè)量;裂紋尖端

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation,DIC)是20世紀(jì)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(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù).30多年來,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)中位移、應(yīng)變計(jì)算精度的提高[4-5]、散斑質(zhì)量的評(píng)價(jià)[6-7]、計(jì)算效率的提升[8-9]以及應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬做了大量的工作.目前,數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土木工程[10-11]、交通運(yùn)輸[12]、材料工程[13]等科學(xué)領(lǐng)域.

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)作為一種非接觸式的變形測(cè)量技術(shù),主要用于材料或結(jié)構(gòu)在荷載作用下的表面變形場(chǎng)測(cè)量.該技術(shù)具有全場(chǎng)測(cè)量、非接觸、光路相對(duì)簡(jiǎn)單、測(cè)試視場(chǎng)方便調(diào)節(jié)、對(duì)測(cè)量環(huán)境無特別要求等優(yōu)點(diǎn)[14].通過在相機(jī)前安裝不同放大倍數(shù)的鏡頭,數(shù)字圖像相關(guān)方法可以實(shí)現(xiàn)從宏觀到細(xì)觀尺度的變形測(cè)量.將數(shù)字圖像相關(guān)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(jié)合,該方法甚至可以實(shí)現(xiàn)微觀尺度的變形測(cè)量[14].雖然數(shù)字圖像相關(guān)方法的測(cè)量視場(chǎng)方便調(diào)節(jié),但是在一次實(shí)驗(yàn)中往往只能選擇一種大小的視場(chǎng)(也即一種尺度),無法實(shí)現(xiàn)多種尺度的變形測(cè)量.

文獻(xiàn)[15]中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的多尺度變形測(cè)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(cè),一種用于局部變形的觀測(cè)),且使用這2種鏡頭開展了4次實(shí)驗(yàn).但是每一次實(shí)驗(yàn)中只使用一種放大倍數(shù)的鏡頭,這就意味著在每一次實(shí)驗(yàn)后都需要手動(dòng)切換鏡頭并手動(dòng)調(diào)整至觀測(cè)位置.這樣的方法非常繁瑣且對(duì)于局部變形測(cè)量難以對(duì)觀測(cè)位置實(shí)施定位和調(diào)焦.文獻(xiàn)[16]為了實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域的2種尺度測(cè)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(jìn)行觀測(cè).使用分光棱鏡可以實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域的多種尺度變形測(cè)量,但分光棱鏡的使用使得測(cè)量光路更加復(fù)雜.同時(shí),文獻(xiàn)[16]中的裝置無法實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣微區(qū)的跟蹤測(cè)量.在細(xì)觀和微觀尺度下,當(dāng)試件被加載后,感興趣區(qū)域很容易移動(dòng)到測(cè)量視場(chǎng)以外,因此需要對(duì)其進(jìn)行跟蹤測(cè)量.

本文為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像相關(guān)方法的多尺度變形測(cè)量,利用1臺(tái)三軸電動(dòng)平移臺(tái)、4臺(tái)高分辨率的相機(jī)、3個(gè)不同放大倍數(shù)的遠(yuǎn)心鏡頭和1個(gè)顯微鏡頭組成了多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng).基于同心圓標(biāo)定物下的系統(tǒng)標(biāo)定以及自編軟件對(duì)3個(gè)高精度位移平移臺(tái)的精確控制,此系統(tǒng)可以對(duì)觀測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)測(cè)量尺度的任意切換,以達(dá)到所需要的測(cè)量精度及觀測(cè)要求.同時(shí),此系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣微區(qū)的自動(dòng)追蹤觀測(cè).預(yù)制裂縫的貝氏體鋼三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)證明了此系統(tǒng)的可行性,且表明此系統(tǒng)對(duì)于裂紋尖端的測(cè)量具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)

1.1 數(shù)字圖像相關(guān)法測(cè)量面內(nèi)變形

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

(1)

(2)

(3)

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

為了使得相關(guān)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(qiáng)的反向組合高斯-牛頓算法[4].計(jì)算得到全場(chǎng)位移信息后,通過逐點(diǎn)的局部最小二乘方法計(jì)算應(yīng)變[17].

1.2 多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量裝置

通常的二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量裝置由單個(gè)相機(jī)和鏡頭組成.單個(gè)相機(jī)和鏡頭也就意味著單一的測(cè)量尺度.為了實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)多尺度變形的測(cè)量,本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的測(cè)量裝置.該測(cè)量裝置主要包括3個(gè)單軸平移臺(tái)組建的三軸平移臺(tái)(單軸平移精度可達(dá)1 μm)、4臺(tái)高分辨率相機(jī)(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(yuǎn)心鏡頭以及放大倍數(shù)為10倍的顯微鏡頭.在實(shí)驗(yàn)過程中,可以任意切換4種放大倍數(shù)的鏡頭,以進(jìn)行不同尺度下的變形測(cè)量.在裝置的前端安裝了一個(gè)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(dá)到偏振照明的效果.在實(shí)驗(yàn)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(jì)算過程中的失相關(guān).為了使得顯微鏡頭達(dá)到金相顯微鏡的效果,還對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)顯微鏡頭的同軸照明,在相機(jī)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(biāo)圖像

圖2 多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量裝置

(a) 非同軸照明

(b) 同軸照明

1.3 系統(tǒng)標(biāo)定方法

為了實(shí)現(xiàn)觀測(cè)區(qū)域測(cè)量尺度的任意切換以及對(duì)感興趣微區(qū)的追蹤,需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定.為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)定,本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的同心圓標(biāo)定物.該標(biāo)定物由4個(gè)黑白相間的同心圓組成,同心圓的最中間為一個(gè)十字絲.

圖4 系統(tǒng)標(biāo)定

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

假設(shè)4臺(tái)相機(jī)清晰成像的平移臺(tái)位置為(Xi,Yi,Zi)(i的取值為1,2,3,4,分別對(duì)應(yīng)4種測(cè)量尺度),4臺(tái)相機(jī)圖像像素與毫米比例關(guān)系為αi.那么,將0.16倍放大倍數(shù)圖像上的點(diǎn)(x,y)切換成2倍放大倍數(shù)顯示時(shí),三維平移臺(tái)移動(dòng)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(shí)驗(yàn)中,通過鼠標(biāo)右鍵菜單在軟件顯示的圖像上點(diǎn)擊,即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量尺度的任意切換.

1.4 自動(dòng)追蹤

對(duì)于細(xì)觀和微觀尺度下的變形測(cè)量,感興趣區(qū)域隨著加載過程往往會(huì)移動(dòng)到測(cè)量視場(chǎng)以外.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣區(qū)域的變形測(cè)量,必須進(jìn)行自動(dòng)追蹤.根據(jù)已經(jīng)標(biāo)定的像素與毫米比例關(guān)系,通過數(shù)字圖像相關(guān)對(duì)圖像中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移測(cè)量和平移臺(tái)進(jìn)行控制,即可實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域的自動(dòng)追蹤.對(duì)圖像中心點(diǎn)的實(shí)時(shí)位移測(cè)量為單點(diǎn)測(cè)量,因此可以采用文獻(xiàn)[18]中的快速算法.自動(dòng)追蹤的過程等于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)施加了剛體平動(dòng),對(duì)于應(yīng)變測(cè)量以及裂紋張開位移沒有影響,因?yàn)閼?yīng)變及裂紋張開位移都是相對(duì)量.

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的有效性,本文使用該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了貝氏體鋼試樣的三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn),試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示,使用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣的加載.如圖6所示,通過鼠標(biāo)右鍵菜單實(shí)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(kuò)展的不同階段可以使用不同的測(cè)量尺度對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)與變形計(jì)算.由圖6可見,當(dāng)使用10倍顯微鏡頭時(shí),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(duì)試樣的力學(xué)性能進(jìn)行分析.同時(shí)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(guān)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(cè)量結(jié)果.其中圖7(a)為Y方向位移場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果,圖7(b)為Y方向應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果.可以明顯看到,裂紋尖端應(yīng)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(cè)量結(jié)果趨勢(shì)基本保持一致.實(shí)驗(yàn)過程中,從裂紋的萌生到擴(kuò)展直至斷裂,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求,可以在不同的測(cè)量尺度進(jìn)行變形的觀測(cè).

(a) 試樣加載

(b) 試樣變形測(cè)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(chǎng)測(cè)量結(jié)果

(b) 2倍放大倍數(shù)位移場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

(c) 0.5倍放大系數(shù)應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

(d) 2倍放大倍數(shù)應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)語

本文研究了用于多尺度數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量的裝置及方法.在系統(tǒng)標(biāo)定后,利用自編軟件可以幫助實(shí)驗(yàn)人員實(shí)現(xiàn)不同尺度下的全場(chǎng)變形測(cè)量.本文詳細(xì)介紹了該裝置的組成、設(shè)計(jì)、測(cè)量方法以及標(biāo)定方法.最后,通過貝氏體鋼的三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性與應(yīng)用價(jià)值.

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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(jiǎn)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(dǎo)師,mmhxy@seu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272089,11327201,11532005)、 “十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014BAK11B04).

邵新星,何小元,張瑾琳.多尺度二維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):242-246.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.008.

TH822;TH741

A

1001-0505(2017)02-0242-05