高溫下數(shù)字圖像相關(guān)散斑最優(yōu)成像探究

胡 悅，王永紅，鮑思源，胡慧然，閆佩正

(合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

隨著航空航天、發(fā)動(dòng)機(jī)等的發(fā)展，高溫材料的使用越來(lái)越普遍。獲取材料在高溫下的力學(xué)性能顯得尤為重要。常規(guī)的機(jī)械式測(cè)量或者電測(cè)法在高溫下顯然不再適用。數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation, DIC)是在80年代由美國(guó)South Carolina大學(xué)的W.H.Peter和W.F.Ranson及日本的I.Yamaguchi等人提出的一種用于變形物體位移和應(yīng)變信息的光學(xué)測(cè)量方法[1-3]。該方法憑借著光路簡(jiǎn)單、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量且對(duì)環(huán)境要求友好等優(yōu)點(diǎn)，在位移應(yīng)變、三維形貌、巖土力學(xué)、人車碰撞等領(lǐng)域有著較為廣泛的研究和發(fā)展[4-11]。由于該方法的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)也逐漸應(yīng)用在高溫測(cè)量中[12-15]。但采用DIC方法進(jìn)行高溫測(cè)量還有許多亟待解決的問(wèn)題，如何在高溫下獲取高對(duì)比度的圖像就是其中之一。DIC依賴于變形前后的表面灰度信息來(lái)獲得位移應(yīng)變信息，而被測(cè)物的灰度信息一般由物體表面的散斑提供。因此，散斑圖的質(zhì)量往往決定相關(guān)計(jì)算的好壞。物體表面的灰度信息通常由物體紋理或人工噴涂散斑實(shí)現(xiàn)。一般采用噴漆的方法在物體表面形成散斑，通常會(huì)先噴涂一層底色，再噴涂另一種差別較大的顏色來(lái)提高對(duì)比度。值得注意的是，數(shù)字圖像相關(guān)的相關(guān)函數(shù)對(duì)圖像整體的灰度變化并不敏感，但如果發(fā)生局部的對(duì)比度變化，則會(huì)有較大影響。高溫測(cè)量時(shí)，由于黑體輻射的影響，高溫材料的表面自發(fā)光譜與外界照明光譜疊加，試樣表面已經(jīng)燒紅近似白色。表面發(fā)射光譜已覆蓋整個(gè)可見光區(qū)域，輻射強(qiáng)度將大于照明光強(qiáng)度，造成采集圖像的亮度飽和，出現(xiàn)嚴(yán)重的退相關(guān)效應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)字圖像相關(guān)方法誤差增大甚至失效。隨著溫度升高，輻射頻譜往短波方向偏移。在1 000 ℃，輻射譜能量已經(jīng)接近500 nm波段。在1 000 ℃以上情況下，藍(lán)光照明和濾波方法已經(jīng)較難從試樣反射光譜中探測(cè)出有用信息。研究表明，采用主動(dòng)紫外光照明加濾波方式可以解決高溫光譜輻射變化情況下散斑圖像獲取問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高溫DIC測(cè)量[14-15]。目前關(guān)于高溫下DIC制斑方式的研究較少報(bào)道。實(shí)驗(yàn)采集的圖像是8位灰度圖，即灰度值從0～255，灰度越大代表圖像越亮。由于高溫實(shí)驗(yàn)需要使用主動(dòng)單色光照明外加濾波的方法，而高溫漆也有不同的顏色可以選擇，如果高溫漆與光源同色，則會(huì)反射照明光，在圖片上就會(huì)顯得較亮，如果不同色則是吸收照明光，在圖片上就會(huì)顯得較暗。再加上金屬試件對(duì)光源的吸收率與高溫漆也有所不同，因此，考慮研究不同顏色的散斑在不同光源下照明的情況。從理論上講，與光源顏色相同的散斑會(huì)偏向于白色，而試件會(huì)偏向于黑色，因此會(huì)出現(xiàn)較好的灰度分布，所以，采用與照明光源同色的散斑效果最好。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，在高溫下利用不同光源和相應(yīng)濾波片，采用不同制斑方式獲取圖像，對(duì)比所得到的圖像，并找出高溫下DIC最優(yōu)成像的方案。

2 散斑成像實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)所用材料

為了研究高溫下最優(yōu)的制斑方式及不同光源照明對(duì)DIC測(cè)量的影響，本文進(jìn)行了各種情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)所用的高溫試樣材料為310S不銹鋼。310S屬于25Cr-20Ni系的高合金不銹鋼，具有很好的抗氧化性和耐腐蝕性，因?yàn)檩^高比例的鉻和鎳，且擁有較好的蠕變強(qiáng)度，在高溫下能持續(xù)作業(yè)，具有良好的耐高溫性，適于制作各種爐用構(gòu)件，最高溫度可達(dá)1 200 ℃。為了研究不同光源照明對(duì)DIC測(cè)量的影響，實(shí)驗(yàn)選用了各波段光源以及對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的濾波片，各種顏色的高溫涂漆等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 待測(cè)試件 Fig.1 Tested pieces

為了對(duì)比驗(yàn)證高溫下最優(yōu)的制斑方式及光源選取，準(zhǔn)備了3個(gè)相同試件(均為310 s不銹鋼，如圖1所示)。采用不同的制斑方式：(a)常規(guī)制斑，先涂一層白色底漆，再利用黑漆形成散斑點(diǎn)；(b)材料本身是黑色，表面涂上不同顏色的高溫漆；(c)材料本身是白色，表面涂上不同顏色的高溫漆。各高溫漆的極限耐溫?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 各顏色散斑耐溫極限Tab.1 Temperature limit of each color speckle

將試樣放置到高溫加熱爐中，高溫爐門上開玻璃觀察窗，用不同光源主動(dòng)照明，鏡頭前加相應(yīng)濾波片采集圖像，測(cè)量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理圖 Fig.2 Diagram of measurement system

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) Fig.3 Experiment system

組建完成的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。分別采用以下光源：紅光，綠光，藍(lán)光和紫外光在不同溫度下進(jìn)行照明，并放置如圖4所示的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的濾波片?？紤]到普通工業(yè)相機(jī)的敏感波段覆蓋不到紫外區(qū)域，本實(shí)驗(yàn)采用了JAI的紫外敏感相機(jī)進(jìn)行采集，該相機(jī)的量子轉(zhuǎn)換效率如圖5所示。可以看出，該相機(jī)在紫外區(qū)域也有一定轉(zhuǎn)換效率。利用高溫爐控制溫度，在室溫，600、800、1 000和1 200 ℃時(shí)分別采集圖像。同一溫度下通過(guò)更換光源和濾波片，比較不同的成像情況。

圖4 各波段濾波片 Fig.4 Each kind of band filter

圖5 JAI UV相機(jī)量子轉(zhuǎn)化效率 Fig.5 Quantum conversion efficiency of JAI UV camera

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)黑白制斑材料實(shí)驗(yàn)

前文提到，利用DIC方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，常規(guī)的散斑工藝是白底黑斑或黑底白斑以提高圖像對(duì)比度。如圖6所示，在常溫下，這樣的圖像有著較好的對(duì)比度，有利于相關(guān)計(jì)算。但是，在高溫環(huán)境下，由于黑體輻射的影響，會(huì)造成背景偏白，即使外加光源進(jìn)行主動(dòng)照明，并配上相應(yīng)的濾波片，也會(huì)造成對(duì)比度弱化。圖7為該試件在1 000 ℃時(shí)的成像。由于不能獲取優(yōu)質(zhì)圖像，也就意味著常規(guī)的數(shù)字圖像相關(guān)方法在高溫測(cè)量時(shí)失效。因此，高溫時(shí)常規(guī)的制斑工藝已經(jīng)無(wú)法提供有效的圖像。

圖6 常規(guī)制斑的室溫成像 Fig.6 Imaging of conventional spots making at room temperature

圖7 常規(guī)制斑高溫成像 Fig.7 Imaging of conventional spots making at high temperature

3.2 黑底材料實(shí)驗(yàn)

針對(duì)黑底材料，分別采用白光、紅光、綠光、藍(lán)光和紫外光光源進(jìn)行了照明實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

3.2.1 白光照明

在白光下，即不加任何主動(dòng)照明，對(duì)試件進(jìn)行圖像采集，所采得的圖像如圖8所示。可以看出，到1 000 ℃時(shí)圖像幾乎呈現(xiàn)白色，無(wú)法進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，所以沒(méi)有進(jìn)行1 200 ℃的采集。從上圖可以看到：(1)白光不適用于高溫DIC測(cè)量，在800 ℃時(shí)還可以勉強(qiáng)呈清晰圖像，但1 000 ℃時(shí)圖像質(zhì)量就已經(jīng)很差，導(dǎo)致DIC方法失效；(2)800 ℃以下時(shí)，由于黑色散斑與試件本身顏色相近，基本無(wú)法識(shí)別，其余因與試件本身顏色有一定反差，基本呈白色，其中以白色和藍(lán)色效果最佳。

圖8 各溫度下白光成像 Fig.8 Imaging of white light at different temperatures

3.2.2 紅光照明

圖9 各溫度下紅光成像 Fig.9 Imaging of red light at different temperatures

測(cè)量時(shí)，用紅光光源和紅光濾波片，在各溫度下進(jìn)行圖像采集，如圖9所示?？梢缘贸觯?1)紅光照明在1 000 ℃的時(shí)候已經(jīng)接近極限，1 200 ℃下根本無(wú)法識(shí)別圖像；(2)紅光下，白色散斑會(huì)反射紅光，圖片中會(huì)比較亮，其他的都吸收紅光，從而較暗。與材料本身接近的黑色散斑辨識(shí)度依舊不高，藍(lán)色散斑的效果也不如白光照明，紅光下表現(xiàn)較好的是白色和黃色散斑。這是由于白色散斑反射了紅色光源，所以在圖像上會(huì)表現(xiàn)的較亮，與周圍形成對(duì)比，效果良好。

3.2.3 綠光照明

利用綠光照明加上綠色濾波片，對(duì)相應(yīng)溫度節(jié)點(diǎn)下的試件進(jìn)行圖像采集。結(jié)果如圖10所示。

圖10 各溫度下綠光成像 Fig.10 Imaging of green light at different temperatures

由圖10可知，(1)綠光波長(zhǎng)比紅光短，在1 000 ℃的時(shí)候表現(xiàn)要好于紅光，有著較好的對(duì)比度，可以進(jìn)行計(jì)算；(2)當(dāng)溫度到達(dá)1 200 ℃的時(shí)候，綠光照明也無(wú)法識(shí)別被測(cè)物。綠光照明下，除了綠色散斑和白色散斑之外，其他都會(huì)吸收綠光。因此，綠色、白色、以及顏色相近的藍(lán)色散斑在綠光照明下在圖片上顯白色，能與周圍形成灰度差，有著較高的對(duì)比度，效果優(yōu)于其他顏色散斑。

3.2.4 藍(lán)光照明

采用藍(lán)光主動(dòng)照明，并加上藍(lán)光濾波片進(jìn)行圖像采集，結(jié)果如圖11所示。

圖11 各溫度下藍(lán)光成像 Fig.11 Imaging of blue light at different temperatures

可以看出：(1)藍(lán)光波長(zhǎng)比之前的光源更短，在1 000 ℃表現(xiàn)依然不錯(cuò)，在1 200 ℃只能依稀看到零碎的散斑，幾乎沒(méi)有對(duì)比度，但整體優(yōu)于綠光；(2)黃色散斑在藍(lán)光下表現(xiàn)較差，藍(lán)色散斑在藍(lán)光照明下非常清晰，由于藍(lán)色的散斑會(huì)反射藍(lán)光，所以使得圖片上藍(lán)色散斑的位置都是白色，與試件背景形成良好的對(duì)比，效果很好。

3.2.5 紫外光照明

利用紫外光加紫外濾波片進(jìn)行圖像采集。結(jié)果如圖12所示?？梢钥吹剑?1)常溫下圖像不具有較高的對(duì)比度，但在高溫下對(duì)比度很好，在1 200 ℃時(shí)依然可以成像，比之前所有的方法都好；(2)散斑和試件對(duì)紫外光的吸收率不同，因此會(huì)有不同的灰度顯示，且散斑的灰度要比試件小，能夠形成一定的灰度差；(3)藍(lán)色散斑在1 000 ℃以下呈白色，其余均呈黑色。在紫外光照明及高溫環(huán)境下，藍(lán)色散斑對(duì)紫外光吸收率最低，反射了大部分的照明光線，導(dǎo)致看起來(lái)比其他的散斑都要白，從而也就有著不錯(cuò)的對(duì)比度；(4)由于高溫漆和試件對(duì)紫外光的吸收率不一樣，因此，在圖像上看來(lái)會(huì)有灰度區(qū)別。而且，試件在高溫情況下對(duì)紫外光有著較高的反射率，而黑色散斑對(duì)紫外光的反射最低，因此黑色散斑的灰度要比試件低，能形成灰度差，所以用黑色散斑也可以有很好的成像。

圖12 各溫度下紫外光成像 Fig.12 Imaging of UV light at different temperatures

3.2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜合前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在進(jìn)行高溫DIC測(cè)量時(shí)，采用不同光源和不同濾波片進(jìn)行照明時(shí)，由于與光源顏色對(duì)應(yīng)的散斑會(huì)反射相應(yīng)的光源，在該種單色光下，該顏色的散斑基本會(huì)呈現(xiàn)白色，從而與被測(cè)物形成一定的灰度差。但是，高溫下的背景輻射限制了長(zhǎng)波波段的單色光的使用。而紫外光的波長(zhǎng)更短，可以極大程度的抑制黑體輻射的影響，所以采用紫外光源是一個(gè)最優(yōu)的選擇。雖然沒(méi)有相應(yīng)顏色的散斑，但由于高溫環(huán)境和在紫外光照明的特殊性，材料對(duì)紫外光的吸收率遠(yuǎn)低于散斑對(duì)紫外光的吸收率，即散斑要比材料本身暗一些，因此，從圖像上來(lái)看，散斑本身與黑底材料就具有良好的對(duì)比度，可以不需要先涂一層底色。對(duì)于黑底材料，黑色或藍(lán)色的散斑成像效果優(yōu)于其他顏色。

3.3 白底材料實(shí)驗(yàn)

3.2章節(jié)中所用材料底色是黑色，為了驗(yàn)證3.2.6中結(jié)論的通用性，將被測(cè)試件更換為相同材料的白色試件，利用之前已經(jīng)選出的最優(yōu)的紫外光進(jìn)行照明。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)溫度到達(dá)600 ℃進(jìn)行圖像拍攝，發(fā)現(xiàn)試件在高溫下發(fā)生氧化，底色基本變黑，如圖13所示。在之后的溫度節(jié)點(diǎn)，觀測(cè)結(jié)果與3.2.5章節(jié)一致，表明了在高溫環(huán)境下利用紫外光照明時(shí)，直接將散斑噴涂在試件上這一方法的通用性。

4 結(jié) 論

由上述實(shí)驗(yàn)可以得出，(1)高溫DIC測(cè)量時(shí)為了減小黑體輻射的影響，必須采用單色光主動(dòng)照明加上相應(yīng)濾波片，而當(dāng)散斑顏色與照明光源一致的時(shí)候，會(huì)反射照明光源，在圖像上有較高的灰度值，與背景有明顯的差異，形成良好的灰度特征。所以，采用某種光源照明時(shí)，噴涂與其顏色對(duì)應(yīng)的散斑可以得到優(yōu)秀的成像，這也就證明了前面提出的想法。但是，當(dāng)溫度到達(dá)800 ℃以上時(shí)，即使采用單色光照明并濾波的方法，圖像也會(huì)逐漸模糊，從而導(dǎo)致數(shù)字圖像相關(guān)方法失效，且光源波長(zhǎng)越長(zhǎng)，失效越早。因此，高溫DIC測(cè)量時(shí)，紫外光是合適的光源；(2)高溫測(cè)量環(huán)境以及采用紫外光照明這一方式，可以直接采用被測(cè)物本身作為底色。由于高溫漆和試件對(duì)紫外光的吸收率不一樣，雖然沒(méi)有與紫外光對(duì)應(yīng)顏色的散斑可以提供，但是在圖片中會(huì)呈現(xiàn)出不同的灰度值。無(wú)論散斑顯示白色或是黑色，紫外光照明下均有良好的對(duì)比度，可以進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。而如果采用傳統(tǒng)的制斑方法，由于高溫環(huán)境下黑體輻射的影響，對(duì)比度并不優(yōu)于直接噴涂散斑。因此，利用數(shù)字圖像相關(guān)方法做高溫測(cè)量時(shí)，采用紫外光照明，并直接在試件上噴涂藍(lán)色或者黑色散斑，在1 200 ℃時(shí)仍能獲取最佳圖像。這種做法能夠保證數(shù)字圖像相關(guān)方法在高溫下的可行性與穩(wěn)定性。