采用相机阵列的高分辨全场应变测量方法研究与测量系统研制

In recent years, the digital image correlation technique for three-dimensional deformation measurement, due to its full-field, non-contact, large measurement range and other advantages, play an important role in non-contact large deformation measurement in many fields. But due to the strain resolution is limited by the camera resolution, for 2K * 2K pixel camera even with sub-pixel identification technology optimization, used for surface strain measurement can only reach 100 micro strains. Compared to electrical strain measurement technology its resolution is 100 times worse than. High resolution, such as 4K * 4K pixels, even 10K * 10K pixels camera, not only the price is extremely expensive, and higher resolution in the hardware technology, is difficult to achieve in a short term. To make the digital image correlation measurement technology in the strain resolution has big breakthrough, rely on hardware technology, will be a long waiting. In order to break through this bottleneck, this project intends to use a camera array to realize the high resolution image acquisition and improve the strain measuring resolution of digital image correlation, so as to meet the requirement from elastic to plastic and failure needs of full process measurement, provides a high resolution, full-field, non-contact and large range strain measurement method and equipment for the deformation and failure mechanism research of materials under complex conditions and mechanical behavior research of the structures.

近年来，用于三维变形测量的数字图像相关技术以其全场、非接触、大量程等优点，在很多领域的非接触大变形测量方面发挥了重要作用。但由于其应变分辨能力受到摄像机分辨率的限制，对于2k×2k像素的相机即使采用优化的亚像素识别技术，用于表面应变分布测量也只能达到100微应变的水平，与电测应变技术相比其分辨能力还差两个数量级。而高分辨率，比如4k×4k像素，甚至10k×10k像素的相机，不仅价格极其昂贵，而且更高的分辨率在硬件技术方面短期内还难以达到。要使数字图像相关测量技术在应变分辨能力上有数量级的突破，依赖硬件技术的进步，将是一个漫长的期待。为了突破这一瓶颈，本项目拟采用相机阵列实现高分辨率图像采集，以提高数字图像相关测量技术的应变分辨能力，从而满足从弹性到塑性直至破坏全过程测量的需要，为复杂条件下材料的变形与破坏机理以及结构的力学行为研究提供一种高分辨、非接触、大量程的全场应变测量方法与测量设备。

近年来，用于三维变形测量的数字图像相关（DIC）技术以其全场、非接触、大量程等优点，在很多领域的非接触大变形测量方面发挥了重要作用。但由于其应变分辨能力受到相机分辨率的限制，对于2k×2k像素的相机即使采用优化的亚像素识别技术，用于表面应变分布测量也只能达到100微应变的水平，与电测应变技术相比其分辨能力还差两个数量级。而高分辨率（比如4k×4k，甚至10k×10k）的相机，不仅价格极其昂贵，而且要达到更高的分辨率在硬件技术方面短期内还难以实现。因此，依赖硬件技术的进步，来实现DIC测量技术在应变分辨能力上数量级的突破，将是一个漫长的期待。.为了突破这一瓶颈，本项目首次采用相机阵列和高精度亚像素数字图像合成技术，将25台2048×2048像素的CMOS相机组合成5×5的相机阵列，实现了采样频率大于2Hz的10000×10000像素数字图像采集，使表面全场变形的非接触测量分辨率达到10微应变。通过4点弯曲梁全场变形测量等典型试样的实验检测，测量结果与电阻应变计测量的应变结果相比，误差<3%。在研制1亿像素DIC系统的过程中，首次提出基于数字散斑场的相机外参标定方法，实现了阵列数字图像的高精度拼接，并基于该方法发展了应用于普适散斑场的相机实时标定方法和三维自标定方法；首次阐明了数字图像相关中反向匹配算法的抗噪声性能，证明了其均值误差中不包含噪声引入误差；同时，还提出了基于种子点扩散的并行计算策略，实现亿级像素数字图像相关测量的快速计算。.亿级像素相机阵列全场变形测量系统包括：含LED照明的5×5阵列相机、数字图像采集存储工作站和界面友好、操作方便的DIC分析处理软件。该仪器的研制成功不仅可以进一步揭示载荷作用下材料从弹性到塑性直至破坏的全过程变形规律，为复杂条件下材料的变形与破坏机理研究提供有效的测量工具，更重要的是亿级像素的DIC系统还可用作百万级像素DIC测量系统的校准工具，逐步建立DIC系统的检定规程和计量标准，使DIC测量系统真正成为变形检测工具。