高溫下數字圖像相關散斑最優成像探究

胡 悅，王永紅，鮑思源，胡慧然，閆佩正

(合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

隨著航空航天、發動機等的發展，高溫材料的使用越來越普遍。獲取材料在高溫下的力學性能顯得尤為重要。常規的機械式測量或者電測法在高溫下顯然不再適用。數字圖像相關(Digital Image Correlation, DIC)是在80年代由美國South Carolina大學的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變信息的光學測量方法[1-3]。該方法憑借著光路簡單、非接觸、全場測量且對環境要求友好等優點，在位移應變、三維形貌、巖土力學、人車碰撞等領域有著較為廣泛的研究和發展[4-11]。由于該方法的優勢，近年來也逐漸應用在高溫測量中[12-15]。但采用DIC方法進行高溫測量還有許多亟待解決的問題，如何在高溫下獲取高對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獲得位移應變信息，而被測物的灰度信息一般由物體表面的散斑提供。因此，散斑圖的質量往往決定相關計算的好壞。物體表面的灰度信息通常由物體紋理或人工噴涂散斑實現。一般采用噴漆的方法在物體表面形成散斑，通常會先噴涂一層底色，再噴涂另一種差別較大的顏色來提高對比度。值得注意的是，數字圖像相關的相關函數對圖像整體的灰度變化并不敏感，但如果發生局部的對比度變化，則會有較大影響。高溫測量時，由于黑體輻射的影響，高溫材料的表面自發光譜與外界照明光譜疊加，試樣表面已經燒紅近似白色。表面發射光譜已覆蓋整個可見光區域，輻射強度將大于照明光強度，造成采集圖像的亮度飽和，出現嚴重的退相關效應，導致數字圖像相關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 ℃，輻射譜能量已經接近500 nm波段。在1 000 ℃以上情況下，藍光照明和濾波方法已經較難從試樣反射光譜中探測出有用信息。研究表明，采用主動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題，實現高溫DIC測量[14-15]。目前關于高溫下DIC制斑方式的研究較少報道。實驗采集的圖像是8位灰度圖，即灰度值從0～255，灰度越大代表圖像越亮。由于高溫實驗需要使用主動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，則會反射照明光，在圖片上就會顯得較亮，如果不同色則是吸收照明光，在圖片上就會顯得較暗。再加上金屬試件對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偏向于白色，而試件會偏向于黑色，因此會出現較好的灰度分布，所以，采用與照明光源同色的散斑效果最好。本文通過實驗的方法，在高溫下利用不同光源和相應濾波片，采用不同制斑方式獲取圖像，對比所得到的圖像，并找出高溫下DIC最優成像的方案。

2 散斑成像實驗研究

2.1 實驗所用材料

為了研究高溫下最優的制斑方式及不同光源照明對DIC測量的影響，本文進行了各種情況下的對比實驗研究。實驗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，因為較高比例的鉻和鎳，且擁有較好的蠕變強度，在高溫下能持續作業，具有良好的耐高溫性，適于制作各種爐用構件，最高溫度可達1 200 ℃。為了研究不同光源照明對DIC測量的影響，實驗選用了各波段光源以及對應波長的濾波片，各種顏色的高溫涂漆等。

2.2 實驗方法

圖1 待測試件 Fig.1 Tested pieces

為了對比驗證高溫下最優的制斑方式及光源選取，準備了3個相同試件(均為310 s不銹鋼，如圖1所示)。采用不同的制斑方式：(a)常規制斑，先涂一層白色底漆，再利用黑漆形成散斑點；(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數據如表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，用不同光源主動照明，鏡頭前加相應濾波片采集圖像，測量系統原理如圖2所示。

圖2 測量系統原理圖 Fig.2 Diagram of measurement system

圖3 實驗系統 Fig.3 Experiment system

組建完成的實驗裝置如圖3所示。分別采用以下光源：紅光，綠光，藍光和紫外光在不同溫度下進行照明，并放置如圖4所示的對應波長的濾波片。考慮到普通工業相機的敏感波段覆蓋不到紫外區域，本實驗采用了JAI的紫外敏感相機進行采集，該相機的量子轉換效率如圖5所示。可以看出，該相機在紫外區域也有一定轉換效率。利用高溫爐控制溫度，在室溫，600、800、1 000和1 200 ℃時分別采集圖像。同一溫度下通過更換光源和濾波片，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相機量子轉化效率 Fig.5 Quantum conversion efficiency of JAI UV camera

3 實驗結果與分析

3.1 常規黑白制斑材料實驗

前文提到，利用DIC方法進行測量時，常規的散斑工藝是白底黑斑或黑底白斑以提高圖像對比度。如圖6所示，在常溫下，這樣的圖像有著較好的對比度，有利于相關計算。但是，在高溫環境下，由于黑體輻射的影響，會造成背景偏白，即使外加光源進行主動照明，并配上相應的濾波片，也會造成對比度弱化。圖7為該試件在1 000 ℃時的成像。由于不能獲取優質圖像，也就意味著常規的數字圖像相關方法在高溫測量時失效。因此，高溫時常規的制斑工藝已經無法提供有效的圖像。

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

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

3.2 黑底材料實驗

針對黑底材料，分別采用白光、紅光、綠光、藍光和紫外光光源進行了照明實驗對比。

3.2.1 白光照明

在白光下，即不加任何主動照明，對試件進行圖像采集，所采得的圖像如圖8所示。可以看出，到1 000 ℃時圖像幾乎呈現白色，無法進行相關運算，所以沒有進行1 200 ℃的采集。從上圖可以看到：(1)白光不適用于高溫DIC測量，在800 ℃時還可以勉強呈清晰圖像，但1 000 ℃時圖像質量就已經很差，導致DIC方法失效；(2)800 ℃以下時，由于黑色散斑與試件本身顏色相近，基本無法識別，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

測量時，用紅光光源和紅光濾波片，在各溫度下進行圖像采集，如圖9所示。可以得出：(1)紅光照明在1 000 ℃的時候已經接近極限，1 200 ℃下根本無法識別圖像；(2)紅光下，白色散斑會反射紅光，圖片中會比較亮，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度依舊不高，藍色散斑的效果也不如白光照明，紅光下表現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，所以在圖像上會表現的較亮，與周圍形成對比，效果良好。

3.2.3 綠光照明

利用綠光照明加上綠色濾波片，對相應溫度節點下的試件進行圖像采集。結果如圖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)綠光波長比紅光短，在1 000 ℃的時候表現要好于紅光，有著較好的對比度，可以進行計算；(2)當溫度到達1 200 ℃的時候，綠光照明也無法識別被測物。綠光照明下，除了綠色散斑和白色散斑之外，其他都會吸收綠光。因此，綠色、白色、以及顏色相近的藍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，有著較高的對比度，效果優于其他顏色散斑。

3.2.4 藍光照明

采用藍光主動照明，并加上藍光濾波片進行圖像采集，結果如圖11所示。

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

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

3.2.5 紫外光照明

利用紫外光加紫外濾波片進行圖像采集。結果如圖12所示。可以看到：(1)常溫下圖像不具有較高的對比度，但在高溫下對比度很好，在1 200 ℃時依然可以成像，比之前所有的方法都好；(2)散斑和試件對紫外光的吸收率不同，因此會有不同的灰度顯示，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境下，藍色散斑對紫外光吸收率最低，反射了大部分的照明光線，導致看起來比其他的散斑都要白，從而也就有著不錯的對比度；(4)由于高溫漆和試件對紫外光的吸收率不一樣，因此，在圖像上看來會有灰度區別。而且，試件在高溫情況下對紫外光有著較高的反射率，而黑色散斑對紫外光的反射最低，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 實驗結論

綜合前面的實驗結果可知，在進行高溫DIC測量時，采用不同光源和不同濾波片進行照明時，由于與光源顏色對應的散斑會反射相應的光源，在該種單色光下，該顏色的散斑基本會呈現白色，從而與被測物形成一定的灰度差。但是，高溫下的背景輻射限制了長波波段的單色光的使用。而紫外光的波長更短，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最優的選擇。雖然沒有相應顏色的散斑，但由于高溫環境和在紫外光照明的特殊性，材料對紫外光的吸收率遠低于散斑對紫外光的吸收率，即散斑要比材料本身暗一些，因此，從圖像上來看，散斑本身與黑底材料就具有良好的對比度，可以不需要先涂一層底色。對于黑底材料，黑色或藍色的散斑成像效果優于其他顏色。

3.3 白底材料實驗

3.2章節中所用材料底色是黑色，為了驗證3.2.6中結論的通用性，將被測試件更換為相同材料的白色試件，利用之前已經選出的最優的紫外光進行照明。在實驗過程中，當溫度到達600 ℃進行圖像拍攝，發現試件在高溫下發生氧化，底色基本變黑，如圖13所示。在之后的溫度節點，觀測結果與3.2.5章節一致，表明了在高溫環境下利用紫外光照明時，直接將散斑噴涂在試件上這一方法的通用性。

4 結 論

由上述實驗可以得出，(1)高溫DIC測量時為了減小黑體輻射的影響，必須采用單色光主動照明加上相應濾波片，而當散斑顏色與照明光源一致的時候，會反射照明光源，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，噴涂與其顏色對應的散斑可以得到優秀的成像，這也就證明了前面提出的想法。但是，當溫度到達800 ℃以上時，即使采用單色光照明并濾波的方法，圖像也會逐漸模糊，從而導致數字圖像相關方法失效，且光源波長越長，失效越早。因此，高溫DIC測量時，紫外光是合適的光源；(2)高溫測量環境以及采用紫外光照明這一方式，可以直接采用被測物本身作為底色。由于高溫漆和試件對紫外光的吸收率不一樣，雖然沒有與紫外光對應顏色的散斑可以提供，但是在圖片中會呈現出不同的灰度值。無論散斑顯示白色或是黑色，紫外光照明下均有良好的對比度，可以進行相關運算。而如果采用傳統的制斑方法，由于高溫環境下黑體輻射的影響，對比度并不優于直接噴涂散斑。因此，利用數字圖像相關方法做高溫測量時，采用紫外光照明，并直接在試件上噴涂藍色或者黑色散斑，在1 200 ℃時仍能獲取最佳圖像。這種做法能夠保證數字圖像相關方法在高溫下的可行性與穩定性。