數字圖像相關技術在混凝土領域的研究進展

趙幸煥

（廣東和協建設工程檢測有限公司，廣東 東莞523430）

數字圖像相關（DIC）技術在20 世紀80 年代初由幾名學者相繼提出，是一種基于攝影測量法的測量技術，能夠在物體變形前后，根據物體表面天然或人工制作的散斑場圖像，通過一系列相關計算，來獲取物體感興趣區域的變形信息。近年來，數字圖像相關技術作為一種評價方法被廣泛應用于工程領域，它的基本思路是對變形前后的物體進行連續散斑圖像采集，然后利用圖像識別處理技術得到數字灰度場的位移和應變等，利用光學測量原理將問題轉化為數學計算問題，由此來獲得物體所需的參數。數字圖像相關技術具有很多優點，如：測量過程和試驗準備簡單，僅需一或兩臺數字相機拍攝被測物體變形前后表面的數字圖像；對測量環境要求低，在試驗過程中無需激光照明和隔振等；適用范圍廣泛，可與不同的數字成像設備直接結合。由于以上突出的優點，數字圖像相關技術成為了當前固體力學試驗最重要、最受歡迎和應用最為廣泛的變形測量技術[1]。

數字圖像相關技術提出以來主要用于力學測試；但隨著研究的進一步深入，其在混凝土領域的應用已經擴展到包括裂紋萌生和擴展、位移與應變測量、各種小尺寸和大規模的材料評估及結構安全評估等范疇。將數字圖像相關技術與其他技術結合，能夠進一步擴展其測量能力，得出更具可比性的測量結果。

1 數字圖像相關技術的功能及其拓展

數字圖像相關測量技術的基本原理是將變形前原始圖像中的感興趣區域劃分為網格，將每個子區域認為是剛性運動；變形后，目標圖像子區域的中心位置相對原始圖像發生了移動且形狀也發生了變化，故針對每個子區域按照預先定義的相關函數進行計算，尋找目標圖像中相對于原始圖像每個子區域相關系數為最大值的區域，即可確定該子區域變形后的位置，進而獲得其位移。按照此方法對原始圖像中劃分的全部子區域進行計算，便可獲得全場的變形信息。

圖像采集通常使用電荷耦合器件（CCD）相機，以快速獲得高分辨率的圖像。對于二維數字圖像相關測量，試樣表面通常被要求是平坦的并保持在與攝像機傳感器平行的平面上，試樣通過天然散斑或人為制造的散斑圖來達到足夠的對比度，以便與變形后目標圖像中的像素位置進行對比，由此進行相關識別。該方法在使用過程中計算復雜度小、計算精度較高。

1.1 三維數字圖像相關方法

二維數字圖像相關方法通常局限于平面物體的面內位移測量且要得到準確可靠的測量結果，對被測物體及其變形狀態和成像系統還提出了一系列要求：被測物面需為平面或近似平面；攝像機光軸應與被測物面垂直或近似垂直且成像系統畸變誤差可忽略；被測物體變形主要發生在面內，離面的位移分量非常小；被測物體表面具有隨機的灰度分布，可以作為變形信息的載體并為后續的相關匹配提供特征。基于原有的二維圖像相關方法與立體目視原理，Luo P F等[2]最先提出了三維數字圖像相關方法（3D DIC），通過兩臺數字相機同時拍攝物體的圖像，構建三維立體模型，對物體的三維形貌及變形進行分析。該方法克服了二維數字圖像相關方法的局限，具有更廣闊的適用范圍和良好的精度；但由于需要考慮數字相機的參數及被測物體表面的幾何特征，進行相關計算時形函數選擇的復雜性增強。在三維數字圖像相關方法的測量過程中，標定和匹配這兩個關鍵步驟對計算結果有直接影響：標定是確定兩個攝像機內外參數的過程，其精度會直接影響到最終測量結果；匹配是尋找測量系統中兩個攝像機分別記錄的數字圖像中的對應點，通常被認為是立體視覺中最為困難的部分。潘兵等[3]用雙目立體視覺成像系統標定方法和基于二次形函數的立體匹配方法實現了三維數字圖像相關研究，用兩個典型試驗進一步驗證了該方法的有效性。

三維數字圖像相關方法的優點是僅需對試樣表面進行簡單處理，使其具有隨機的灰度變化，試驗準備簡單；采用白光照明，對振動不敏感，對環境要求較低；適用范圍廣，測量范圍適用于小變形（＞500 微應變）到大變形（幾百應變）；避免干涉測量方法中涉及到的條紋圖處理和相位展開，數據處理可以完全自動進行。其不足在于實現較為復雜，要求較高的數字圖像處理技術和計算機編程水平，不適合宏觀物體小變形（＜500 微應變）測量[4]。三維數字圖像相關方法在三維形貌和變形測量、部分靜載和動載試驗、高溫形變測量、大變形測量和殘余應力分析等多方面中均有應用；為了提高其精度，應當進一步研究散斑特征與匹配誤差關系、外界因素干擾對測量效果的影響，擴大其適用范圍。

1.2 數字體圖像相關方法

數字體圖像相關方法是在數字圖像相關方法的基礎上進一步發展的測量方法。已有的二維、三維數字圖像相關方法僅可用于物體表面變形測量，Bay B K 等[4]將數字圖像相關方法推廣至三維，提出了數字體圖像相關方法（digital volume correlation，DVC），以松質骨為研究對象，通過匹配由顯微CT 記錄的變形前后的體圖像，獲得其在特定壓縮載荷作用下的內部三維全場位移和應變。受此思想的啟發，研究人員將數字體圖像方法與各種體成像設備結合，不斷拓展應用范圍，應用對象也不斷豐富，應用在試驗力學中三維裂紋的局部變形研究和非均勻材料內部參數識別等研究中。

數字體圖像相關方法測量物體內部變形的過程與數字圖像方法測量表面變形的過程類似，主要分3步：數字體圖像采集、位移場測量、應變場計算。二維數字圖像相關測量時，可以在被測試樣表面制作人工散斑圖案以提高變形信息載體的對比度；但絕大多數情況下，數字體圖像相關方法只能依賴被測物體內部的復雜成分或微結構體系在體圖像中形成的灰度差異作為變形信息載體。由于研究對象、成像方式、圖像特性的不同，與數字圖像相關方法相比，數字體圖像相關方法面臨著更多困難和挑戰，包括材料內部組成和結構的影響、各種因素對體圖像質量的影響、相關算法的性能等[5]。

2 在混凝土領域的具體應用

混凝土作為一種在建筑中廣泛使用的各向異性材料，對其相關性能及破壞機理等的探究必不可少，根據混凝土構件的特點改進的數字圖像相關方法，能夠更好地滿足相關需求。數字圖像相關技術能有效檢測出混凝土裂縫出現的位置、損傷的發展趨勢等，也為結構的安全評估提供新思路。

2.1 裂縫演變及斷裂特性

數字圖像相關技術已被用于混凝土裂紋檢測，進一步提高了其觀察損傷或失效、斷裂特征和其他不連續行為的能力。Fayyad M T 等[6]通過數字圖像相關技術研究了鋼筋混凝土試件中的I 型裂紋及其擴展，研究結果進一步表明數字圖像相關技術是測量裂紋張開位移的有效手段，能夠可視化、定量地確定鋼筋混凝土的斷裂特性；Marek U 等[7]將使用二維數字圖像相關技術得到的應變和位移與試驗結果數據庫進行對比，分析了BFRP 鋼筋混凝土梁中裂縫的萌生和擴展；童晶等[8]使用數字圖像相關技術實現了在混凝土表面出現肉眼可見裂縫前準確判斷初裂的時間和位置，證實了其對混凝土結構耐久性壽命預測具有重要的意義。數字圖像相關方法能夠測量裂紋的寬度并且能夠提供試件上裂紋寬度隨荷載增加的演變過程，能夠可視化、定量地確定混凝土的斷裂特性，成為測量裂紋張開位移的有效手段。目前混凝土裂縫檢測的人工觀測方法、超聲波檢測方法、傳感器監測方法等均能有效地獲取裂縫信息；但時費時費力，受環境等因素的限制，難以捕捉微裂縫。而數字圖像相關技術能夠在不進行任何復雜測量的情況下，通過數字相機記錄的混凝土變形前后表面圖像，采用相關計算方法進行分析，對裂縫的幾何形狀進行重建，從而檢測混凝土表面受損區域、裂縫萌生及發展狀況。對于數字圖像相關技術研究的新進展能夠為斷裂工程提供新的測量方法，并能夠加深對混凝土開裂過程的深入研究。

2.2 位移與應變

混凝土作為各類土木結構中使用最為廣泛的建筑材料，了解其受載時的位移和應變有助于對其性質及將出現在其表面的裂縫模式進行探究。目前普遍采用應變片等離散點抽樣測量方法對混凝土構件受載變形的狀態進行測量，測量結果往往不能有效反映試件的真實特性；而數字圖像相關技術具有無損、非接觸、對環境要求低、適用范圍廣和精度高等優點，能夠測得混凝土在受載時的位移和應變發展且能夠通過計算機軟件計算進行定量分析。由于大剛體位移、低應變的變形特點，常規測量技術難以完成混凝土構件試驗，戴宜全等[9]針對混凝土構件變形測試中大剛體位移、低應變量的特點，將數字圖像相關方法改行了改進，更好地適應了工程試驗中混凝土全場變形測量的要求。王凡等[10]將數字圖像相關方法與CT 技術進行結合，直觀地以圖像形式呈現混凝土試件內部的應力應變過程，為研究混凝土內部結構的變形、破壞和穩定性提供了有效地可視化手段。毛靈濤等[11]采用數字體圖像相關方法與X 射線CT 相結合測量試件內部三維變形場，分析內部變形的產生和發展過程。數字圖像相關技術已經較為成熟地應用于混凝土結構構件受載時位移與應變的測量，憑借其優點為相關領域的試驗提供了更優解決方案。

2.3 結構安全評估

數字圖像相關技術通過計算位移和應變，能夠評估混凝土材料在不同形式加載下的表征，檢測混凝土材料的強度和機械性能，證實混凝土材料的承載能力，推斷混凝土材料或結構的耐久性；同時，其能夠檢測結構損傷，測量裂紋的寬度并提供裂紋的萌發及演變過程，因此數字圖像相關技術對結構安全評估有重要意義，也為結構安全評估提供了新的思路。三維數字圖像相關方法可以作為評估定量健康狀況的替代方法，將表面幾何形狀、位移和應變測量與基準線進行比較，或比較隨時間的變化，可以表明結構和損傷位置的變化且具有長期監測的潛力，可以定期對結構進行成像，根據不同日期或不同運行條件下記錄的圖像計算應變和位移。一些研究人員將數字圖像相關技術應用于捕捉結構的動態荷載下動態位移及動態響應。對數字圖像相關技術的研究和使用，有助于高效地對結構安全進行評估。

2.4 其他方面的應用

以位移、應變和裂縫測量為基礎，數字圖像相關技術在混凝土領域可拓展至結構全場變形分析、混凝土中鋼筋銹脹應力分析、鋼筋混凝土梁斷裂、混凝土損傷檢測等方面。隨著數字圖像相關技術與其他測試技術的結合及改進計算方法、提高測量精度、克服環境影響等，其應用范圍將會進一步拓寬。

3 應用中的問題

大量試驗表明，測量中散斑圖的質量對測量結果有一定的影響，當采用不同的散斑圖時，即使試件的變形狀態及相關的計算參數完全相同，最終的結果也會有所不同；因此散斑圖的制作是試驗中非常重要的一步，如何評價散斑圖的優劣也成為了數字圖像相關方法使用者十分關心的問題。已有評價散斑圖優劣參數的研究[12]仍待進一步優化。對于數字圖像相關技術的改進，數字體圖像相關技術仍處于起步階段，使用該方法進行測量評估的持續發展是當下研究的一部分。數字圖像相關技術與其他檢測系統的結合，也仍待進一步研究和應用；此外，受散斑制備質量、計算參數選取、缺乏有效的計量方法標定等諸多因素的影響和制約，其測量結果的一致性和正確性難以得到保證且與應變片技術相比，數字圖像相關技術的應變測量精度仍不夠高；雖然基于子區的亞像素位移算法相比于基于有限元的全局計算方法計算效率更高，但仍然難以滿足實時測量的需求，尤其對于高速動態測量及一系列特殊的應用場合，目前商業測量系統的適用性仍然不足[13]。

4 結論與展望

盡管作為一種新興的非傳統測量技術仍有待進一步研究優化，但數字圖像相關技術在混凝土領域已經有了廣泛的應用并且具有很好的發展前景。從當前研究成果來看，數字圖像相關技術已經被作為一種先進工具，在對混凝土的力學性能、位移與應變、裂縫的萌發與擴展以及混凝土結構安全監測等方面進行了應用。對于數字圖像相關技術的研究仍有待進一步深入，其在實際應用中仍存在著許多問題，隨著其算法的優化、精度的提高和處理分析系統的升級等，未來在混凝土領域會有更加廣闊的應用前景。