DIC概述及历史

数字（体）图像相关方法：数字（体）图像相关方法：基本原理关键问题和算法实现基本原理、关键问题和算法实现潘兵北京航空航天大学光测方法概述(Photomechanics)全息干涉数字全息（DH）光弹性数字光弹法（DP）全息干涉数字全息（DH）散斑干涉电子散斑干涉（ESPI）Interferometric techniques剪切电子散斑干涉（Shearography）techniques几何云纹法高分辨率电镜扫描云纹（SM）云纹干涉（MI）数字云纹（DM）Non‐interferometric二维数字图像相关（2D-DIC）三维数字图像相关（3D-DIC）散斑照相Noninterferometrictechniques数字体图像相关（DVC）网格法自动网格法（Gidhd）涂层法荧光应变敏感涂层法（LSSC）网格法自动网格法（Grid method）从散斑和散斑照相谈起…散斑Aspecklepatternisarandomintensitypatternproducedbythemutualinterferenceofasetofwavefronts.ThisphenomenonhasbeeninvestigatedbyscientistssincethetimeofNewton,butspeckleshavecomeintoprominencesincetheinventionofthelaserandhavenowfoundavarietyofapplications.散斑现象—全息中的最大创新是“散斑”-Denis Gabor (Nobel Prize Winner)散斑照相方法及其局限性散斑照相基于散斑颗粒位置的变化所进行的变形检测散颗粒位变化所进行变形检测h检测范围检测范围下限：散斑颗粒位移必须大于散斑的横向尺寸上限：散斑颗粒位移必须小于一定尺寸，使散斑对仍保持双孔特征(Decorrelation, 退相关效应)散斑照相方法及其局限性激光散斑的退相关效应1980, Vincent J. Parks，Experimentally showed that the range of pygdisplacement measurements using laser speckle photography was limited due to de-correlation effects5散斑照相方法及其局限性利用胶片作为记录介质来测量变形信息时存在的问题：胶片的非线性感光特性胶片的非线性感光特性显影、定影(暗室操作)胶片的存放及其稳定性胶片的存放及其稳定性激光照明退相关效应退相关效应极其耗时重建过程的不准确性条纹定级胶片的膨胀和收缩物体坐标和图像坐标之转换成像畸变Digital image correlation6能否寻找一种不通过显影、定影而直接进行变形测量的“数字式”光测方法？基于图像的变形测量方法——数字图像相关方法是当前实验数字图像相关方法力学领域中最活跃、最重要和应用最广泛的光测力学方法。数字图像相关方法概述什么是数字图像相关方法？数字图像相关方法(DigitalImageCorrelationDIC)也有少数文献称之为数字散斑数字图像相关方法(Digital Image Correlation, DIC)，也有少数文献称之为数字散斑相关方法（Digital  Speckle Correlation, DSC）是一种基于计算机视觉原理、数字图像处理和数值计算的、非接触、非干涉、全场变形光学计量方法，是当前实验力学领域最活跃、最受关注、应用最广泛的光测力学方法之一。其它领域类似的方法其它领域类似的方法实验流体力学：粒子图像测速（Particle Image Velocity, PIV）生物医学超声弹性成像ldliii生物医学：超声弹性成像（Ultrasound Elasticity Imaging）计算机视觉：图像配准、运动跟踪、图像压缩地球物理：遥感图像匹配地球物理遥感图像匹配数字图像相关方法概述数字图像相关方法能做什么？运动学何学①Measurement（运动学量、几何学量测量）直接测量各种尺度物体表面(甚至物体内部)在载荷作用下的位移/变形场；②Identification（力学常数、物理参数、本构关系的识别）确定各种材料(复合材料、生物材料、低维材料)的力学常数（如弹性模量、泊松比、残余应力、应力强度因子、热膨胀系数…）与具体的物理模型结合测量物理参数（如标定成像系统放大倍数或畸变、测定透明材料的折射率）透明材料的折射率、…）与力学反演识别（如虚场方法等）结合可识别力学参数和本构模型③Validation（理论、计算、实验之间的互证）验证有限元计算和力学理论分析的正确性；数字图像相关方法概述数字图像相关方法分类单相机，OM，SEM，AFM平面物体表面的面内变形测量二维数字图像相关方法(2D DIC)双相机、多相机平面或曲面物体表面形貌及维变形测量平面或曲面物体表面形貌及三维变形测量三维数字图像相关方法(3D DIC)Micro－CT，LSCM，MRI固体材料的内部三维变形测量数字体图像相关方法(DVC)单个摄像机＋投影仪(DVC)平面或曲面物体表面形貌或离面变形测量数字投影散斑相关方法(DPSC)数字图像相关方法概述数字图像相关方法的优势非接触全场测量与电应变片应变传感相比非接触、全场测量（与电阻应变片、FBG应变传感器相比）；测量设备、过程简单(与ESPI、MI、DH相比)；抗干扰能力强，适用于现场测量（无需激光、光学平台和隔振），(与ESPI, MI, DH相比)；适用测量范围广泛(与ESPI、MI、DH相比)：平面、曲面至物体内部变形小变形至超大变形宏观至微纳米尺度室温常规环境至高低温、辐射环境静态至高速动态测量过程自动化，直接、同时获得二维或三维变形场(与ESPI, MI, DH相比)；数字图像相关方法概述数字图像相关方法的不足目前的技术不适合非均匀小变形测量目前的技术不适合非均匀小变形测量某些情况下，测量结果受使用者的经验（输入参数）的影响较大计算量较大，目前的技术不能实现实时测量（尤其是DVC）一、更准：高精度测量一、更准：高精度测量方法研究目标二、更快：快速（实时）测量二、更快：快速（实时）测量三、更强：极端、恶劣环境测量三、更强：极端、恶劣环境测量四、更智能：自适应、全自动测量四、更智能：自适应、全自动测量数字图像相关方法概述illidl数字图像相关方法的历史1980, William Ranson and Walter Peters III–For 2D, through‐thickness averaged, ultra‐sound applications, proposed approach for conversion of digitizedultra‐soundimagesintoestimatesforlocaldigitized ultra‐sound images into estimates for local surface displacements–Initial experiments completed in 1985 by recording and comparing laser speckle images obtained from strained tlliimetallic specimens“Whendigitalimageprocessingisstillinitsinfancy”1989, D.J. Chen and F.P. Chiang—Showed that one could use a fast Fourier transform to obtain the local displacement data from the phase shift due to displacements of the sub‐region, via estimation of the peak frequency location in the Fourier domain13数字图像相关方法概述1993, Luo, Chao and Sutton–Developed a simple stereo‐vision system and verified the ability to make local strain and deformation measurements in cracked material Methodologist：方法论者Methodologist ：方法论者Pragmatism：实用主义者2000, Bay et alExtended 2D and 3D methods to volumetric images and performs digital image correlation on volumetric elements on the interior of a materialLimitedtothosematerialsprovidingsufficientcontrastLimited to those materials providing sufficient contrast during tomographicimagingRequires a tomographicimaging facility14数字图像相关方法概述国外知名学者16数字图像相关方法概述国外知名学者SunYaofengFEMDICFEM-DICNTU……17数字图像相关方法概述Google学术搜索分析引用次数大于100次的论文统计的论文统计引用次数大于400次的所有论文ChuTC,etal.Applicationsofdigitalimagecorrelationtechniquestoexperimentalmechanics.ExperimentalMechanics,1985.(Timescited:1110)BruckHAetalDigitalimagecorrelationusingNewton-RaphsonofPartialdifferentialcorrelation引用次数大于400次的所有论文BruckHA,etal.DigitalimagecorrelationusingNewtonRaphsonofPartialdifferentialcorrelation.ExperimentalMechanics,1989.(Timescited:843)SuttonMA,etal.Applicationofanoptimizeddigitalcorrelationtoplanardeformationanalysis.Imageandvisioncomputing,1986.(Timescited:475)PanBetal2Ddigitalimagecorrelationforin-planedisplacementandstrainmeasurement:areviewPanB,etal.2Ddigitalimagecorrelationforinplanedisplacementandstrainmeasurement:areview.MeasurementScienceandtechnology,2009.(Timescited:451)VendrouxG,etal.Submicrondeformationfieldmeasurements:Part2.Improveddigitalimagecorrelation.ExperimentalMechanics,1998.(Timescited:411)数字图像相关方法概述ESI高引用论文（检索“digi