【摘要】数字图像相关方法（Digital Image Correlation，DIC）具有非接触、高精度及实验环境要求低等优点，近年来发展迅速。本文在综述目前测量材料力学性能方法的基础上，分析了数字图像相关方法的原理及其在测量材料力学性能中的应用，最后介绍了该方向的发展展望。
【关键词】数字图像相关方法；材料变形；力学性能
1.引言
随着材料技术的不断发展，各种新型材料相继出现，在相关科研领域的应用也受到广泛关注。材料性能的好坏会直接决定产品的好坏，因此材料力学特性的测量显得很有必要。与此同时，传统的接触式应变测量方法在应用于柔性材料、高温高压环境、大变形测量以及微小试件等特殊领域时，也受到了很多局限。
在现代的工业生产、科学研究及工程应用中，获得材料的位移和应变信息并对材料的变形和力学性能进行深入研究具有重要的意义。而传统的接触式测量工具和传统的光学测量方法，由于其局限性己经不能再满足测量要求。
2.测量材料力学性能的方法
电阻应变片测量方法，是目前常用的测量应变的方法，具有精度高，测量结果稳定等优点。但是，电测方法是接触测量、对被测试件要求一定刚度，只能点测量，不能得到全场数据，且测量范围有限，不能测量大应变；而数字散斑相关方法则是一种非接触全场测量方法，可从整体上对物体变形规律进行分析，可以测量大变形。
随着计算机技术的发展和新的存储元件的开发应用，实验力学中出现了一些新的方法。这其中的数字图像相关法以其具备全场和局部变形测量、非接触测量、对场地要求不高、实现简单、应用范围广的优点，受到越来越多的研究人员的重视，己经成为现代光测力学领域中一个重要的方法。
3.数字图像相关方法测量变形的原理
数字图像相关方法又称为数字散斑相关方法[1]，在数字图像相关方法的理论体系中，一般认为材料表面特定点的灰度信息不会随着其运动而发生改变，也正是基于这个假设建立了测量区域在变形前与变形后之间的数学关系。数字图像相关算法是利用表面灰度分布具有随机性，则所选取子区在材料表面不同状态时的数字图像中都具有唯一性，便可以从这些灰度信号中获取位移及应变信息。
数字图像相关方法的核心思想是跟踪图像中每一个点，在变形后的图像中找到其对应的位置。在匹配对应点的过程中需要选取一个矩形区域而不是单独的像素点，是因为所选取的灰度矩阵中会包含随机分布的数值信息以示与其它子区的区别，这样便能更好地识别出该区域在变形后图像中的位置。在搜索目标区域的过程中，需要采用相关系数[2]计算其与样本子区之间的相似程度，因此目标点的匹配实际上可以看成是寻找相关系数峰值的过程，相关系数取极值的位置即为子区变形后的位置。相关系数，是相关分析中非常重要的部分。相关系数的选择有许多种，一般用以下的相关公式来衡量：
C=
f（x，y）为物体变形前的图像，g（x，y）为变形后的图像。除了相关系数的运算还需要搜索方法的选择，一般是先进行整像素搜索在进行亚像素位移测量算法。为了获取更高的精度采取亚像素搜索。目前，应用最广泛的亚像素位移测量算法以下种：插值、曲面拟合法[3]、梯度算法、N-R算法。
4.数字图像相关方法测量变形的应用
4.1 数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用
裂缝是桥梁所出现的各种缺陷尤其值得重视的一种[4]。监视裂缝出现通常采用电测的方法。即在梁的可能开裂区段上连续布置相当数量的应变计，某处应变计的示值跳跃式的增长，这就表示梁体混凝土在该处开裂，与此同时，相邻的应变计示值往往会下降。电测是点测量，在观测裂缝及附近区域的变形时会遇到困难，而在变形极微小时也难以满足精度要求。为了更精确地进行测量，可以采用数学图像相关方法（DIC）。
在裂缝附近，如果混凝土表面反光性能良好，图像的灰度值起伏较大，就可以作为天然的散斑场；若灰度值分布较均匀，没有什么起伏，可以在表面喷涂玻璃微珠漆。因裂缝本身不反光，在图像中显示为明显的暗区域，为了达到较为满意的计算效果，应尽量增大裂缝与周围区域的反差，保证裂缝中绝大多数点的灰度值低于裂缝附近区域的点的灰度的最小值。通过实验证明数字图像相关方法应用于桥梁裂缝在动静态载荷下的变形监侧是可行的。
4.2 数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用
泡沫金属是一种以金属或金属合金为基体包含大量孔洞的轻质多孔材料，因其独特的结构而具有许多优异的性能。其在军事、航天航空、汽车工业、潜艇舰船及生物工程等领域的应用日益受到人们的重视[5]。作为功能材料，泡沫铝的力学性能是材料得以安全、可靠和有效利用的重要因素之一。研究结果也表明：泡沫铝的力学性能还取决于分布在基体金属中的孔洞特征。
鉴于传统的测试方法只能对泡沫金属材料的力学性能进行宏观尺度上的整体测量，而很少跟踪个别或者少数几个孔洞在加载过程中的变形情况，使用数字相关技术。利用放大成像技术，以泡沫金属表面的自然纹理特征作为数字图像相关测量技术中的位移信息载体，对试件表面的孔洞变形进行跟踪测量。通过相机拍摄变形前后的图片，经过计算机对图片进行处理计算，利用数字图像相关方法实现了对闭孔泡沫铝材料受压时力学特性参数的测量。
4.3 基于数字图像相关方法的粘接界面细观破坏分析
由于固体火箭发动机绝热层/衬层/推进剂之间的界面两侧材料的力学性能差异，容易在界面处产生应力集中导致微裂纹的萌生、长大，使得界面成为整个结构中的薄弱环节，国内外大量研究表明，粘接界面失效是制约固体火箭发动机贮存寿命的主要因素[6]。据统计，固体火箭发动机中有近三分之一是由于上述界面失效造成的。因此，研究粘接界面失效具有重要的工程价值。
观察粘接界面在拉伸过程的变形和破坏过程，并对粘接界面在拉伸过程中的图像进行了数字图像相关分析，得到界面的位移场分布，并揭示界面在拉伸过程中力学性能变化的深层次原因。
4.4 数字图像相关方法在板载芯片封装热变形测量中的应用
微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）器件及微系统等封装常采用多芯片组件（Mult-Chip Modlule，MCM）组装方式，其中广泛采用板载芯片（Chip On Board，COB）方式将硅芯片直接粘接在基板材料上的方式，即板上芯片技术。由于封装结构中各层材料热膨胀系数的差异很大，封装过后结构中存在着很大的热应力，严重时甚至使器件发生根本性的破坏。因此在电子封装力学封装研究中，封装热应力应变测量变得尤其重要。
利用数字图像相关方法对COB封装结构在热循环状态下的表面热变形的分布进行了测量，获得了芯片受热后的表面形变和弹性应变分布，并将测量结果与有限元模拟结果以及理论模型进行对比。测量结果表明，DIC方法用于芯片热致封装应力的测量是可行的，为有限元模拟算法和理论计算方法提供了一种有力的实验依据，也为MEMS器件设计提供有益的参考。
5.发展展望
虽然数字图像相关方法经过国内外学者的发展，无论是理论体系还是应用方面都已经比较完善，但是仍然存在着一些不足，仍然存在一些可能的发展领域，例如：
（1）对已有的数字散斑相关方法相关搜索加以整合。可能会提高数字散斑相关方法的性能。
（2）采用高性能的硬件来改善数字散斑相关方法。例如：采用高性能的CCD，图像板来提高精度。
（3）发展和完善数字散斑相关三维变形场的测量技术，即发展和完善三维数字散斑相关方法。
（4）近一步扩大数字散斑相关方法的应用领域，例如进行智能材料、纳米材料、低维材料等材料的力学行为的测试。
参考文献
[1]金观昌.计算机辅助光学测量[M].北京：清华大学出版社（第2版），2007：9.
[2]金观昌，孟利波，等.数字散斑相关技术进展及应用[J].实验力学，2006，21（6）：689-701.
[3]潘兵.续伯钦等.数字图像相关中亚像素位移测量的曲面拟合法[J].计量学报，2005，26（4）：128-134.
[4]王静，李鸿琦，等.数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用[J].力学季刊，2003，24（4）：512-516.
[5]房亮，唐兆深，等.数字图像相关方法在闭孔泡沫铝压缩试验中的应用[J].实验力学，2008，23（2）：162-168.
[6]李高春，刘著卿，等.基于数字图像相关方法的粘接界面细观破坏分析[J].宇航材料工艺，2012，3：82-85.