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快速DIC形變測試技術與工程應用

2022.01.26

  

快速DIC形變測試技術與工程應用

1李得睿  2陳衛紅  2彭波 3晏班夫
(1上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海,200240;2北京智博聯科技股份有限公司,北京 100088;3湖南大學土木工程學院,長沙,410082)
[摘 要] 數字圖像相關(Digital image correlation, DIC)技術以其亞像素級別測試精度、可遠距多點非接觸測試、設備簡單、操作簡便等特點,在結構形變測試中受到較多關注。本研究采用基于傅里葉變換的互相關(Fourier transform-based cross correlation, FTCC)算法與反向組合高斯牛頓 (Inverse Compositional Gauss–Newton, IC-GN)算法的DIC運算框架,對DIC在工程應用中的可行性進行分析。通過精度分析以及實際工程應用案例,對基于FTCC和IC-GN算法的DIC計算架構進行測試,結果表明DIC技術在工程應用中的測試精度有理論保證,且得到了較好的實測結果。
[關鍵詞] 數字圖像相關;形變測試;亞像素匹配

Rapid DIC Deformation Measurement Technology and Engineering Application

1Li Derui  2Chen Weihong  2Peng Bo  3Yan Banfu
1 School of Naval and Architectural , Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University ,Shanghai,200240; 2 Beijing ZBL Science & Technology Co. Ltd.,Beijing 100088; 3 College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha,410082
Abstract: Digital image correlation technology has attracted more attention in structural deformation test because of its sub-pixel level test accuracy, remote multi-point non-contact test, simple equipment and easy operation. In this study, DIC operation framework based on cross-correlation algorithm of Fourier transform and inverse Compositional Gauss-Newton algorithm is used to analyze the feasibility of DIC in engineering application. Through the accuracy analysis and practical engineering application cases, the DIC computing architecture based on FTCC and IC-GN algorithm is tested. The results show that DIC technology has theoretical guarantee for the test accuracy in engineering application, and good measurement results are obtained.
Keywords: digital image correlation; deformation measurement; subpixel matching

前 言

        形變測試是研究各類土木工程材料與結構特性的重要手段。傳統形變測試方法普遍存在現場操作困難、多點測試不便、測試成本高、需人造靶標、測試效率低下等問題。在結構測試領域,近年來數字圖像相關(Digital image correlation, DIC)方法以其亞像素級別測試精度、可遠距多點非接觸測試、設備簡單、操作簡便等特點,在結構形變測試中受到較多關注[1-3]。
        依據算法原理,可將DIC技術分為局部DIC技術[4]與全局DIC技術[5], [6];依據拍攝原理,又可將局部DIC技術分為二維局部DIC技術[7]、立體局部DIC技術[8], [9]與數字體積相關(Digital Volume Correlation, DVC)技術[10]。其中,全局DIC技術并非主流DIC技術,目前大部分學術論文內容以及幾乎所有商業DIC軟件均基于局部DIC技術實現;而立體局部DIC技術與二維局部DIC技術并無本質區別,立體局部DIC技術需要進行多相機組的外參數標定,來實現三維位移的測量,其本身仍運行二維局部DIC的算法;DVC技術實質上是DIC技術的三維拓展,其基于類似X射線對物體進行三維掃描,得到物體的三維實驗數據,運行二維DIC算法的三維拓展版本,實現對物體內部的三維運動測試,DVC難以在土木工程測試領域推廣,其所需設備非常規設備,并且大部分土木工程測試情景不需要運用DVC進行三維體積位移追蹤?;诖?,本文主要基于二維局部DIC技術,進行土木工程結構位移測試的研究與可行性分析。為了方便表述,本文一律將二維局部DIC技術稱之為DIC技術。
        晏班夫等[3]為減少基于快速歸一化互相關(Fast normalized cross correlation, FNCC)[11]的整像素并行搜索算法的運算量,基于CUDA 并行計算平臺,使用消費級NVIDIA GPU 顯卡,將圖像配準領域廣泛應用的基于快速傅里葉變換的互相關(Fourier transform-based cross correlation,FTCC)[12]整像素初值搜索算法引入GPU-DIC并行運算框架中,大大提升了初值搜索速度,結合反向組合高斯-牛頓(Inverse compositional Gauss–Newton,IC-GN)[13]亞像素算法,位移測試達到了與傳統FNCC并行算法相當的精度與穩定性主要,通過實驗室實驗證明了DIC在土木工程形變測試領域的實用性。
        本文主要采用理論精度分析與現場實驗對集成FTCC和IC-GN算法的DIC計算架構進行測試,以驗證該測試體系以及測試系統在工程應用場景下,尤其是土木工程室外場景下結構位移測試的可行性。實驗結果表明,該DIC計算架構具備在土木工程室外場景下的測試可行性。

1 原理簡介

1.1 硬件系統

        圖 1為典型的數字圖像檢測系統,主要由筆記本電腦(計算設備)、數字圖像采集儀、被測物以及照明設備(光源)等硬件設備及數字圖像測量軟件組成,其中數字圖像測量軟件是核心。圖2為基于GPU并行運算的快速DIC形變測試研究框架及流程,其中DIC技術的核心算法包括整像素初值搜索算法(FNCC及FTCC)與亞像素匹配算法(IC-GN與FA-NR)。亞像素算法中應用最廣泛的是基于形函數的迭代型算法,例如IC-GN、FA-NR等。得到的位移場經過差分及平滑可以得到應變場,這部分內容在本文并未涉及。

圖 1 數字圖像檢測系統基本構成