非接触式应变测量设计的文献综述

摘要 近几年来，用数字图像相关法测量变形已成为世人瞩目的测量方法，并且应用越来越广泛，自从2007年以来，国际上基于数字图像相关的方法（Digital Image Correlation,DIC）测量全场应变的技术已经被广泛应用于各种学科的研究，例如材料力学，断裂力学，微观纳米应变测量，各种新型材料测量等。这种测量方法具有非接触性、应用广泛、精度较高、全场测量、数据采集简单、测量环境要求不高、易于实现自动化等优点。伴随着各种高分辨率显微镜的出现，这种测量技术可以测量微米甚至纳米的变形，这样使其拥有了更加广泛的发展空间。 本论文凭借国内外在此领域的研究成果作为基础，针对这种方法的测量精度的问题，开展了仿真与实际实验研究，重点分析各种实验因素和外界的干扰对数字图像相关法的计算精度的影响。仿真研究部分，用数值方法模拟从而生成散斑图样，分析了理想状态下散斑与相关计算对精度的影响。借助仿真分析的结果作为基础，开展实际实验的验证，获的了得取最佳计算精度的实际参考值。针对各种产生误差的原因进行分析，并且提出了消除误差或者抑制误差的方法和措施。

关键词 数字图像相关法；应变和位移测量；测量精度；力传感

前言:

图像测量具有非接触、高速度、动态范围大、信息量丰富、成本相对低廉等诸多优点,相比较传统测量方式, ^[1]图像测量技术有其显著的优势,但现今困扰图像测量技术广泛应用的一个关键问题是图像测量的准确性、可靠性,即测量所能达到的精度问题。本文以视频图像应变测量系统为实例,探讨能够提高图像测量精度的理论和方法。文中首先从硬件方面分析了影响图像测量精度的误差因素,并提出了相关的提高精度的方法和措施。其次主要从软件方面研究了提高图像测量精度的软件算法;特别是研究提出了采集图像质量评价、边缘点精确定位亚像素技术、边缘及数据拟合滤波等提高图像测量系统精度的方法,并对它们进行了程序编制实现。再又从图像应变测量系统与周围测量环境的合理匹配中考虑减小测量误差的影响。最后通过应变测量实验对比了几种亚像素算法的效果,选出了最优亚像素算法;验证了几种拟合滤波算法,证明了最小二乘拟合技术能够提高图像测量的精度。同时根据当前仍然存在的问题,本文还继续分析探讨了其产生误差和影响精度的因素,并提出了相关的解决方案。实验证明采用本文研究的方法,视频图像应变测量系统的精度有了进一步的提高,说明了本文所研究的理论和算法对于提高图像测量系统精度是有效的。

正文：

在科学技术蓬勃发展的今天，^[2]可以应用于数字图像处理课程教学之中的图像处理软件有多种，但相对来说 MATLAB 软件最为适合，能够引导学生进行仿真实践教学，让学生找到兴趣点，挖掘潜力，有效学习，最终提高自身数字图像处理水平。基于此，本文将通过概述 MATLAB 软件及数字图像处理，进而探讨如何在数字图像处理课程教学中有效应用MATLAB 软件。

1. MATLAB的发展史

（1）1970年代末到80年代初，^[3]时任美国新墨西哥大学教授的克里夫·莫勒尔为了让学生更方便地使用LINPACK及EISPACK （需要通过FORTRAN编程来实现，但当时学生们并无相关知识），独立编写了第一个版本的MATLAB。这个版本的MATLAB只能进行简单的矩阵运算，例如矩阵转置、计算行列式和本征值，此版本软件分发出大约两三百份。
（2）1984年，杰克·李特、克里夫·莫勒尔和斯蒂夫·班格尔特合作成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场。^[6]MATLAB最初是由莫勒尔用FORTRAN编写的，李特和班格尔特花了约一年半的时间用C重新编写了MATLAB并增加了一些新功能，同时，李特还开发了第一个系统控制工具箱，其中一些代码到现在仍然在使用。C语言版的面向MS-DOS系统的MATLAB 1.0在拉斯维加斯举行的IEEE决策与控制会议（IEEE Conference on Decision and Control）正式推出，它的第一份订单只售出了10份拷贝，而到了现在，根据MathWorks自己的数据，目前世界上100多个国家的超过一百万工程师和科学家在使用MATLAB和Simulink。
（3）^[12]1992年，学生版MATLAB推出；1993年，Microsoft Windows版MATLAB面世；1995年，推出Linux版。

对数字图像相关方法的研究，^[4]不仅具有重要的理论意义，而且更具有非常重要的实际意义。首先，该方法具有许多独特的优势，可以弥补其它测量方法的一些不足；其次，随着高空间分辨率和时间分辨率的图像采集设备的不断出现，该方法可以很方便的应用于新的研究领域。