一、DIC数字图像相关法：从散斑图像到全场位移应变

1. 什么是数字图像相关技术

数字图像相关技术（Digital Image Correlation，简称DIC）是一种基于数字图像分析的非接触式全场变形测量方法。系统通过相机连续记录试样在加载、升温或其他实验过程中的表面图像，并利用随机散斑的灰度特征计算材料表面的运动。

DIC能够同时获得整个观测区域内的位移与应变分布，特别适用于应变集中、裂纹扩展、界面失效、局部屈曲、热膨胀和复杂结构变形等测试。

测量开始前采集的散斑图像称为参考图像，加载或温度变化过程中采集的图像称为变形图像。试样发生变形后，散斑会随材料表面一起移动，软件通过比较前后图像中的灰度模式确定散斑区域的位置变化。

图1DIC相关匹配流程

2. 子区匹配与亚像素计算

计算时，软件将感兴趣区域划分为许多相互重叠的小区域，这些区域称为子区。每个子区内的随机散斑灰度分布具有相对独特的图像特征，可以作为材料表面的光学标记。

相关算法在变形图像中搜索与参考子区最相似的位置，并通过亚像素优化获得更加精细的位移结果。将所有有效子区的计算结果连接起来，可以形成连续的全场位移分布；进一步计算位移梯度即可得到应变场。

3. 单目2D-DIC和双目3D-DIC

二、散斑图案与系统标定

1.散斑图案为什么重要

散斑图案是DIC识别和跟踪材料表面运动的基础。理想散斑应具有随机、清晰、对比度高和分布均匀等特点，并在整个实验过程中与试样表面保持同步变形。

图3  常见散斑质量对比

注意事项：

• 散斑与试样表面结合牢固，实验过程中不能脱落或相对滑移。

• 黑白区域具有足够的灰度对比度，避免大面积纯黑、纯白或重复纹理。

• 散斑尺寸与相机分辨率、测量视场和计算子区相匹配。

• 高低温测试采用与目标温区相匹配的耐温涂层或稳定天然纹理。

2.系统标定与坐标建立

单目2D-DIC主要通过已知尺寸的标尺或标定板建立像素尺寸与实际长度之间的对应关系。测试时，相机光轴应尽量垂直于试样表面，并保持相机、镜头和加载装置稳定。

双目3D-DIC需要使用具有已知几何参数的标定板，在测量空间内采集多个位置和姿态的图像，以确定相机内部参数、镜头畸变、两台相机之间的相对姿态，以及图像坐标与三维空间坐标之间的关系。

图4 不同类型标定板对比

相机位置、焦距、基线或立体角发生变化后，通常需要重新标定。对于显微和宽温区DIC，还应关注倍率变化、景深、像面漂移、热空气扰动及观察窗口带来的成像影响。

三、DIC测量系统组成与输出结果

1.DIC系统组成与数据流程

完整的DIC测量系统通常包括工业相机、成像镜头、照明系统、相机支架、标定装置、同步采集模块、分析软件，以及试验机、冷热台或其他加载设备。图像、载荷、试验机位移和温度数据可以按照统一时间轴同步记录。

图4  DIC系统组成与数据流程

2.DIC能够输出哪些结果

• X、Y方向面内位移，以及双目测量中的Z方向离面位移。

•εxx、εyy、εxy、最大和最小主应变及主应变方向。

• 三维表面形貌、翘曲、弯曲和曲率分布。

• 虚拟引伸计、测点、路径和指定区域平均结果。

• 裂纹、孔洞、缺口和界面附近的局部应变演化。

• 载荷-位移、载荷-应变、温度-应变和时间-应变曲线。

• 位移云图、应变云图、数据文件、变形演化视频及测试报告。

• 与单点式测量方法相比，DIC能够保留完整的空间分布信息，更适合分析局部变形、不均匀应变及结构失稳过程。

四、DIC应用案例

DIC技术具有多尺度测量能力，根据试样尺寸、目标区域及成像尺度，DIC测试服务可分为宏观、介观和微观三个层级，实现从工程试样整体变形到材料微区局部响应的全场测量。

1.宏观DIC测量

采用单目2D-DIC或双目3D-DIC系统，搭配**材料试验机及光学冷热台，测量常规尺寸试样在拉伸、压缩、剪切、弯曲、循环加载及温度变化过程中的全场变形。

可获得面内位移、离面位移、应变分布、热膨胀不均匀性及三维翘曲，适用于金属、聚合物、橡胶、复合材料、薄膜、焊接接头、粘接界面和3D打印结构。

2.介观DIC测量

采用体视显微3D-DIC或自动对焦显微2D-DIC系统，对毫米至亚毫米尺度的局部区域进行高倍率测量。

可获得局部面内位移、表面应变、三维形貌及离面变形，适用于微小试样、焊缝局部区域、材料界面、芯片横截面、封装层间结构和微小焊点，可用于分析局部应变集中、层间变形差异及热膨胀失配。

3.微观DIC测量

结合扫描电子显微镜与原位加载装置，对材料微米尺度区域的变形过程进行连续观测和数字图像相关分析。

可测量晶粒、相界、孔隙、夹杂物和裂纹**附近的微区位移与应变，研究微观应变局部化、裂纹萌生与扩展、界面损伤以及材料微观组织与宏观力学性能之间的关系。

五、测试流程

1. 确认样品尺寸、材料类型、加载方式、实验温度和目标测量区域。

2. 根据是否存在离面运动选择单目2D或双目3D测量方式。

3. 确定相机、镜头、测量视场、工作距离和照明配置。

4. 制备与成像分辨率相匹配的随机散斑。

5. 完成设备布置、成像调整、系统标定和试样对中。

6. 采集参考图像，并在加载或温度实验中同步采集图像与传感器数据。

7. 进行相关计算、结果检查、参数优化和异常数据排查。

8. 输出位移应变云图、曲线、数据、演化视频及测试报告。