数字散斑相关法概述

数字散斑相关法概述

刘攀杜西亮*

（黑龙江大学，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：数字散斑相关法自出现以来，一直是图像处理领域中一种重要的方法。它属于机器视觉测量法，由于它是非接触式的，所以如今在众多领域中，它的应用越来越广泛。尤其在高精度的形变测量中，它一直是研究者们重点研究的对象。目前，该方法能达到的亚像素精度最高为0.001pixel。

关键词：数字散斑相关法；机器视觉；形变测量；亚像素

1.前言

材料以及结构件在载荷作用下的位移和变形情况，一直是实验力学研究的重点。而物体变形测量技术主要可以分为两类：接触式和非接触式测量。而目前应力应变测量方法大概有以下几种：（1）应变片电测法：电阻应变；（2）光纤光栅法：光栅反射光的波长；（3）光弹性法：材料的双折射效应，干涉条纹；（4）机器视觉测量方法。机器视觉法属于非接触式测量，其中在实验测试的工程测量中用得较多的就是数字散斑相关方法(DigitalSpeckleCorrelationMethod，DSCM)。

2.数字散斑相关法

数字散斑相关方法（DSCM），或者称为数字图像相关方法(DIC)，是数字图像处理技术应用于光测力学的过程中产生的新的测试手段，是对全场位移和应变进行量化分析的光测实验力学方法，该方法是利用被测构件表面变形前后的两副图像的灰度值进行相关运算，从而达到求解变形体表面位移和应变的目的[1]。

在实际测量过程中，数字散斑相关法光路简单、可以白光作为实际广元，不需要严格的环境条件，并可对全场范围内的区域进行非接触测量测量，能够与全息成像、医学成像、传感器、形变测量等技术相结合，在实际测量中有着广泛的应用[2]。但是，数字散斑相关方法也有不足之处，比如：由于环境、光源、位移场中散斑点大小的改变，使得其他峰值点的相关系数和待测点的相关系数差别不大，有时甚至出现比待测点的相关系数还要大的情况，这就会造成误差，所以散斑相关测量法的关键就在于如何快速、准确地找到待测点[3]。因此，搜索方法和测量算法的研究是数字散斑相关方法运用于实验和工程的重点、难点。

3.数字散斑相关法的算法

3.1整像素搜索法

目前，常用的几种整像素搜索法有：全局搜索法、3步搜索法、遗传算法搜索法、神经网络搜索法等。其中，全局搜索法是逐点式搜索，因此它的用时最长；三步搜索法是由粗略到精确逐步搜索，因此，相较全局搜索法它大大降低了搜索时间；遗传算法搜索法是近几年发展起来的一种新的搜索法，它是一种具有启发性、指导性和快速收敛特性的搜索方法，大大缩短了搜索时间，在图像匹配领域得到了广泛应用；神经网络搜索法是近几年最热的一种搜索法，它具有自组织和自学习的功能，具有较强的容错性和鲁棒性。

3.1亚像素算法

亚像素算法一直是图像领域中重点研究的对象，它与众多图像处理相关方法都密不可分，且直接影响各种相关法的误差和精度。因此，亚像素算法也是数字散斑相关法的重点部分。目前最常用的亚像素算法有：插值法、曲面拟合法、梯度法、Newton-Rapshon迭代法、神经网络算法等[1]。

（1）插值法：插值法是最原始的亚像素算法，它计算量大且精度低，但是原理简单，可以满足低精度的应用要求。

（2）曲面拟合法：曲面拟合法的稳定性最好，但是其计算精度与次数有关，次数越高精度越高，但是随之计算越复杂、计算时间越多。综合考虑，3次曲面拟合法精度较高，计算时间较快，是目前应用最广泛的一种亚像素算法[4]。

（3）梯度法：它假设变形前后同一点的灰度相同，再利用灰度梯度算子计算出形变量的一种方法，虽然它计算速度略低于曲面拟合法，但是抗噪能力强且计算精度最高，因此，它也是常用的一种亚像素算法[4]。

（4）Newton-Rapshon迭代法：Newton-Rapshon迭代法以整像素位移搜索结果为迭代的初始值，相关系数为迭代公式进行计算。由于N-R方法对噪声特别敏感且计算量较大，计算时间较长，因此，在实际应用不如拟合法和梯度法应用广泛[4]。

目前，数字散斑相关法里的亚像素算法大多都采用这几种算法改进后的算法或者多种算法相结合进行取长补短，测量精度不断提高，目前实验室内的测量精度能到0.001pxiel。但是，在实际应用中，由于镜头像素的限制、拍摄时的抖动、环境的不稳定性、系统自身误差等，测量精度是达不到0.001pixel的。

4.数字散斑相关法的应用

目前，将数字散斑相关法与其他系统融合在一起制作相关测量仪器用于现场工程测量中的研究不多，且绝大部分都是现场采集图片后，带回实验室在PC机上做后续处理，实时性不高，整个系统没有有效融合统一、过程冗杂不便，因此未来研究可以重在将数字散斑相关方法与各种传感器、嵌入式系统、FPGA等有效结合，设计出一些可手持实时测量的仪器。这样不但可以让数字散斑相关法得到更广地发展，还可以与众多领域有效地结合，以便设计出更多有意义、有价值、有市场的产品。

5.结语

数字散斑相关法作为实验力学的一种重要测试方法，由于它的非接触性得到广泛应用，尤其在形变测量领域，很多时候都优于其他方法。虽然实验室的亚像素算法精度能达0.001pixel，但是运用在实际应用的精度由于其他原因是达不到0.001pixel的，而整像素搜索法和亚像素算法决定着散斑测量系统的整体误差、精度及运行时间，因此算法的研究依旧是散斑相关法的研究重点之一。目前没有一个系统的散斑测量装置，导致数字散斑相关法更多的是在实验室得到研究，而在实际应用中很少得到有效应用，因此，制作一个便携式、可实时测量的散斑测量仪是极有必要的。

参考文献

[1]梁园.数字散斑相关亚像素位移测量方法研究与实验[J].天津大学.2007.

[2]李凯强.基于改进曲面拟合法的数字散斑相关方法研究[J].激光与光电子学进展.2018(55).

[3]唐经源.大动态范围激光散斑位移测量研究[J].半导体光电.2001(02).

[4]王观次.结构变形测量的数字散斑相关方法研究[J].公路与汽运.2015(03).

作者简介：刘攀（1994年4月—），女，重庆市人，哈尔滨市南岗区黑龙江大学微电子学与固体电子学专业2016级在读硕士，研究方向为传感器技术。

*杜西亮（1970年6月—）,男，黑龙江省哈尔滨市人，黑龙江大学微电子学与固体电子学专业在职教授，研究方向为传感器技术、集成电路等。