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摘要：数字图像相关方法是一种新型的非接触式光学测量方法，是在上世纪八十年代被人们提出的，并且得到快速的发展，本身具有独特的优势，被使用在很多的领域，数字图像相关方法由于测量经济高和非接触性等特点，可以弥补土木工程中现在的测量方法的不足，可以解决土木结构实验中的很多难题，本文结合土木工程的特点，围绕数字图像相关方法的计算精度和计算效率两个关系问题，改进了数字图像相关方法的亚像素测量算法，提高计算的精度和计算效率，并且扩展数字图像相关方法在工程中的应用。
关键词：数字图像；动态位移；测量；研究；应用
一、测量仪器的使用现状
随着我国土木工程事业的快速发展，建设规模不断的扩大，建设速度不断提高，工程中同时也遇到越来越多的结构安全问题，解决工程中结构安全问题通常采用理论计算和实验分析方法，其中理论计算多采用有限元理论进行数值模拟计算，但是计算条件一般是在理想条件下，很难完全模拟出结构实际复杂受力环境，所以数值条件下计算结果与实际情况不一致，在实验分析方法通常直接测量出结构受力与变形信息，具有很高的可信度。结构变形影响结构的强度与稳定性，结构变形测量是结构实验测量的主要手段，对于传统的结构变形测量方法是接触式测量方法，其中精度很高、应用范围比较广泛，例如百分表、位移传感器等测量位移方法，精度在0.01mm，利用应变片测量应变，精度可以达到0.5μm，但是这种试验方法高温、辐射、腐蚀性等特种环境下不适用，对于应用非接触测量方法进行测量，例如全站仪、GPS等，虽然可以解决工程测量难题，但是还有很多的局限性。
二、数字图像相关方法及其在土木工程中的发展研究
在激光照射结构表面时，由于结构表面的不平整性，使得反射光线产生叠加、干涉等物理现象，使得成像时形成亮度不均的斑点，被称为激光散斑，开始的时候激光散斑被视为一种稳定且很难消除有害噪音，研究激光散斑特性和运动规律后，激光散斑具有稳定且能反应物体表面特征的特点，有发现数字图像中的灰度分布具有散斑同样的特性，叫做数字散斑。到了二十世纪八十年代提出数字图像相关方法。数字图像相关方法实现所需数值计算工作量很大，需要借助现代计算机来完成，所以学者们关注的重点是：相关匹配、算法研究、搜索方法及改进、降噪处理等。
1.模板匹配与相关算法
数字图像相关方法模板匹配可以在空域中和频域中进行，研究比较多的是空域法，利用坐标、数值等对模板进行匹配，模板匹配的相似度评判是依靠相关函数，现在提出的不同形式相关函数有：互相关函数、最小平方距离函数、参数最小平方距离函数。这三类相关函数具有模板相关性判断的等效性。
2.搜索方法
科研人员对模板匹配精度影响因素进行研究，并对逐点搜索进行改进提出粗细搜索法，但是只能计算出结构变形位移分量，相继又提出双参数法、相关搜索法、十字搜索法等，随着数学算法的发展，加速数字图像相关技术发展，新数学算法应用于数字图像相关法相关搜索中，相关的搜索方法逐渐发展到遗传算法、模拟退火算法、差分简化法、粒子群算法、蚁群算法、神经网络等智能算法、小波算法、分形理论算法、后验算法、基于有限元思想数字图像相关方法、基于B-样条插值函数方法等算法，这些算法都有精度高的特点，实现了程序化难度很大，还处于理论研究阶段。
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3.位移与应变场计算
在1983年Peters进行基于数字图像相关方法刚体位移研究，又有科研人员有对应变场测量进行研究，提出一种基于离散位移场应变测量方法，提高应变测量精度，又对裂纹尖端变形场进行测量，并由测得位移矢量计算应力强度因子。
4.降噪处理
1988年，sutton等对亚像素重建过程中噪音影响进行研究，指出亚像素重建应避免噪音影响，又有科研人员对小波除噪进行研究，得到很好的除噪效果，李茜对数字图像相关方法硬件部分引起的噪音进行研究，并提出硬件噪音矫正方法，后来潘兵等对模板匹配噪音进行研究，将滤波器应用于位移测量中，得到很好的降噪效果，并将基于移动的局部最小二乘拟合应用于应变场的测量，降低噪音对应变测量的影响。
三、数字图像相关方法测量系统
1.测量系统组成
数字图像相关方法测量系统由数据采集设备、计算机、加载系统组成，随着摄像机的发展，摄像机具备了连续图像采集功能，可用于数字图像采集，计算机在整个系统中起到控制监视作用，负责下达加载、采集命令和数字图像保存，还有就是数字图像相关方法测量系统还可以包括一套稳定照明设备，为图像采集设备提供稳定光照环境。数字图像相关方法测量是通过计算图像变形来测量实际变形，图像采集质量影响测量精度，采集图像应尽可能反映结构实际变形情况，以便于标定、适合计算。
2.数字图像相关方法基本原理
数字图像相关测量系统采集到的图像实际是以矩阵的形式存储在计算机中，为了方面，可以用 代表变形前的图像， 代表的是变形后的图像，先在变形前的图像中以待测量点 为中心选取一定大小的子区作为参考图像子区，然后再通过搜索方法在变形后的图像中找到参考图像子区的相关性最大的目标 图像子区，测量点的位移为： ， 计算出位移是图片上的位移，需要经过标定换算，可以得到待测点的实际位移。
数字图像相关方法中的相关函数是评价变形前后图像子区相似程度的函数，是带求变形参数的函数，数字图像相关方法以相关函数为判断依据，在变形后的图像中进行搜索，找到与变形前图像子区的相关函数为极值的子区，通常分为互相关函数和最小平方距离相关函数，但是相关函数具有等效性。
四、数字图像相关方法在土木工程中的应用
经过了不断的发展，数字图像相关技术理论上已经很成熟了，这种方法装置比较简单，操作也十分的方便，而且可以非接触、全场性、高精度、自动化测量的目的，在土木工程结构变形测量中得到很快的发展，对于数字图像相关方法在土木工程测量中应用比较成熟，应用数字图像相关方法对岩石-水泥桩基界面上的变形进行测量，得到界面处应力分布，对钢桥连接处变形进行测量，测得传统测量方法不能达到的全场应变测量。数字图像相关方法自提出以来不断发展与创新，在土木工程中得到成果应用显示出巨大工程实用价值，随着数字图像相关技术进一步的发展，使得其为土木工程结构变形测量技术发展起到重要的作用。
结语：
数字图像相关方法作为一种新型的、非接触式的光学测量方法，并且应用于多个科学领域，但是这种方法还有一些缺点，使得在土木工程中的应用很少见，为了可以使数字图像相关能够更方面的应用在土木工程中，本文提出一种基于数字图像相关方法的像素位移与实际位移的标定方法，提出相应的影响因素，使计算得到实际位移具有更高的精度，为以后数字图像相关方法动态位移测量研究奠定基础。
参考文献
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论文作者:刘磊
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/5
标签：测量论文; 数字图像论文; 方法论文; 位移论文; 子区论文; 算法论文; 函数论文; 《电力设备管理》2017年第7期论文;