DIC应变测量技术的挑战与解决方案：如何应对散斑制备与图像质量保证方面的痛点？

数字图像相关（DIC）技术已成为实验力学领域不可或缺的测量方法，能够在高温、水下、高速和极低温等极端条件下获取全场的位移和应变数据。

然而，散斑制备和图像质量问题一直是制约DIC测量精度的关键技术瓶颈。随着新技术的发展，这些长期存在的痛点正在逐步得到解决。

01 极端环境下的散斑困境

在高温实验中，样品通常被放置在加热设备中，相机通过观察窗口捕捉图像。试样发出的热辐射可导致图像过曝光，散斑图案可靠性降低；高温也有可能导致散斑受热膨胀过程中脱落，或因高温而烧蚀；试样与相机之间的热雾使光路发生偏转，从而导致图像失真。

在极低温环境（接近液氦温度）下，散斑图案会变得更脆更硬，在大变形过程中容易出现开裂和脱落现象。

02 水下与高速环境的独特挑战

水下环境DIC测量面临光的多次折射带来的复杂畸变问题。图像失真被分解为两个组成部分——折射失真和透镜失真。

高速摄影技术用于研究弹道学、爆炸、霍普金森压杆和高速碰撞等现象时，两台高速相机同步以及光照不稳定是主要挑战。

宏观大尺寸和微小尺度测量也各有难点。微小尺度测量中，显微镜拍摄的图像比用传统相机更为复杂扭曲；而大尺寸测量必须校准多个摄像头，利用算法拼接合并。

03 散斑制备技术的创新突破

针对高温环境下的散斑问题，新拓三维XTDIC系统采用蓝/紫外光、光学滤波和气刀技术，以滤除蓝/紫光以外波段，降低热辐射造成的影响。

对于热流扰动，在加热装置与镜头之间使用气刀或风扇等加速空气流通，以减轻热雾效应。为了提高散斑质量的稳定性，结合耐高温材料，使用参数化散斑制备技术。

北航李宜彬教授团队研发了紫外-数字图像（UV-DIC）系统，仅用单个紫外滤光片就有效抑制了3000℃热辐射，同时开发出以碳化铪粉末为散斑材料的超高温散斑制备工艺。

兰州大学团队开发了一种基于PDMS硅胶和TiO2球形颗粒的新型旋转涂层散斑制备方法，专门针对极低温度和大变形条件而设计。

面对试验测量过程中的挑战与能量，业界的专家学者正在努力寻找解决方案。

04 图像质量提升与算法创新

针对水下环境的折射问题，XTDIC系统通过建立不同的折射校正模型，精确地确定相机的固有矩阵、外部矩阵和变形参数，对透镜的畸变进行修正。

基于深度学习的方法正在革命性地改进DIC数据处理流程。Deep DIC方法中，两个卷积神经网络DisplacementNet和StrainNet被设计用于端到端预测位移和应变。

EikoTwin DIC则采用了一种创新思路：直接在仿真模型上进行DIC的分析与计算。该技术基于数字图像相关原理，导入CAE仿真模型，成为仿真与实测的桥梁，让仿真与实测可以无缝连接，有效促进了CAE仿真模型的优化。传统DIC测量方式会消耗至少一个小时的校正时间，而EikoTwin DIC技术的相机标定是基于实物的有限元模型，无需校正板的自校准。

EikoTwin DIC支持多视图位移和应变测量，可以对使用多维数字图像相关设备（至少有2个摄像头的DIC）拍摄的图像进行后处理，一些项目已经支持了多达8个摄像头。EikoTwin DIC技术已经获得ANSYS、ALTAIR、DASSAULT SYSTEMES等业内知名企业的应用。从汽车与铁路行业到航空航天和国防领域，这项技术正在重新定义实验测试与仿真模拟之间的关系。