光学应变测量方法对比与选择指南：局部DIC与全局DIC， 哪种方法最适合您的应用？
发布时间：
2026-03-12 10:16
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1、引言
数字图像相关（DIC）技术采用两种主要的算法方法：局部DIC（基于子集）和全局DIC（基于有限元）。两者均可生成位移场和应变场，但其内部机制截然不同。
关键要点：在90%的情况下，两种方法的结果是一致的，仅存在测量误差的差异。iDICs学会组织的DIC挑战赛也证明了"两种方法之间存在显著的相似性"。
2、局部DIC：子集原理
工作原理
局部DIC将图像划分为称为"子集"的小方形区域（通常宽度为15-50像素）。算法使用相关性准则在变形图像中搜索匹配位置，通常采用零归一化差的平方和（ZNSSD）。每个子集的位移独立计算，应变则通过位移场数值微分获得。
优势
鲁棒性
独立处理意味着一个区域的图像质量不佳不会影响相邻区域。
易用性
无需预先准备网格或数值模型即可使用。
通用性
适用于几乎所有可见的几何形状。
局限性
点云输出
结果以规则的图像网格点云形式表达，而非有限元分析（FEA）网格节点。
投影需求
DIC数据必须投影到FEA网格上，需要进行参考系变换、3D插值，并引入误差来源。
无连续性保证
独立处理可能在边缘处产生人为不连续性。
参数敏感性
子集大小和网格步长显著影响分辨率和噪声水平。
代表性软件
3、全局DIC：基于有限元的原理
工作原理
全局DIC使用有限元网格作为测量载体。它不依赖独立的子集，而是使用有限元形函数对位移场进行参数化——这些形函数与仿真求解器中使用的完全相同。相关性问题被作为全局优化问题求解，在整个表面上最小化相关残差，同时在网格节点处强制保证位移场的连续性。
优势
直接FEA网格输出
测量的位移直接表达在仿真网格节点上，实现即时的试验-仿真对比。
保证连续性
位移场在构造上即保证连续，不存在人为不连续性。
边缘测量
形函数的规则性通常可将测量能力扩展至试样边缘附近。
理想的验证工具
数据与FEA模型存在于同一空间，是仿真验证的理想选择。
局限性
需要FEA网格
无法在没有数值模型的情况下运行（但EikoTwin DIC可以为简单情况生成网格）。
对不连续性不够鲁棒
强制连续性可能在裂纹前端附近产生测量偏差（但可以提供裂纹位置信息）。
较高的计算成本
全局问题求解可能比N个独立问题更耗费计算资源（但现代实现已经非常快速）。
代表性软件
4、对比总结
| 对比项 | 局部DIC（子集） | 全局DIC（基于有限元） |
|---|---|---|
| 原理 | 通过独立窗口进行相关性分析 | 在全局有限元网格上进行相关性分析 |
| 数据格式 | 点云（图像网格） | FEA网格节点 |
| 连续性 | 不保证 | 通过形函数保证 |
| FEA连接 | 事后投影（误差来源） | 直接连接，无需插值 |
| 是否需要网格 | 否 | 是（可在EikoTwin DIC中生成） |
| 不连续性 | 鲁棒性好 | 不太适合强不连续性 |
| 易用性 | 高 | 高（使用EikoTwin） |
| 计算时间 | 快速 | 在现代硬件上相当 |
| 主要用途 | 材料研发 | FEA仿真验证与模型更新 |
5、如何为您的应用选择方法？
直接应变测量
当没有网格且不需要与仿真直接对比时，两种方法均适用。
有限元模型验证
将局部DIC数据投影到FEA网格上会引入系统误差，并需要大量手工操作。全局DIC整合了这一步骤，直接提供可与仿真对比的数据。
含不连续性的试验（裂纹、滑移）
或使用自适应网格的全局DIC，或采用增强技术（X-FEM或单元删除）。如果不加以处理，全局DIC的强制连续性可能在裂纹前端附近产生测量偏差。
参数识别的模型更新
参数识别循环要求实验数据与FEA模型处于同一空间——这正是全局DIC原生提供的。
6、用于FEA验证的最佳DIC软件
应用最广泛的局部DIC软件
GOM Correlate / ATOS
局部DIC
业内使用广泛的软件，具有出色的人机工效性和对Zeiss生态系统的紧密集成。主要面向计量和质量控制而非闭环FEA验证。导出到FEA求解器需要手动投影。
VIC-3D
局部DIC
立体局部DIC的学术和工业参考标准，在研究实验室中广泛使用。与GOM相同的局限——数据以点云形式表达，而非直接在FEA网格上。
MatchID
局部DIC
正在发展壮大的欧洲解决方案，以灵活性和开放API著称。具有良好的科研工作流集成。正在开发用于克服FEA对比约束的软件功能。
Istra4D
局部DIC
通常与Dantec相机系统捆绑销售，采用经典的局部方法。
唯一的工业级基于有限元的全局DIC软件
EikoTwin DIC
全局有限元DIC
唯一实现面向工业应用的基于有限元的全局DIC的商业软件。测量数据直接表达在仿真网格节点上（Abaqus、Ansys、HyperWorks、Nastran），无需投影，可实现即时的、无插值偏差的试验-仿真对比。
软件对比总结
| 软件 | 方法 | FEA连接 | 主要用途 |
|---|---|---|---|
| GOM Correlate (Zeiss) | 局部 | 后处理 | 计量、质量控制 |
| VIC-3D (Correlated Solutions) | 局部 | 后处理 | 科研、材料表征 |
| MatchID | 局部 | 后处理 | 工业科研、学术测试 |
| Istra4D (Dantec) | 局部 | ✗ | 工业计量 |
全局有限元 | ✓ 原生支持 | FEA仿真验证与模型更新 |
7、结论
选择哪种方法的关键不在于算法性能，而在于数据的预期用途。对于需要将测量结果输入仿真模型的测试实验室而言，基于有限元的全局DIC是最佳解决方案。它生成可即时使用的数据，无需后处理、无插值偏差、无空间转换。
参考文献
- International Digital Image Correlation Society, Jones, E.M.C. and Iadicola, M.A. (Eds.) (2025). A Good Practices Guide for Digital Image Correlation, Edition 2. https://doi.org/10.32720/idics/gpg.ed2
- Hild, F. & Roux, S. (2012). Comparison of local and global approaches to digital image correlation. Experimental Mechanics, 52(9), 1503-1519.
- Leclerc, H., Périé, J.-N., Roux, S. & Hild, F. (2009). Integrated digital image correlation for the identification of mechanical properties. MICCAI.
- Pan, B. et al. (2009). Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: a review. Measurement Science and Technology, 20(6).
- Lava, P., Jones, E., Wittevrongel, L., Pierron, F. (2020). Validation of finite-element models using full-field experimental data: Levelling finite-element analysis data through a digital image correlation engine. Strain, 56(4).
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