DIC系統(tǒng)雙目高精度標(biāo)定與算法優(yōu)化，是通過觀察窗拍攝實(shí)現(xiàn)高溫DIC測量的關(guān)鍵。高溫觀察窗有良好的保溫隔熱效果，保證相機(jī)采集到清晰的圖像，觀察窗材質(zhì)是影響高溫DIC測量準(zhǔn)確性的重要因素。
為了消除玻璃介質(zhì)引起的高溫DIC變形測量誤差，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院王立忠團(tuán)隊(duì)，采用新拓三維XTDIC系統(tǒng)通過雙目DIC相機(jī)的高精度標(biāo)定和優(yōu)化算法，能夠有效減少玻璃介質(zhì)引起的變形測量誤差，實(shí)現(xiàn)高溫變形場的精確測量。
一、項(xiàng)目試驗(yàn)背景
高溫環(huán)境下的變形測量，對分析材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)評價(jià)具有重要意義，在航空航天、汽車制造和石油化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。DIC 具有非接觸、光學(xué)設(shè)備簡單和全場測量等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的高溫變形場測量方法。
然而，在高溫變形測量過程中，玻璃介質(zhì)引起的光折射和反射等對相機(jī)成像模型的影響，會(huì)導(dǎo)致測量誤差。需通過相機(jī)標(biāo)定和誤差校正，提升透過玻璃介質(zhì)進(jìn)行高溫DIC變形測量的精度。

實(shí)際相機(jī)成像模型&相機(jī)標(biāo)定的光路圖

觀察窗是非接觸式變形測量實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，但觀察窗玻璃折射，仍然是影響高溫DIC測量準(zhǔn)確性的重要因素。
傳統(tǒng)DIC系統(tǒng)因觀察窗玻璃折射導(dǎo)致：
1、位移測量誤差＞30%，影響材料蠕變規(guī)律分析
2、微裂紋識別靈敏度下降40%，難以實(shí)現(xiàn)損傷預(yù)警
二、高溫DIC測試難點(diǎn)與誤差校正
三維 DIC和二維 DIC 相比測量精度更高，但是在復(fù)雜環(huán)境下的標(biāo)定十分困難，這也說明高溫三維DIC測量更大的應(yīng)用價(jià)值。
難點(diǎn)1：高溫玻璃介質(zhì)導(dǎo)致光路折射誤差
問題表現(xiàn)：
1、雙層石英玻璃（3mm厚度）引發(fā)顯著折射，X/Y軸像素偏移；
2、Z軸誤差因視場角變化難以修正，傳統(tǒng)DIC未修正模型方法誤差大。
解決方案：
折射補(bǔ)償模型：引入Schott Borofloat ? 33玻璃折射率參數(shù)，建立光程修正公式，修正視場角誤差。
雙向捆綁調(diào)整法：聯(lián)合優(yōu)化畸變參數(shù)與折射路徑，使重投影誤差大幅降低，有效提高測量精度。
難點(diǎn)2：復(fù)雜環(huán)境下圖像質(zhì)量差引起的標(biāo)定困難
問題表現(xiàn)：
相機(jī)焦距、玻璃與相機(jī)距離對標(biāo)定精度的影響
環(huán)境光（紅橙光譜）干擾，對相機(jī)標(biāo)定精度的影響
解決方案：
選擇最佳標(biāo)定參數(shù)，大幅降低標(biāo)定重投影誤差
通過捆綁調(diào)整的相機(jī)標(biāo)定方法，提高標(biāo)定成功率和穩(wěn)定性。
難點(diǎn)3：實(shí)際測量精度驗(yàn)證
問題表現(xiàn)：
標(biāo)定與參數(shù)設(shè)置后，測量精度無法量化
玻璃介質(zhì)的測量環(huán)境，帶來的測量誤差情況
解決方案：
采用有玻璃介質(zhì)的測量環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)測試
比較標(biāo)定時(shí)有無玻璃兩種情況下的測量誤差
三、高溫觀察窗DIC標(biāo)定試驗(yàn)
通過將玻璃介質(zhì)引入相機(jī)成像模型，分析復(fù)雜環(huán)境下影響雙目相機(jī)標(biāo)定精度的主要因素，實(shí)現(xiàn)雙目DIC相機(jī)的高精度標(biāo)定。

高溫 DIC 測量試驗(yàn)系統(tǒng)

高溫DIC變形測量關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化組合：

參數(shù)類別	最佳設(shè)定值	優(yōu)化依據(jù)
鏡頭焦距	8mm（Schneider Kreuznach）	滿足520mm視場覆蓋需求
光距調(diào)節(jié)	520±5mm	最小化折射路徑偏差
光圈值	f/8	平衡景深與進(jìn)光量
環(huán)境光抑制	450nm藍(lán)光LED陣列	穿透高溫紅橙光背景

四、模型修正后系統(tǒng)精度驗(yàn)證
為了證明標(biāo)定有玻璃能夠有效減少玻璃介質(zhì)引起的折射誤差，通過常溫平面測量試驗(yàn)進(jìn)行精度驗(yàn)證。
1、玻璃對位移場測量精度的影響

總位移均值

如上圖所示，采用標(biāo)定修正后的相機(jī)成像模型，總的位移均值僅為 1.604個(gè)像素，與方案二相比誤差減少了 49.99%，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.268個(gè)像素，數(shù)據(jù)依然有很好的穩(wěn)定性。
由上圖可知，玻璃介質(zhì)引起的測量誤差主要集中在 X 軸，而且相機(jī)成像模型中 X 軸方 向 主點(diǎn)偏差明顯高于 Y 軸。
2、 玻璃對應(yīng)變場測量精度的影響
由下圖可知，玻璃介質(zhì)對應(yīng)變場計(jì)算影響很小，與DIC測量已有研究成果借鑒中應(yīng)變計(jì)算不受光學(xué)玻璃影響的計(jì)算結(jié)論一致。
最大主應(yīng)變均值
上述試驗(yàn)表明，標(biāo)定有玻璃能夠有效減少位移場的測量誤差，而對應(yīng)變場的測量誤差影響很 小，并且在X，Y和Z軸上的測量誤差減少的幅值并不相同。
五、玻纖材料DIC高溫變形測量試驗(yàn)
基于高溫試驗(yàn)箱的工作條件，盡可能減少高溫?zé)彷椛浜透邷責(zé)釟饬鞯葘y量精度的影響，選擇熱變形明顯的非金屬試件以增強(qiáng)試驗(yàn)效果。
試件為PPS（東麗玻纖增強(qiáng)）材料，耐溫度為 260°C，采用標(biāo)定時(shí)無玻璃、測量時(shí)有玻璃和標(biāo)定時(shí)有玻璃、測量時(shí)有玻璃兩種方式，初始試驗(yàn)溫度為 50°C，采集散斑圖像，測量溫度升高到 120°C 時(shí)試件的位移場。
1、位移場分析
試件 50°到 120°X，Y，Z 軸方向位移場變化圖像
測試結(jié)果表明，玻璃引起的折射誤差在圖像邊緣處產(chǎn)生了明顯的影響，通過高精度相機(jī)標(biāo)定，能夠減少各個(gè)方向的折射誤差。

測量坐標(biāo)系及關(guān)鍵點(diǎn)

不同平行線上的高溫位移場均值和測量誤差如下圖：
上述結(jié)果表明，相機(jī)標(biāo)定后X，Y和Z軸方向由于折射引起的測量誤差都明顯減少。因此能夠有效證明在高溫3D-DIC測量過程中，標(biāo)定時(shí)有玻璃能夠減少由于玻璃折射引起的測量誤差。另外，本方法同樣可以應(yīng)用在飛機(jī)高速變形測量中，外 加有機(jī)玻璃保護(hù)罩和水下三維變形測量。
六、測試總結(jié)分析
研究高溫變形測量中，玻璃介質(zhì)對3D-DIC測量精度的影響，通過完成帶玻璃介質(zhì)的高精度相機(jī)標(biāo)定，減少了玻璃介質(zhì)引起的高溫 DIC 測量誤差。
(1) 基于捆綁調(diào)整的雙目相機(jī)標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下的雙目相機(jī)標(biāo)定。具有高的成功率和穩(wěn)定性。?
(2) 針對玻璃介質(zhì)環(huán)境下雙目相機(jī)標(biāo)定精度低的問題，通過分析相機(jī)焦距、相機(jī)與玻璃的距 離和環(huán)境光干擾，給出了最佳的標(biāo)定參數(shù)，標(biāo)定重投影誤差僅為 0.132 個(gè)像素。
(3) 玻璃介質(zhì)對位移場測量精度的影響很大， 但對應(yīng)變場測量誤差影響很小。標(biāo)定時(shí)考慮玻璃介質(zhì)能夠減少49.99% 的位移測量誤差。?
從高溫DIC測量結(jié)果可知，標(biāo)定修正相機(jī)成像模型能減少各方向位移場平均誤差， X 軸方向位移場減少70.16%，Y 軸方向位移場減少76.51%，Z軸方向位移場減少40.05%，本方法能夠有效減少高溫下玻璃介質(zhì)引起的測量誤差。
案例摘自：【王立忠，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)法變形測量中玻璃介質(zhì)誤差校正】