为实现工业生产中光纤传像材料的微纳米尺度形变监测,基于数字散斑相关理论提出了一种测量离面位移的新方法。运用数字散斑相关算法测得材料变形前后两幅图像之间的面内位移,然后根据楔面化模型即可得到光纤传像材料在显微镜下的离面位移场。介绍了离面位移提取算法的原理,并基于球面化理论对光纤传像材料离面位移测量进行了计算机模拟和实验测试,模拟结果与实验结果均表明该方法可以由二维图像中直观的面内位移直接提取离面位移,可以完成光纤传像材料的实时形变测量。该方法的优点为实验装置十分简单,只需要一部工业相机拍摄显微镜下两幅图像即可完成测量,提取离面位移时无需转换到频域和相位解包操作,适合于动态测量。

散射介质成像是生物医学成像领域的一个重要研究方向，对生物医学临床的诊断有着重大的意义。结合散斑相关法和压缩感知技术，提出了一种散射介质成像方法。该方法与传统散射介质成像方法相比，将减少图像采集、图像重建所记录的数据量，提高图像处理的效率，并且降低了系统的搭建成本。试验结果表明，结合TVAL3信号重构算法和双谱分析法的散射图像重建算法，随着采样率的增大，峰值信噪比平稳上升，为散射介质成像方法在生物医学成像领域的运用提供了一种有效方案。

双金属复层板具有优良的综合性能, 广泛应用于航空、航天、汽车等领域。在制造过程中其成形性能发生了较大变化, 传统单一金属的研究方法大多不能适应新材料发展的需要, 严重阻碍了双金属复层材料产业化的进程。提出采用数字散斑相关方法应用于双金属复层材料结构及现场工程变形测量; 分析了国内外研究现状及存在的科学问题, 揭示了严格数字散斑相关方法理论应用在复层材料的应变光学检测和成形性能的机理和研究内容, 该方案预计获得的4个应变数值相互对比验证, 能互相提高应变精度达5%, 并达到再现材料应变历史及动态跟踪、提高全场应变精度检测、优化材料配置比例及完善成形性能的目的。

采用二元二次多项式曲面拟合方法进行精确亚像素定位,这种数字散斑相关方法具有计算简单、求解效率高等优点。然而传统方法通常选取整像素周围的9个像素点进行曲面拟合,为此提出了曲面拟合的改进方案,采用整像素周围最近的6个像素点和相关系数,直接求解二元二次多项式。采用计算机模拟产生散斑图样,分别模拟了刚体平移和单向拉伸实验。实验结果证明,改进方案具有计算效率高、计算误差小的优点。

将传统散斑相关法应用于结构试件变形测量中存在一定的角位移范围限制,针对这一问题,提出了一种采用对数极坐标变换的散斑相关角位移测量法。首先,该方法采用对数极坐标变换,将结构试件散斑图像在直角坐标系下的角位移转换为对数极坐标下的平移;然后,利用散斑相关法结合九点二次曲面拟合法实现散斑图像的角位移测量;最后,通过模拟实验与实物实验验证了方法的有效性。实验结果表明,在[0°,90°]的角位移变化范围内,本方法角位移测量的均值误差控制在0.06°内,标准差控制在0.02°内,有效提高了现有散斑相关法的角位移测量范围与测量精度。

针对传统频域数字散斑相关法在测量物体面内位移测量精度较低的问题, 提出一种基于分形插值的频域数字散斑相关法。该方法在频域数字散斑相关法的基础上, 引入Hanning窗函数对图像进行滤波处理, 克服了图像边缘效应对最终位移值的影响; 同时利用散斑图像的子区域与整幅图像在结构形态和灰度特征的自相似性, 采用分形插值的方法进行亚像素插值, 进而能精确定位相关点, 得到更精确的亚像素位移值。实验结果表明: 该方法保持了频域散斑相关法的测量速度, 且将测量的绝对误差降低在0.01~0.03 pixel以内, 并进一步通过刚体平移实验测试了算法的可靠性。

提出了一种提取两幅条纹图像间离面变形相位的新方法。由数字散斑相关方法(DSCM)测得两帧连续图像间的运动场，根据光流基本等式，运用初始图像的条纹频率与该运动场计算全场变形相位分布。介绍了基于DSCM变形相位方法的原理，对周边固定、中心加载圆盘的变形相位测量进行了实验和计算机模拟，验证了该方法的有效性。模拟结果和实验结果表明，该算法能够将直观的面内运动场和离面变形相位的提取联系起来，能够解调出物体全场离面变形相位信息。该方法优点是操作过程简单方便，既不需要将条纹图像转换到频域，也不需要相位解包络运算，且在条纹越密集处提取的变形相位信息更准确。该方法为计算物体全场变形相位分布和动态测量物体形变提供了新的途径。

数字散斑相关方法有着测量环境简单、全场非接触等优点, 但算法效率一直是限制其发展的瓶颈之一。GPU有着天然的并行性, GPU高性能运算可以为计算机图形处理带来极大的效率提升。利用CUDA平台编程对传统的数字散斑逐点搜索算法、十字搜索算法及遗传算法进行GPU高性能并行处理, 并与传统方法比较分析。实验结果表明, 对于尺寸为150×150像素的散斑图像, 3种方法效率分别提升了20倍、8倍、31倍; 对于尺寸为500×500像素的散斑图像, 3种方法效率分别提升了183倍、33倍、44倍; 对于尺寸为1 000×1 000像素的散斑图像,3种方法效率分别提升了424倍、116倍、44倍。

针对采用传统频域数字散斑相关法测量面内微位移受到噪声的影响严重、测量精度低等问题，提出了一种新的频域数字高阶涡旋散斑相关法。首先，通过高阶涡旋散斑图生成实验，发现了高阶涡旋散斑图具有抗噪声干扰能力强、在相关器输出面上能得到面积小且亮度高的相关点，于是将待测物体的高阶涡旋散斑图作为测量对象；然后通过理论计算推导，应用减运算合成位移前后的高阶涡旋图，可以在相关器输出面上同时显示位移前后的两个相关点，突破了传统方法只能显示位移后一个相关点的现状，并且有效抵消了背景噪声；最后设计了一种新型的滤波器对合成图进行匹配滤波，可以生成峰值锐利的相关光斑图。实验结果验证了，该方法使得测量精度和抗噪声干扰能力得到极大提高，在不同噪声干扰下相对误差仍能保持小于2%。