数字图像相关方法(DIC)是一种用于测量物体变形及粒子移动的计算机辅助测量方法，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的动态测量，具有便携，速度快，精度高，易操作等特点，在各领域的科研和工程实践应用广泛。
DIC三维全场应变测量虽然有非接触、精度高、全场测量等优势，但一些因素也会对其测量精度产生较大影响，本文将通过分析这些常见的造成误差的因素，有效提升测试精度和可靠性。
另外，如何对DIC测量精度进行有效验证也是用户关注的焦点，本文通过几个典型的实验场景，把DIC测量的数据与应变片、传感器等测量数据对比，验证了在实验条件下其位移和应变精度与应变片、传感器等测量数据高度吻合，有助于进一步推动其在实验力学测试领域的应用。
系统误差分析
1、系统误差分析
在传统的数字图像相关方法中,假设子区中的变形为常应变，会带来一定的截断误差。子区位移模式中如取太高次的泰勒多项式，又会使相关迭代的速度减慢。
通过子区位移模式中采用子区中心点位移的2次泰勒多项式来表示，这种用非常应变子区位移模式代替常应变子区位移模式的方法，既提高了测量精度，又提升了测试效率。
2、亚像素重建引起误差
数字图像相关技术依靠散斑图像采集的恢复才能完成,覆盖整个谱平面的空间散斑场 ,经过光学系统和光探测器件窗的两级带限 ,决定了不可能完全恢复该空间散斑场。
亚像素重建通过采用双线性插值，多项式插值和样条插值等方法来近似地恢复散斑图像。这一定会引起相关计算中的系统误差,从而给最后的测量结果带来误差。
3、离面位移引起误差
实际三维变形与假设二维变形条件的推导会给测试结果带来误差。
用数字图像相关测量方法测量的是物体表面的面内位移和应变，而实际存在的离面 位移会影响面内应变的测量,从而引起系统误差。
4、CCD相机采集
CCD记录不具有足够的线性和系统的相差造成图像失真，也会给测试结果带来误差。
随机误差分析
1、光源的光强不稳定，随时间变化。
2、CCD记录的噪声所带来的误差。一部分为环境噪声，如地面振动、电磁干扰、热对流、光强波动；CCD系统内部噪声。
3、CCD记录的离散特性在空间采集和信号量化方面，都会对测试结果带来误差。
数字图像相关方法应用优化
为了减少数字图像相关方法的测量误差，提高测试的可靠性,对于数字图像相关方法的应用优化是非常关键的。
1、保证试件平面运动
因为相关计算中只考虑了面内变形,所以限制离面位移是很有必要的,通常采取如下措施减少离面位移的影响,以达到尽量保证试件平面运动的目的。
（1）用预加载的办法阻止试件产生离面位移；
（2）在光学成像方面采取措施。用大比率的物距与像距比的光学成像系统,这样能减小像的离面位移且限制了离面位移引起的附加面内应变；
（3）测出离面位移，用补偿的方法排除离面位移的影响。
（4）采用测试试件的离面位移并通过校准加以补偿。
2、抑制环境干扰
1）利用隔震台、充气台隔离地面振动；
2）采用算法对热气流扰动的位移场x,y,z方向的参数矩阵进行修正，有效减小热气流对系统成像及测量精度的影响。
3）选用照明稳定的光源，提高DIC系统采集图像的稳定性；
4）通过DIC设备的预热，提升系统的稳定性。
3、可靠的初值预测
利用图像采集过程实时相减功能，通过三维精密调节架调节摄像机系统的办法，把刚体位移控制在一个小量级范围内，实现初始位移和位移导数赋常数零，即为初始估计值。
4、选择适当的散斑图
小尺寸、高对比度的散斑，可增强形变前后的两个子区的图像相关性 ,可加速迭代过程的收敛性。
通过调节成像镜头的光圈，合理地布置光源来改变照度，使之适应CCD器件的响应范围，达到精确测量的目的。
在DIC图像采集上，通过图像灰度的直方图，确定照度是否合理，保证图像采集的质量。
5、选择合理的子区尺寸
DIC设备的CCD采集选择合适测试结果的子区像素，减少相关函数计算中的随机误差，保证重复测试结果的一致性。
6、DIC软件统计数据处理
DIC算法对采集的图像进行“处理后平均"，分别算出各个分量（如位移和位移梯度）的平均值和标准偏差,提升测试的精度和可靠性。
新拓三维DIC系统精度验证
数字图像相关法的精度验证，可采用所测得两个对应点之间的最小位移量（以像素为单位）和最小应变值。
采用DIC试验现场验证的方法，对新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统的测试精度进行验证，分析在试验应用场景下的精度情况和测试数据可靠性。
压缩加载DIC变形测试
采用压缩加载实验进行精度验证；
• 在零部件表面粘贴应变片，精度1微应变；
• 测量轴向、径向应变，绘制时间-应变曲线，将DIC数据与应变片数据进行对比；
• DIC数据与应变片值吻合很好，两者应变差别在20με以内。
DIC测量数据与应变片数采对比
测试过程，首先输出DIC测量应变场，绘制出关键点应变；然后，用DIC测量数据与实际应变片数据进行对比，可以看到XTDIC三维全场应变测量系统输出的数据与应变片值吻合很好，两者应变差别在20με以内。
DIC测量数据-应变场解算
DIC测量数据-应变场解算
在三个不同加压状态下，DIC测量出来的应变数据分别为： 0.285微应变、93.1微应变、205.896微应变。
应变片测出来的数据为：0.206微应变，73.552微应变，217.215微应变。应变精度相差均在20微应变之内。
振动实验位移DIC精度验证
• 通过天线反射器振动实验进行位移偏差对比；
• 通过激光位移传感器获取位移数据，精度1微米；
• 施加不同力载荷，每组采集20个数据，DIC与传感器进行精度对比；
• 位移精度0.01mm；
振动观测位移DIC精度验证
•通过振动实验进行位移偏差定性评估；
• 通过激振器施加微小载荷，飞机模型进行振动；
• 绘制时间-位移曲线，观测振动效果；
• 振幅0.1mm以内有明显的振动趋势。
通过对数字图像相关DIC测量误差进行了分析，并分析了各项DIC测量误差的产生原因，以及相应的DIC测量误差消除和抑制误差的软硬件算法和优化方案。
采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过实验方式进行DIC测试精度验证，位移与应变测试精度与应变片、传感器等测试数据高度吻合，DIC系统的灵敏度、精确度和数据可靠性都得到了实际试验应用的验证。