《Optics & Laser Technology》：High resolution spatiotemporal DIC based on coupling of high-speed and low-speed cameras
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冯瑞瑞|毛凌涛|李青湘|曹怡蓉|王若梅|常旭阳|朱洋|弗朗索瓦·希尔德
中国矿业大学力学与土木工程学院，北京 100083，中国
摘要
为了在岩石断裂过程中实现高时空分辨率的变形场测量，提出了一种全局多视图时空数字图像相关（G-M?ST?DIC）框架，该框架整合了混合实验光学
冯瑞瑞|毛凌涛|李青湘|曹怡蓉|王若梅|常旭阳|朱洋|弗朗索瓦·希尔德
中国矿业大学力学与土木工程学院，北京 100083，中国
摘要
为了在岩石断裂过程中实现高时空分辨率的变形场测量，提出了一种全局多视图时空数字图像相关（G-M?ST?DIC）框架，该框架整合了混合实验光学系统的数据。G-M?ST?DIC结合了高速相机提供的高时间分辨率和低速相机的高空间分辨率，从而显著提高了运动测量的时间和空间分辨率。此外，去噪以及亮度和对比度变化的校正分别将位移不确定性降低了41%和32%。该方法通过花岗岩半圆形弯曲（SCB）实验进行了验证。结果表明，在非传播阶段，位移增量随时间线性增加；而在裂纹传播阶段，位移增量随时间非线性增加。
引言
在岩石断裂和破坏过程中精确测量变形场对于揭示损伤机制及其相关生长定律至关重要[1]、[2]。此类测量不仅可以捕捉裂纹尖端附近奇异场的动态过程和能量释放，从而为断裂力学理论提供验证[3]、[4]，还可以用于校准关键参数，如断裂韧性[5]。这一观察直接支持了工程岩体稳定性的评估以及地质灾害的预防和控制。彭等人[6]通过在不同角度放置应变计，获得了裂纹起始瞬间的应变数据。然而，应变计的布置受到限制，无法覆盖整个感兴趣的区域。徐等人[7]利用光弹性技术可视化裂纹尖端的应力场分布。但是，涉及远场边界数据的计算由于条纹稀疏性而面临挑战。尽管插值可以增加数据点数量，但通常会引入误差，且半阶和整阶条纹中心线的位置也容易出主观误差。
作为一种非接触式全场测量技术，数字图像相关（DIC）因其高精度、灵活性和强适应性而被广泛用于测量岩石变形场[8]。为了捕捉岩石破坏过程中裂纹尖端的变形场，许多研究人员采用了高速相机与DIC相结合的方法。颜等人[9]、[10]使用高速相机结合DIC测量了冲击加载下多裂纹岩石的位移和应变场。该相机的工作帧率为180,000 fps，图像分辨率为256×256像素。谢等人[11]基于DIC研究了加载率对I型断裂特性的影响。高速相机的采样率为79,161 fps，持续时间仅为3秒，图像分辨率为256×256像素。由于高速相机的硬件限制，帧率与空间分辨率成反比。为了以高帧率捕捉断裂过程，空间分辨率不可避免地会降低，从而降低运动测量的分辨率。龚等人[12]使用低速相机记录了整个实验加载过程，帧率为2 fps，空间分辨率为4000×3000像素。同时，另一台高速相机以3000 fps的帧率捕获了试样的断裂细节，空间分辨率为768×1536像素。尽管实验中同时使用了高速和低速相机，但两者独立运行，没有利用高速相机的高时间分辨率与低速相机的高空间分辨率之间的互补性。
为了解决高速相机空间分辨率有限导致的斑点图像质量低和测量精度差的问题，戴等人[13]提出了一种高阶时域DIC算法，该算法采用平滑技术来减少噪声干扰并提高数据精度。然而，这种方法会导致图像细节信息的丢失。为了从低分辨率斑点图像重建高分辨率图像，王和雷[14]引入了一种基于深度学习的单图像超分辨率方法。然而，单图像超分辨率本质上是一个“不适定问题”，即一张低分辨率图像可能对应多个不同的高分辨率图像。尽管通过深度学习优化了特征提取，但这种不确定性无法完全消除。汉森等人[15]从多个重叠的低空间分辨率图像中重建了高空间分辨率图像。然而，一些算法的兼容性和稳定性有限。此外，当斑点尺寸过大时，算法中的内在平滑效应会模糊细节。
基于上述研究，单台高速相机同时实现高时间和空间分辨率是具有挑战性的。相比之下，多尺度时空测量结合了低速相机的高空间分辨率和高速相机的高时间分辨率，为实现高时空分辨率观测提供了一种有效策略。此外，通过多尺度时空耦合获取高时空分辨率位移场的方法为DIC分析开辟了新的途径。
本研究提出了一种全局多视图时空DIC（G-M?ST?DIC）方法，以实现多尺度时空耦合并测量高时空分辨率位移场。以花岗岩半圆形弯曲（SCB）实验为例，证明了该方法提高高速位移场测量分辨率的可行性。本文的结构如下：第2节介绍了所提出方法的理论背景；第3节详细描述了花岗岩SCB实验及混合高速和低速相机实验光学路径系统；第4节应用G-M?ST?DIC框架，通过结合高速和低速相机来分析实验。
章节摘录
G-M?ST?DIC框架
全局多视图时空DIC方法的实施步骤如下。首先，使用反向追踪将高速和低速图像的坐标与试样数值模型的物理框架统一起来，建立图像网格坐标与物理坐标之间的一一对应关系。接下来，应用全局瞬时DIC使用高速和低速图像计算位移场，从而实现时间上的
实验设置
为了验证G-M?ST?DIC框架，在花岗岩上进行了SCB实验。试样直径为100毫米，厚度为40毫米，预先制作了一个宽度为1毫米、深度为20毫米的中心凹口，如图3(a)所示。试样表面先用酒精清洗，然后风干。接下来，在试样表面涂上一层均匀的白色哑光漆，待白色层完全干燥后，再涂上黑色哑光漆以产生随机黑色斑点
结果与讨论
使用G-M?ST?DIC框架分析了SCB实验期间获取的高速和低速图像序列。讨论了选择机械正则化长度和图像处理方法对位移不确定性的影响。
结论
本研究开发了一种结合高速和低速相机的混合光学系统。提出了一种G-M?ST?DIC框架，该框架整合了不同相机的空间和时间分辨率，以提高断裂过程中变形场的整体时空分辨率。该方法应用于花岗岩SCB实验，得出以下结论：
在G-M?ST?DIC框架中，高速和低速图像序列通过时间形状进行耦合
CRediT作者贡献声明
冯瑞瑞：概念构思、正式分析、研究、方法论、撰写——原始草稿、数据整理。毛凌涛：概念构思、方法论、资源协调、监督、资金获取、撰写——审阅与编辑。李青湘：正式分析、研究。曹怡蓉：正式分析、研究。王若梅：正式分析、研究。常旭阳：研究、验证。朱洋：资金获取、资源协调、监督。弗朗索瓦·希尔德：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国“深部地球探测与矿产资源勘探-国家重点科学技术项目”（2024ZD1003904）、“煤炭重大专项”（2025ZD1700901）以及“国家重点研发计划”（2025YFE0109800）的财政支持。
