Page 57 - 无损检测2025年第二期
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纪旻祎，等：
基于数字图像相关跟踪技术的风机叶片运行状态检测
来检测其变形状态，可以高精度地跟踪叶片的实时 参考子区和目标子区内部的灰度信息来进行数学运
[5]
位移和形变。周婞 使用3D-DIC技术对风机叶片 算，最后获得一个量化的标量值，称为相关系数。相
片段进行模拟试验，得出该测量方法有测量精度高、 关函数可以定义为
[6]
测量速度快的优点；WU等 使用3D-DIC技术，对 （1）
完整风机叶片进行全域DIC检测，得出3D-DIC是一
式中：f (x，y)为参考图像子区中坐标为(x，y)点的灰
种可行的风机叶片非接触式无损检测技术。然而，
度；g(x'，y')为变形图像子区中对应点为(x'，y')的灰
传统的DIC应用需要在整个叶片表面绘制大量散
度，参数向量 p 为待定的参数组成的矢量；Corr为
斑，大大提高了数据处理的复杂度和成本。
互相关运算。
鉴于此，文章提出了一种改进的DIC-Tracking技
对于变形后的目标子区而言，不仅其位置会发生
术，该技术通过在叶片的关键部位局部绘制散斑，简
变化，形状也有可能变化，因此，为了表示这种移动
化了散斑的制备工作，同时减少了数据处理的工作量。
和变形，将参考子区和目标子区中对应点的坐标(x，y)
笔者着重探讨了DIC-Tracking技术在检测风机叶片轴
和(x'，y')通过形状函数（或称为位移模式）来与待定
心偏移、裂纹扩展等关键性能指标上的应用效果，并
参数向量建立联系，即
通过试验验证了该技术的实用性和有效性，展示了其
在风机维护和故障预防中的潜在应用价值。 （2）
1 算法基本原理
ξ
式中：为目标子区中各点在水平方向上的位移函数；
1.1 DIC基本原理 η为目标子区中各点在垂直方向上的位移函数。
DIC技术最初由美国南卡罗莱纳州大学的 考虑最简单的情况，如果变形图像中目标子区
Peters和日本的Yamaguchi于20世纪80年代初分别 相对于参考子区只有刚体位移而不发生变形，则可
独立提出，其核心思想是通过图像纹理匹配来追踪 以利用零阶形函数，即
参考图像和变形图像中的对应点，从而获取全场的
（3）
位移与变形 。类似的技术在图像处理和计算机视
[7]
觉领域被称为基于区域面积的图像配准。 式中：ξ 为水平方向上位移函数的零阶泰勒展开；η
DIC技术原理如图1所示，在参考图像中(x ，y ) 0 0
0 0 为垂直方向上位移函数的零阶泰勒展开。
为待计算的点，选择以该计算点为中心，边长为4的
这时，相应的待定参数向量可以表示为(U，T)，
矩形作为参考子区，在变形后的图像中搜索与参考
变形图像的目标子区仅仅发生平动，没有刚体转动、
子区相匹配的目标图像子区，称为变形子区。在搜
伸缩变形和剪切，可见零阶形函数在描述图像子区
索过程中，需要遵循一定的搜索策略并按照预先定
的转动和变形方面是有欠缺的，所以最经常使用的
义的相关函数进行计算，寻找使相关系数出现极值
形函数并不是零阶，而是一阶形函数，即
的目标子区并将其作为最终的变形子区。通过计算
变形子区中心点的坐标(x ，y )与 的差，即 （4）
0
0
可计算出该计算点在x和y方向的位移u和v。
式中：ξ 为水平方向上位移函数的一阶泰勒展开；η
在搜索变形子区的过程中，需要使用一种全局 1 1
为垂直方向上位移函数的一阶泰勒展开；u ，v ，u ，
且可以量化的方式来评价目标子区与参考子区的相 x x y
似程度，这是由相关函数来完成的。相关函数利用 v 为子区在x,y方向上的位移梯度；∆x和∆y为点
y
（x,y）到子区中心（x ,y ）的x,y方向距离。
0 0
1.2 DIC-Tracking算法原理
DIC-Tracking技术是一种基于数字图像相关技
术的优化算法，能够实现高精度的多点检测，尤其适
用于旋转或复杂变形的结构，如风机叶片等。DIC-
Tracking算法的目标是确定映射ψ(x，p)的参数向量
p ，该向量将点的参考位置x=(x，y)与变形位置w
图 1 DIC 技术原理示意 相关联 。参数向量 p 组成参数如表1所示。
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2025 年 第 47 卷 第 2 期
无损检测
