数字图像相关(DIC)技术本质上是一种图像处理技术,除了具有非接触、全场测量的能力外,它还具有一些特有的优点,如:实验装置简单、价格低廉、易于实现、适用范围广、时空分辨率可调,以及对环境振动和环境光的变化相对鲁棒。这些突出的优势使得DIC技术在过去40年里得到了快速普及,也使得各种商用DIC系统相继推出。这也决定了 DIC方法超过如干涉光学法、电子散斑干涉法和云纹干涉法等竞争对手,在实验力学界占据主导地位。现在DIC技术也在材料科学、生物力学、土木工程、电子印刷、机械制造、岩土工程和航空航天工程等新的应用领域被广泛应用。尽管DIC技术不管是在理论研究还是在工程应用中都已趋于完善,但是DIC技术在一些特殊应用场景中,还是会出现一些新的挑战:1.由于待测物体的泊松比往往不为0,待测物体在拉伸或压缩时就会产生离面运动,进而导致2D-DIC测量结果产生系统误差;2.当图像发生大帧间变形时会导致参考子区和变形子区的相关性下降,使得相关性图没有明显峰值而无法得到匹配位置,这也被称为退相关现象:进一步来说,不仅待测物体发生大变形会导致退相关现象,一些物体由于整体旋转(如风电叶片等)、离面平移(如捕蝇草的开合等)等原因导致拍摄图像发生大帧间旋转、大帧间缩放变形也会导致退相关现象。针对DIC技术在以上应用场景中面临的挑战,本文的主要研究工作如下:(1)为了克服离面运动和非垂直安装产生系统误差的问题,本文第二章节在Sutton误差模型的基础上发展出了一个更为完善的统一误差模型。基于新的误差模型,我们发现只需要测得离面运动量(包括离面平移和离面旋转)和非垂直安装角度就可以计算得到伪应变,并可加以补偿。本文进一步提出了基于十字型结构光的方法来实时重建待测试件表面的空间方程,从而可以得到离面运动量和非垂直安装角度。为了避免结构光光条与散斑图像相互影响,本文还提出了用彩色相机的不同通道分别进行DIC测量和补偿的方法。(2)为了克服图像发生大帧间旋转变形时DIC会出现退相关现象的问题,本文第三章节将旋转不变的模板匹配与DIC的灰度匹配相结合,提出了基于圆环投影变换特征和方向码特征的旋转不变DIC(RIDIC)算法。为了进一步提高RIDIC算法的速度,本文又提出了更高效的局部圆环模式特征和小波金字塔分层搜索的方法,最后得到了快速旋转不变DIC(fast-RIDIC)算法。(3)为了克服图像发生大帧间缩放变形时DIC会出现退相关现象的问题,本文第四章节提出了利用彩色信息进行DIC匹配的新思路。得益于颜色直方图特征的缩放不变性和旋转不变性,进而提出了基于颜色直方图特征的缩放、旋转不变的DIC(SRIDIC)算法。为了提高SRIDIC算法的匹配速度,提出了反向检索代替前向搜索的搜索策略。为了充分利用彩色散斑的颜色信息,本文还对亚像素匹配中的相关函数进行了改进,使得新的相关函数对光源强度和位置的变化更加鲁棒。