在材料力學與結構測試領域，傳統應變規只能量測單點，無法呈現整個試件表面的應變分布。數位影像相關法（DIC，Digital Image Correlation）透過比對散斑影像的灰度變化，可一次取得全場位移與應變，不需接觸試件、不影響邊界條件，已成為現代固體力學實驗室最重要的光學量測方法之一。無論是準靜態拉伸、落錘衝擊，還是霍普金森桿高應變率試驗，DIC 都能配合適當的相機系統提供可靠的全場數據。
什麼是 DIC？
DIC 的原理並不複雜：先在試件表面製作隨機散斑圖樣，拍攝施加載荷前後的影像，再由軟體將每張影像切割成小區塊（subset），以灰度相關演算法（常用的是 ZNCC，Zero-mean Normalized Cross-Correlation）逐一追蹤每個 subset 在變形前後的對應位置，計算出位移場。對位移場做空間微分，即得到全場應變。
根據相機數量與幾何配置，DIC 分為兩種主要型態：
- 2D DIC：單台相機，只能量測面內（x、y 方向）應變，適合面外位移可忽略的薄板拉伸或平面應力試件。
- 3D DIC（立體 DIC）：兩台相機以一定立體角排列，結合攝影測量（photogrammetry）原理重建三維位移場，可同時捕捉面外位移，適合彎曲、翹曲、殼體結構等複雜三維變形分析。
目前主流 DIC 後處理軟體包括 GOM Correlate（ZEISS 旗下，基本版免費）、VIC-2D/3D（Correlated Solutions）與 MatchID，各有其在演算法效能、UI 友善度與授權模式上的差異，但對硬體（相機）的需求大致相同。
靜態 DIC vs 動態 DIC
DIC 可用於靜態與動態試驗，但對相機的幀率、感光度與觸發同步的要求差距極大：
| 比較項目 | 靜態 / 準靜態 DIC | 動態 DIC（高速 DIC） |
|---|---|---|
| 典型應用 | 拉伸、壓縮、疲勞、蠕變 | 衝擊、爆炸、落錘、SHPB、高速成形 |
| 典型應變率 | 10⁻⁴ ~ 10⁻¹ s⁻¹ | 10¹ ~ 10⁵ s⁻¹ 以上 |
| 幀率需求 | 1 ~ 30 fps | 1,000 ~ 200,000+ fps |
| 相機類型 | 一般工業相機、單眼相機 | 高速攝影機（需精準觸發同步） |
| 影像解析度 | 通常 4MP 以上，支援長曝光 | 隨幀率提升而縮減（CMOS 限制） |
| 光源需求 | 一般 LED 補光即可 | 強光源必備（曝光時間極短） |
| 觸發同步 | 通常不需要或簡易觸發 | 必須與試驗機訊號精準同步 |
動態 DIC 幀率選擇指南
| 應用場景 | 典型應變率 (s⁻¹) | 建議幀率 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 準靜態拉伸 / 壓縮 | 10⁻⁴ ~ 10⁻¹ | 1 ~ 30 fps | 一般工業相機即可，不需高速攝影 |
| 落錘衝擊試驗 | 10¹ ~ 10² | 1,000 ~ 10,000 fps | AOS L-PRI 全解析 3,530 fps 適用 |
| 板材高速成形（電磁成形） | 10² ~ 10³ | 10,000 ~ 100,000 fps | 縮 ROI 換幀率，需確認 subset 仍含足夠散斑 |
| 分離式霍普金森桿 (SHPB) | 10² ~ 10⁴ | 50,000 ~ 200,000 fps | DITECT HAS-EX 全解析 40,000 fps，縮圖後可更高 |
| 爆炸 / 爆轟 | 10⁴ ~ 10⁶ | >100,000 fps | Mega Speed MS180K V2，需防爆距離與觸發設計 |
| 結構振動模態 | — | 振動頻率 × 10 倍以上 | 量測 1 kHz 振動，至少需 10,000 fps |
東茂代理機型推薦
AOS L-PRI（瑞士）：全解析度 3,530 fps，涵蓋落錘衝擊、中速成形與結構振動等中高速 DIC 應用。機身緊湊、C-mount 鏡頭相容性高，兩台 L-PRI 搭配做 3D DIC，觸發同步穩定可靠。
DITECT HAS-EX（日本）：全解析度可達 40,000 fps，縮小 ROI 後幀率可進一步提高，滿足 SHPB 等高應變率動態 DIC 需求。感光元件尺寸較大，配合強光源可在短曝光時間下維持清晰散斑影像，是目前台灣 SHPB 實驗室最常見的動態 DIC 搭配機型。
DITECT HAS-D71：VGA 解析度下可達 8,000 fps，適合光照條件受限的密閉腔體試驗，中型落錘試驗、衝擊管試驗的入門選擇，性價比高。
Mega Speed MS180K V2（加拿大）：現行型號（MS160K 已停產），主打超高速應用。爆炸波傳、裂紋傳播等微秒級動態過程，MS180K V2 是最直接的選擇。
DIC 散斑製作要點
- 底漆先行：先噴一層均勻消光白底，再以消光黑漆輕點散斑。光澤漆或金屬原色表面容易產生局部高光，嚴重干擾灰度相關演算法。
- 散斑大小控制：散斑直徑建議涵蓋 3~5 個像素。過小（次像素）相關性差；過大（超過 10 像素）則犧牲應變場的空間解析度。先確認放大倍率，再決定噴漆距離與噴罐類型。
- 散斑密度：理想黑白面積比約 50:50。密度過低等於丟掉資訊，密度過高（整體偏黑）同樣失去相關性。
- 高速 DIC 的特殊挑戰：在幾千到幾萬 fps 下，每幀曝光時間只有幾微秒到幾十微秒。若試件在曝光期間移動超過 1 像素，影像就會模糊，散斑追蹤失效。此時需要強力連續光源（500W 以上 LED）或脈衝光源，並確認光源與相機觸發同步無誤。
- 噴漆附著問題：聚合物、橡膠等低表面能材料，建議先做表面活化處理或噴底漆增黏，避免大變形過程中散斑剝落導致追蹤中斷。
台灣 DIC 應用案例
複合材料與高分子破壞研究：成功大學、台灣大學、清華大學等材料與機械系所廣泛應用 DIC 量測 CFRP 積層板在彎曲、扭轉及層間剪切下的全場應變分布。相較於傳統應變規，DIC 可清楚呈現試件表面應變的異質性與集中帶，對理解複合材料失效機制具有決定性優勢。
金屬板材成形極限：中鋼研究單位與各大學成形製造實驗室，將 DIC 結合萬能試驗機進行成形極限曲線（FLC）量測。DIC 可直接追蹤頸縮前後的區域應變演化，比傳統格柵電蝕刻法更精確，且不需在板材上破壞表面。
電子封裝可靠度：工研院電子與光電所、IC 封裝廠實驗室應用微尺度 DIC（μDIC），結合熱循環試驗台量測 BGA 焊點或覆晶接合在熱應力下的微觀應變。
生醫力學與骨科研究：台北醫學大學、長庚大學等生醫工程系所將 DIC 引入骨骼、軟骨與義肢介面的力學研究。不接觸量測的特性在生物組織試驗中格外重要，可在不破壞邊界條件的前提下量測表面應變。
常見問題 FAQ
做 DIC 一定要用高速攝影機嗎？
不一定。準靜態試驗（應變率低於 10⁻¹ s⁻¹）用一般工業相機或單眼相機就夠了，成本低且影像解析度更高。高速攝影機是在動態衝擊、爆炸或高速成形等需要捕捉毫秒以內瞬態過程時才必要。東茂提供的機型從 3,530 fps 到超高速均有，可依試驗條件選配最合適的規格，不必為了保險而過度選機。
3D DIC 和 2D DIC 差在哪裡？一定要用兩台相機嗎？
2D DIC 只需要一台相機，量測面內（x、y 方向）應變，適合試件幾乎無面外位移的情況，例如薄板軸向拉伸。3D DIC 需要兩台相機以立體角度拍攝，可同時量測面外位移（z 方向），適用於彎曲、翹曲或任何三維變形場景。如果試件在試驗過程中有任何面外旋轉或位移，用 2D DIC 量出的應變值會有系統性誤差，這時就必須上 3D DIC。
DIC 軟體費用高嗎？有沒有免費選項？
有免費選項。GOM Correlate（ZEISS 旗下）提供功能相當完整的免費個人版，支援 2D 與 3D DIC 分析，對大多數學術研究已夠用。商業版的 VIC-2D/3D（Correlated Solutions）和 MatchID 在批量分析自動化、進階演算法與技術支援上更完整，適合高產量研究或工業量產檢測。
SHPB 實驗搭配 DIC，幀率要多高才夠？
SHPB 的典型應變率約在 10² ~ 10⁴ s⁻¹，應力波在試件中傳播的時間尺度約為幾十到幾百微秒。一般建議至少 50,000 fps，理想上 100,000 fps 以上，才能在這段時間窗口內捕捉到足夠的影像幀數來解析應變演化。DITECT HAS-EX 全解析度即可達 40,000 fps，縮 ROI 後幀率可進一步提高。
高速 DIC 的光源要怎麼選？有什麼常見問題？
高速 DIC 最常見的失敗原因不是相機，而是光源不足。以 10,000 fps 為例，每幀曝光時間最多 100 μs，實際上通常設在 10~50 μs 以避免動態模糊，需要非常高的光通量。建議使用連續高功率 LED 光源（500W 以上）或同步脈衝光源。光源擺放角度要特別注意，避免在散斑表面形成局部亮點（hot spot），那些區域的灰度飽和後相關性會完全失效。
有 DIC 選機或技術整合問題？歡迎直接聯絡東茂儀器
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電話：04-8857599 | Email：service@hsc.tw
作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。