工程结构变形测量方法有多种。由激光散斑技术发展而来的数字图像相关方法作为一种新型的非接触光学测量方法,因其具有光路简单、非接触测量、全场测量、对测量环境要求低等优点,已在工程结构变形测量中得到了应用。数字图像相关技术的位移测量最初是以像素为单位进行计量,但整像素测量方法已经不能满足精度的要求。故此,数字图象相关分析方法的亚像素测量方法已成为了其重要研究内容。目前亚像素在求效率和解精度上还有不足,需要更深入的研究改进以满足工程结构变形测量的要求。首先,总结现有的工程结构变形传统测量方法的局限性,指出数字图像相关方法的便捷性。总结数字图像相关方法的研究现状和应用现状。介绍了数字图像相关方法基本原理、测量系统、像素-位移转换方法、相关系数、位移表征模式的表示方法,还介绍了十字搜索法、三步搜索法、粗-细搜索法、遗传算法等整像素搜索算法。对散斑图的制作、散斑图质量评价做出了介绍。其次,由于亚像素是对整像素进行插值得到的,介绍了最邻近域插值、双线性插值、双三次插值等插值方法,对目前常用的三种亚像素位移测量算法:曲面拟合法、基于梯度的亚像素位移测量算法(简称梯度法)和牛顿-拉普森法(Newton-Raphson法,简称N-R法)进行了介绍。其中包括曲面拟合法的二元二次拟合、二元三次拟合和高斯拟合等拟合方法;梯度法的非迭代梯度法和迭代的梯度法。再次,对以上几种插值方法的插值精度和插值效率进行研究,对比发现双线性插值精度较好且计算效率高;对计算子区大小、曲面拟合函数和拟合距离研究表明:当选取41×41像素计算子区大小、取对数的二元三次拟合函数和0.6像素的拟合距离时,计算结果能保持较高的精度和计算效率。然后,提出了新算法——梯度-曲面拟合算法。由于采用曲面拟合法实现位移测量,容易出现在半像素左右计算结果的误差波动,使得位移场在此位置跳跃较大。提出采用修正曲面拟合相关系数矩阵的方法,降低在半像素处的计算误差。测量实践中发现,获取结构变形散斑图时,可能存在曝光过度或曝光不足、曝光不稳定,或试验加载过程持续的时间过长导致非均匀照明即试验加载前后光场光强变化差异明显等技术失误或客观条件影响,而导致被测物体表面图像对比度非均匀变化与模糊度改变等图象质量劣化,提出采用线性光流方程迭代的梯度法计算亚像素位移,减小结构变形前后图像灰度梯度变化对计算的影响。最后,利用数字仿真实验和实际实验验证了以上方法在计算精度、计算效率以及抗噪声方面的优势。