随着现代科学技术的飞速发展及新材料、新结构、新工艺的出现，桥梁、建筑、MEMS等高新技术领域中的力学测试问题己成为制约其发展的重要因素。开发新的实验技术、方法与仪器，实现各种材料和结构(从宏观到微观)的静、动态测试，建立相应的本构模型和可靠度的评判标准，是目前国内外学术界与工程界的热点研究领域。作为一种最活跃也最有生命力的光测力学实验方法，数字图像相关方法(DICM)以其简单、无损、全场、非接触、高精度、自动化程度高等优点已被成功应用于科学研究和工程实际的各个领域。鉴于此，本论文以DICM为研究平台，系统地开展了DICM及其混合法的理论研究，在此基础上建立了简单适用的三维及动态在线测试系统，并将研究成果应用于桥梁、建筑、MEMS等高新技术的测试领域中。本论文的主要工作和成果如下： 1．系统地研究了二维DICM及其混合法的基本原理及关键技术，进一步发展和完善了DICM的理论模型。主要内容包括：①在空域DICM方面，讨论了基于仿射变换的位移模式与经典的一阶常应变位移模式的等效性，分析了基于灰度拟合和仿射变换的初值估计法，在此基础上提出了基于仿射变换的相关迭代法(采用基于全局坐标的位移模式)。数值模拟和经典力学实验的结果验证了该迭代方法的可靠性与精度。②在频域DICM方面，结合经典的傅里叶光学与双曝光散斑照相术，系统建立了相加、相减及相乘三种频域模式。相加模式与相减模式直观地显示了位移矢量场的分布，可用于快速预分析时的初始定量估计。通过选择合适的模板大小，利用相乘模式可实时获取全场的位移分布。③结合空域DICM和频域DICM各自的优点，提出了空域和频域相结合的混合相关算法。该算法利用频域DICM作初值估计，后续优化过程中选用空域DICM中的相关迭代法，实现了DICM中精度和速度的平衡。 2．系统地研究了三维DICM及其混合法的基本原理与分析方法。主要内容包括：①以摄像机成像模型为理论基础，采用数值模拟与几何光路分析相结合的方法验证与推导了DICM用于面内位移、离面位移、三维形貌和三维刚体位移和变形测试的基本原理与实现方法，该项研究为二维、三维DICM及其混合法的测试原理及误差分析提供了简便通用的数值分析平台。②基于双目立体视觉原理，结合仿射变换和小模板匹配的技术，将DICM应用于物体的三维变形测试，实现了DICM与双目立体视觉技术的有效混合。③基于图像位移场矢量中心和斜率与面内和离面位移分别对应的关系，采用SG微分滤波器分离图像位移子区内的常数项与一次项，实现物体三维位移分量的有效分离，在此基础上发展了相应的散斑图模拟方法，建立了基于DICM和单摄像机的三维位移测试系统。数值模拟与实验的结果验证了该方法用于实现物体三维位移分离的可行性和优越性。④借鉴散斑投影相关法的思想，提出了用于测试测试物体三维形貌及离面位移的显微栅线投影相关法，实现了栅线投影法和DICM的有效混合。 3．深入开展了基于DICM及其混合法的应用研究。主要内容包括：(1)DICM及其混合法在土木工程测试领域的应用研究。①基于空域和频域相结合的混合法，系统开展了建筑膜材的双轴拉伸实验及徐变实验，测量了双轴拉伸条件下膜材的力学参数及徐变过程中应变随时间的变化规律。②基于仿射变换的相关迭代法，开展了钢管混凝土框架梁柱连接的转角测量与分析实验，测量了加强环式连接的弯矩一转角关系，且实验结果与理论结果吻合。③基于时间序列DICM和高速摄影成像技术，开展了拉索模型动力学参数识别的实验研究，其中采用基于连续小波变换的模态分析方法获得自由振动状态下的动力学参数：频率和阻尼比。④采用双目立体视觉和DICM的混合法，对静载作用下的湿喷桩复合地基室内模型的土体表面位移进行了测试研究，得到了土体表面三维位移场随载荷变化的规律。(2)DIEM及其混合法在MEMS静、动态测试领域的应用研究。①基于时间序列DICM和高速摄影成像技术，开展了微陀螺的动力学参数识别的实验研究。其中采用频域DICM提取振动位移信号，采用离散小波变换的方法对信号进行滤波，采用连续小波变换的方法提取模态频率和品质因子，并采用空域DICM计算折叠梁的振型，实验结果与有限元模拟结果完全吻合。②基于显微栅线投影相关法，成功测试了压力传感器的三维形貌及挠度。③基于散斑投影相关法，成功测试了手机芯片的翘曲变形。④基于显微干涉法，提出了基于连续小波变换和展开相位一阶导数的非单调条纹相位解包算法。仿真实验验证了该算法的可行性和精度，该算法被成功应用于手机芯片的翘曲测试和微梁在静、动态电压下的形貌及变形测试。以上研究为深刻理解和掌握土木工程及MEMS领域中各种材料和结构的静力学性能及动力学参数提供了有效的测试手段，具有重要的研究意义及工程应用价值。