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混凝土是一种复杂的多相复合材料包含:水泥砂浆、骨料和孔隙裂纹。它的组成决定了结构的异质性和物理力学性能的不连续性。研究和量化混凝土荷载条件下结构内部非线性变化,在结构的微细观变形与宏观力学响应之间建立联系,对于解决施工中的实际问题非常重要。混凝土材料的非均质性决定了目前很多研究材料力学性能的方法或技术不能全面反映其局部化变形特征。1999年B.K.Bay等提出的数字体图像相关法(Digital Volume Correlation,DVC)成为表征物体内部变形的重要技术手段。采用计算机断层成像技术(Computer Tomography,CT)对单轴压缩的混凝土试件进行原位扫描获取混凝土图像原始数据,再使用计算机逆向重建获得混凝土三维体图像,结合DVC进而求得混凝土试件体图像变形前后的位移场与应变场,实现变形的精确测量及三维可视化。相较于平面数字图像相关法在位移、应变精度及计算效率上已获得的较大改善,数字体图像相关法面临的问题较多,解决方案也有很多不足,亟待改善。本文就混凝土三维变形场的计算过程提出以下改进措施:(1)DVC方法中获得的位移场精度受到插值误差及源图像中的细节、噪声和伪影的影响。位移场的误差通常将在应变计算过程中被放大。准确的全场应变测量才能够帮助深入了解材料的力学特性,因此,本文提出一种优化的DVC方法,结合爆炸搜索算法(Explosion Search Algorithm,ESA)及数字体图像相关法克服传统DVC方法受迭代初值影响较大的问题,快速匹配出变形前后估值点对坐标,进而获得位移初值,提高计算效率。(2)对DVC中评价函数作出全局优化,在目标函数中加入正则化抑制固有噪声及缓解由于源图像某些区域的细节量(高频信息)太少而产生的变形前后不匹配问题,提出一种快速迭代的数字体图像相关法,有效地计算一般DVC算法无法求解的有限变形场,在亚体素位移计算采用三阶多项式高斯峰值拟合来保证计算精度。(3)在理论的基础上,对提出的改进DVC方法进行了计算机可控三维散斑实验仿真,模拟成像及刚体平移变形,验证算法的准确性及可靠性。最终对混凝土单轴压缩试验获得的数据进行了三维重建,采用本文提出的DVC方法对混凝土变形前后的三维体图像进行了微尺度位移测量,通过逐点最小二乘拟合算法求得混凝土全场应变。对比传统DVC方法,实验结果表明,优化的DVC算法保证了精度的同时,计算效率获得较大提升。