数字图像相关方法以其测量设备简单、测量环境要求低、测量范围广以及能同时测量多种力学量等优势从众多光测实验力学方法中脱颖而出,成为近些年最活跃的非接触、全场测量方法,已在科研和工业领域得到广泛的应用。数字图像相关方法通过跟踪附着在物体表面随机分布的散斑来获取物体的变形信息,达到测量全场变形的目的。作为数字图像相关测量的信息载体,散斑质量对数字图像相关方法的测量精度、计算效率和计算结果的一致性等有着重要的影响。因此,综合评价散斑场质量、设计和优化散斑、制作最优散斑图案是提高数字图像相关方法测量精度、计算效率和保证测量结果一致性的重要途径,也是数字图像相关方法标准化的必经之路。为实现数字图像相关方法的散斑场标准化,本文致力于数字散斑场优化设计、制作与应用研究。在数字散斑场的优化设计方面,根据人工散斑特征建立数字散斑场的数学表达,生成散斑场的二值矢量图,并根据相机成像原理得到数字散斑场的灰度图。为了对数字散斑场的质量进行评价,本文提出了基于反向组合高斯-牛顿迭代算法的散斑质量综合评价方法。分别将数字散斑场灰度图的位移均方根误差、反向组合高斯-牛顿迭代算法迭代次数的(箱型)统计结果作为散斑场二值矢量图优化的目标函数,对数字散斑场的特征参数进行优化。优化结果表明:当特征参数中随机度为0.3、圆形散斑半径为2像素、图像黑白比1:1时,单一粒径数字散斑场具有最佳的计算精度和计算效率。通过对优化的数字散斑场灰度图与多组人工散斑的对比,进一步证实了优化的数字散斑场在计算精度、计算效率和计算结果的一致性方面的优越性。为了制作优化的数字散斑场二值矢量图案,本文提出采用直接打印或间接转印的方式将优化图案“复制”到待测物体表面,用以替代常见的喷漆、涂刷等非确定性的人工散斑制作方式。分别提出了采用便携式的水转印制作方法实现在可展曲面上转印、采用UV平版印刷的方法实现在平面试样上直接打印优化的数字散斑场。实验研究表明,水转印方法能够满足较大变形的数字图像相关测量,而UV打印的数字散斑场则具有较高的散斑质量。为了更好合理的运用各种不同的散斑场制作方法,论文还深入探讨了水转印、UV平版印刷以及热转印、光敏印章等方法用于数字散斑场制作的精度与使用范围。非侵入性、三维、全场的人体变形测量对生物医学研究有着极其重要的意义。本文采用优化的数字散斑场及其改进的水转印数字散斑场制作方法,提出了用于人体表面三维、全场变形测量的非侵入式传感器,并成功地将该传感器用于中医脉搏测量、颈动脉的脉搏波波速测量的研究。实验研究表明该技术在人体传感器方面具有广泛的应用前景。采用优化的数字散斑场不仅有利于得到高质量、稳定的数字图像相关测量结果,而且针对一些人工制斑方法无法满足的多相机大型结构的高精度测量,数字散斑场也具有独特的优势。数字散斑场的应用与散斑场的标准化必将进一步推动数字图像相关方法测量在更多科研与工业领域的发展,同时,对推动数字图像相关方法测量技术的标准化也有着重要意义。