近年来，随着科学技术的发展，土体微细结构变形性能的研究已经成为岩土力学界关注的热点。研究表明，工程土体在宏观上所表现出来的非连续、不均匀、各向异性和不确定性等复杂特性，根本上都与土体微观结构的变形及其形态有关。因此，揭示土体工程特性与其微观结构变形之间的内在规律性，建立具有微观结构变形特征背景的岩土本构模型，对防止地基的坍塌、下陷和变形以及分析污染物在岩土介质中的运移都有非常重要的意义。鉴于此，本文研究的目的在于探讨土体宏观和微观之间的相互关系，通过土体微观结构的定量分析，解决相关的宏观问题，进而指导实际工程的顺利进行。为了更好地定量研究土体微观结构的变形性能，本文利用光学测量方法和数字图像处理技术，研制了一套岩土微观结构变形跟踪测量系统。其主要工作如下： (1)针对岩土微观结构变形跟踪测量实验的特点，提出了基于数字图像相关的岩土显微成像跟踪测量方法，系统阐述了该方法的测量原理和实施方案。改进了数字图像相关匹配算法，不仅编程上易于实现，而且运算时间大大减少，进而提高了目标跟踪的速度，满足了跟踪的实时性要求。同时运用变模板搜索方式，使目标的定位精度同样得到了较大提高，保证了系统运行的可靠性。在此基础上，开发设计出一套基于多线程的图像实时显示和跟踪软件，为显微成像跟踪测量方法在岩土模型实验中的应用和推广奠定了坚实的基础。 (2)研制了一台岩土微观结构变形跟踪测量装置。将原有的手动三维控制台利用数控技术改装成数控平台，同时运用电子技术研制了与之配套的SMAT-Ⅰ型三维控制台驱动器。将数控平台、三维控制台驱动器、远距离、远心显微镜头和计算机图像处理系统组装成一台适于岩土微观结构变形测量的自动跟踪装置。在石灰固化土微观结构变形测量实验中验证了该自动跟踪系统的可靠性。 (3)由于生态土的土颗粒较大且土样表面孔隙较多，导致拍摄系统的景深不能满足生态土微观图像拍摄的需要。本文将小波变换的多分辨率技术引入到岩土微观序列图像处理中，对岩土微观图像进行二维小波分解，得到图像的低频分量和高频分量。然后，对分量在不同分解尺度上的小波系数进行算法优化，找到了一种岩土微观图像景深不够的处理方法。通过对景深不够的生态土微观图像进行小波变换处理，得到了较满意的结果。 (4)进一步发展了显微成像跟踪技术，由一点跟踪模式发展成两点跟踪模式。通过两点跟踪模式的验证实验，结果表明，不仅成功跟踪到目标，而且利用双线性插值技术提高了计算精度。同时，将两点跟踪模式结合光学引伸计设计开发出一套低维材料单轴拉伸跟踪实验系统，该系统测试设备简单，软件界面友好。通过对头发丝力学性能的测试，证明了该系统完全适用于低维材料的非接触变形测量且应变分辨率可达3με。 (5)将显微成像跟踪技术的应用进一步推广，可用于裂缝尖端位移场的跟踪测试。利用该技术，对薄纸片和木块预制裂纹的裂尖在载荷作用下的开展进行探讨性跟踪实验，得到裂尖的移动曲线和每一时刻裂尖周围的位移场图像。为下一步针对裂尖位移场图像进行裂纹端部场的定量分析提供了一种新的实验手段。