GOM Correlate¶

GOM Correlate — это бесплатное программное обеспечение для цифровой корреляции изображений (DIC), предназначенное для анализа деформаций и перемещений на поверхности объектов. Разработано немецкой компанией GOM GmbH (входит в состав Carl Zeiss AG) и используется в научных исследованиях, промышленной метрологии и инженерном анализе. Программа позволяет по серии цифровых фотографий или видеозаписей вычислять поля перемещений и деформаций с субпиксельной точностью, не требуя физического контакта с исследуемым образцом.

¶История и разработка

Компания GOM (Gesellschaft für Optische Messtechnik) была основана в 1990 году в Брауншвейге, Германия, и специализировалась на оптических измерительных технологиях. В 2019 году GOM вошла в состав корпорации Carl Zeiss AG, сохранив бренд и продуктовую линейку. GOM Correlate был выпущен как бесплатная версия профессионального пакета GOM Correlate Professional, предназначенная для образовательных и начальных исследовательских задач. Первые публичные версии появились в начале 2010-х годов, а с 2015 года программа стала активно распространяться через официальный сайт разработчика. В 2023 году вышла версия 2023, в которой были улучшены алгоритмы корреляции и добавлена поддержка 3D-анализа.

¶Принцип работы

Цифровая корреляция изображений (DIC) — это бесконтактный метод измерения деформаций, основанный на сопоставлении пиксельных паттернов на серии изображений. GOM Correlate реализует следующие этапы обработки:

1. Подготовка образца: на поверхность исследуемого объекта наносится случайный контрастный рисунок (обычно чёрно-белый спрей-кракелюр или аэрограф). Этот рисунок служит уникальным «отпечатком» для каждого участка поверхности.
2. Съёмка: производится серия цифровых фотографий или видеозапись объекта в процессе нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, нагрев и т.д.). Для 2D-DIC используется одна камера, для 3D-DIC — две камеры, расположенные под углом.
3. Калибровка: в программе задаются параметры камеры (фокусное расстояние, искажения объектива) и масштаб изображения. Для 3D-анализа требуется калибровочная пластина.
4. Корреляция: GOM Correlate разбивает изображение на множество небольших областей (фацетов) и для каждого фацета находит его положение на последующих кадрах методом оптимизации (минимизация разности яркостей). Результат — векторное поле перемещений для каждой точки поверхности.
5. Расчёт деформаций: на основе градиентов поля перемещений вычисляются компоненты тензора деформаций (продольные, поперечные, сдвиговые, главные деформации).

¶Основные возможности

¶2D- и 3D-анализ

GOM Correlate поддерживает как двумерный (плоский образец, одна камера), так и трёхмерный (объёмный объект, стереопара камер) анализ. В 3D-режиме программа восстанавливает трёхмерную форму поверхности и вычисляет деформации в трёхмерном пространстве.

¶Типы вычисляемых величин

• Перемещения (по осям X, Y, Z и полные);
• Деформации (инженерные, логарифмические, главные, сдвиговые);
• Скорость деформации;
• Коэффициент Пуассона;
• Модуль упругости (при известной нагрузке);
• Траектории точек;
• Разрывы и трещины (автоматическое обнаружение).

¶Инструменты визуализации

• Цветовые карты (скалярные поля) с настраиваемой шкалой;
• Векторные поля перемещений;
• 3D-модели с текстурированием;
• Графики зависимости деформации от времени, нагрузки или других параметров;
• Анимация деформации по кадрам.

¶Экспорт данных

• Изображения (PNG, JPEG, BMP);
• Видео (AVI, MP4);
• Таблицы (CSV, TXT);
• 3D-сетки (STL, OBJ, PLY);
• Отчёты (PDF, HTML).

¶Ограничения бесплатной версии

GOM Correlate распространяется бесплатно, но имеет ряд функциональных ограничений по сравнению с платной версией GOM Correlate Professional:

• Максимальное количество изображений в проекте — 200 (в профессиональной версии — неограниченно);
• Ограничение на размер области анализа (до 10 мегапикселей на кадр);
• Отсутствие поддержки некоторых форматов камер (например, RAW);
• Нет возможности автоматического экспорта отчётов в формате Word;
• Отсутствие модуля для анализа динамических процессов с частотой более 1000 кадров/с (требуется специальная лицензия).

Тем не менее, для большинства учебных и исследовательских задач этих возможностей достаточно.

¶Применение

GOM Correlate широко используется в следующих областях:

• Материаловедение: определение механических свойств (модуль Юнга, предел текучести, коэффициент Пуассона) при растяжении, сжатии, изгибе;
• Механика разрушения: исследование роста трещин, зон пластической деформации;
• Биомеханика: анализ деформаций костей, мягких тканей, протезов;
• Геомеханика: изучение деформаций грунтов, горных пород;
• Композитные материалы: оценка межслойного сдвига, усталостной прочности;
• Электроника: контроль деформаций печатных плат и корпусов микросхем при термоциклировании;
• Образование: лабораторные работы по сопротивлению материалов, физике твёрдого тела.

¶Примеры использования

¶Испытание на растяжение стального образца

На образец наносится кракелюрный рисунок, закрепляется в разрывной машине. Камера снимает процесс растяжения с частотой 1 кадр/с. GOM Correlate строит карту продольных деформаций: в упругой зоне деформации однородны, в пластической зоне появляются полосы Людерса — локализованные области повышенной деформации. Программа позволяет точно определить момент начала текучести.

¶Анализ трещины в бетонной балке

Балка нагружается до разрушения. GOM Correlate фиксирует раскрытие трещины, её длину и скорость роста. По полю перемещений можно вычислить коэффициент интенсивности напряжений.

¶Критика и ограничения

Основные недостатки метода DIC в целом и GOM Correlate в частности:

• Чувствительность к качеству изображения: размытие, блики, недостаточный контраст снижают точность;
• Зависимость от рисунка: слишком мелкий или крупный рисунок ухудшает корреляцию;
• Ограничения по масштабу: для крупных объектов (мосты, здания) требуется съёмка с большого расстояния, что снижает разрешение;
• Отсутствие поддержки 3D-сканирования в реальном времени: GOM Correlate работает только с заранее записанными изображениями;
• Закрытый исходный код: программа не является open-source, что ограничивает возможности модификации.

¶Сравнение с аналогами

GOM Correlate занимает нишу бесплатного, но функционального инструмента с удобным графическим интерфейсом, в отличие от open-source решений, требующих программирования.

¶Интересные факты

• GOM Correlate используется в учебных курсах более чем в 300 университетах мира.
• Программа поддерживает импорт данных из форматов .jpg, .tif, .bmp, .png, .avi, .mp4.
• В 2021 году GOM выпустила версию для macOS, но она не поддерживает 3D-анализ.
• Алгоритм корреляции в GOM Correlate основан на методе Ньютона — Рафсона с субпиксельной интерполяцией.

¶Источники

• Официальная документация GOM Correlate (GOM GmbH, 2023)
• Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. (2009). Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Springer.
• Pan, B. (2018). Digital image correlation for surface deformation measurement: historical developments, recent advances and future directions. Measurement Science and Technology, 29(8).
• GOM Correlate — User Manual, Version 2023 (Carl Zeiss GOM Metrology GmbH)