Объёмная DIC¶

Объёмная DIC (от англ. Digital Image Correlation — цифровая корреляция изображений) — это бесконтактный оптический метод измерения деформаций и перемещений на поверхности трёхмерных объектов, основанный на анализе цифровых изображений с использованием корреляционных алгоритмов. Метод позволяет получать поля перемещений и деформаций с высокой точностью (до 0,01 пикселя) на всей исследуемой поверхности, а не в отдельных точках, как при использовании традиционных датчиков (тензорезисторов, экстензометров). Объёмная DIC (также называемая 3D-DIC) является развитием двумерной DIC (2D-DIC) и применяется для анализа объектов сложной формы, испытывающих пространственные деформации.

¶История

Метод цифровой корреляции изображений был разработан в начале 1980-х годов в Университете Южной Каролины (США) группой под руководством Уильяма Питерса и Уильяма Рэнсона. Первоначально метод использовался для двумерных измерений (2D-DIC) на плоских образцах. В 1990-х годах, с развитием цифровых камер и вычислительной техники, появились первые реализации трёхмерного варианта (3D-DIC), основанные на стереоскопическом принципе: два объектива камеры, расположенные под углом друг к другу, позволяют восстанавливать трёхмерную геометрию поверхности. В 2000-х годах метод получил широкое распространение в научных исследованиях и промышленности благодаря появлению коммерческих программных пакетов (например, Vic-3D, Aramis, GOM Correlate) и доступных высокоскоростных камер. В России метод активно применяется в институтах РАН (например, в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского) и в технических университетах (МГТУ им. Н.Э. Баумана, СПбПУ).

¶Принцип работы

Объёмная DIC основана на стереоскопическом зрении: две (или более) цифровые камеры, расположенные под известным углом друг к другу, синхронно регистрируют изображения поверхности объекта. На поверхность предварительно наносится случайный контрастный рисунок (спекл-паттерн) — обычно с помощью аэрографа или краски. Этот рисунок служит уникальным маркером для каждой точки поверхности.

¶Алгоритм корреляции

Калибровка системы: Перед измерениями проводится калибровка стереопары с помощью калибровочной пластины (шахматной доски или круговой мишени). Определяются внутренние параметры камер (фокусное расстояние, дисторсия) и их взаимное положение (внешние параметры).
Захват изображений: В процессе нагружения объекта камеры делают серию синхронных снимков (до и после деформации).
Разбиение на подобласти: Изображение разбивается на множество небольших участков (подобластей, обычно 15×15 или 21×21 пиксель).
Поиск соответствий: Для каждой подобласти на первом (недеформированном) изображении ищется наиболее похожая подобласть на втором (деформированном) изображении с помощью кросс-корреляционной функции. Поиск ведётся с субпиксельной точностью (интерполяция интенсивности).
Триангуляция: По найденным соответствиям в двух изображениях (с учётом калибровки) восстанавливаются трёхмерные координаты каждой точки поверхности до и после деформации.
Вычисление деформаций: По разнице трёхмерных координат вычисляются поля перемещений (в миллиметрах) и деформаций (безразмерные величины, например, εxx, εyy, εxy).

¶Требования к оборудованию

Камеры: Две синхронизированные камеры с высоким разрешением (от 2 до 50 мегапикселей) и возможностью синхронной съёмки (частота до 1000 кадров/с для динамических испытаний). Для высокоскоростных процессов используются камеры с частотой до 10⁶ кадров/с.
Освещение: Равномерное, без бликов, обычно с использованием светодиодных ламп или когерентного света (лазеры) для устранения теней.
Спекл-паттерн: Случайный рисунок с размером пятен 3–5 пикселей на изображении. Наносится краской (чёрной на белом фоне или наоборот) или создаётся лазерным маркированием.
Программное обеспечение: Специализированные пакеты (Vic-3D, Aramis, GOM Correlate, MatchID, DICe) или открытые библиотеки (OpenCV, Ncorr).

¶Классификация

Объёмная DIC классифицируется по нескольким признакам.

¶По количеству камер

Стерео-DIC (2 камеры): Наиболее распространённый вариант, позволяет измерять деформации на поверхности объекта.
Мульти-DIC (3 и более камер): Используется для объектов сложной формы (например, цилиндрических или с отверстиями), где одна стереопара не охватывает всю поверхность. Камеры располагаются вокруг объекта, данные с разных пар объединяются.

¶По типу измерений

Статическая DIC: Измерения при медленном нагружении (например, квазистатическое растяжение образца).
Динамическая DIC: Измерения при высокоскоростных процессах (удар, взрыв, краш-тесты) с использованием высокоскоростных камер.
Термо-DIC: Совмещение DIC с инфракрасной термографией для одновременного измерения деформаций и температуры.

¶По масштабу

Макро-DIC: Размер объекта от нескольких сантиметров до метров (испытания конструкций, автомобильных деталей).
Мезо-DIC: Размер объекта от 1 мм до 10 см (образцы материалов, детали машин).
Микро-DIC: Размер объекта менее 1 мм (микроструктура материалов, MEMS). Требует использования микроскопов и специальных камер.

¶Применение

Объёмная DIC используется в различных областях науки и техники.

¶Машиностроение и материаловедение

Механические испытания: Определение модуля упругости, предела прочности, коэффициента Пуассона, кривых деформирования для металлов, полимеров, композитов, керамики.
Анализ разрушения: Изучение зарождения и роста трещин, определение зон пластической деформации, оценка вязкости разрушения (J-интеграл, CTOD).
Испытания сварных швов и клеевых соединений: Оценка прочности и деформационного поведения соединений.
Динамические испытания: Краш-тесты автомобилей (деформация кузова при ударе), испытания на удар (образцы из стали, алюминия, полимеров).

¶Строительство и гражданское строительство

Испытания бетона и железобетона: Измерение деформаций при сжатии, изгибе, растяжении; изучение трещинообразования.
Мониторинг мостов и зданий: Оценка деформаций под нагрузкой (например, при испытаниях мостовых конструкций).
Испытания грунтов и геоматериалов: Измерение деформаций в песчаных и глинистых образцах при трёхосном сжатии.

¶Авиа- и ракетостроение

Испытания лопаток турбин: Измерение деформаций при высоких температурах (до 1200 °C) с использованием термостойких спекл-паттернов.
Испытания композитных панелей: Оценка прочности и устойчивости к потере устойчивости (баклинг).
Испытания фюзеляжей и крыльев: Натурные испытания на прочность (статическая и циклическая нагрузка).

¶Медицина и биомеханика

Изучение биологических тканей: Измерение деформаций костей, сухожилий, хрящей, мягких тканей (например, при растяжении кожи).
Испытания имплантатов: Оценка деформаций зубных имплантатов, эндопротезов суставов, стентов.
Анализ походки и движений: Измерение деформаций подошвы стопы при ходьбе (с использованием прозрачных материалов).

¶Микроэлектроника и MEMS

Испытания микрочипов: Измерение деформаций в корпусах микросхем при термоциклировании.
Испытания микроэлектромеханических систем (MEMS): Оценка деформаций мембран, балок, актюаторов.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

Бесконтактность: Не влияет на механические свойства объекта (в отличие от тензорезисторов).
Полнота данных: Измеряет деформации во всех точках поверхности, а не в отдельных точках.
Высокая точность: Субпиксельная точность (до 0.01 пикселя) позволяет измерять деформации порядка 10⁻⁵.
Возможность измерения сложных форм: Трёхмерные объекты с криволинейной поверхностью.
Динамические измерения: Возможность регистрации быстропротекающих процессов (до 10⁶ кадров/с).
Совместимость с другими методами: Может использоваться совместно с термографией, акустической эмиссией, рентгеновской томографией.

¶Недостатки

Требование к поверхности: Необходимость нанесения спекл-паттерна (не подходит для прозрачных или зеркальных поверхностей без специальной подготовки).
Чувствительность к освещению: Неравномерное освещение, блики, тени ухудшают точность.
Ограничение по размеру: Для малых объектов (менее 1 мм) требуется микроскопия и специальное оборудование.
Вычислительная сложность: Обработка больших массивов данных (сотни тысяч подобластей) требует мощных компьютеров.
Зависимость от калибровки: Ошибки калибровки камер приводят к систематическим погрешностям.

¶Интересные факты

Метод DIC был впервые реализован на компьютере PDP-11 с объёмом оперативной памяти 64 КБ.
В 2010-х годах появились портативные системы DIC на базе смартфонов (например, приложение DICe для Android), позволяющие проводить простые измерения в полевых условиях.
В России метод объёмной DIC используется для испытаний космических аппаратов (например, деформаций солнечных батарей при вибрационных нагрузках).
Существует метод «безспекловой» DIC, использующий текстуру самого материала (например, текстуру древесины или бетона) вместо нанесённого паттерна, но его точность ниже.

¶Источники

Sutton M.A., Orteu J.J., Schreier H.W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. — Springer, 2009.
Pan B., Qian K., Xie H., Asundi A. Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: a review // Measurement Science and Technology. — 2009. — Vol. 20, № 6.
Власов А.Н., Зеленский В.А. Цифровая корреляция изображений: методы и применения // Известия РАН. Механика твёрдого тела. — 2015. — № 3.
ГОСТ Р 57939-2017 «Композиты. Метод цифровой корреляции изображений для определения механических свойств».
Ресурсы компании Correlated Solutions (Vic-3D) и GOM GmbH (Aramis).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →