Стерео-DIC¶

Стерео-DIC (стерео-корреляция цифровых изображений, также 3D-DIC, от англ. Digital Image Correlation) — это бесконтактный метод оптических измерений, позволяющий определять трёхмерные поля перемещений и деформаций на поверхности объектов. Метод основан на анализе цифровых изображений, полученных с двух или более камер, и последующей корреляции яркостных характеристик для вычисления пространственных координат точек поверхности.

¶Принцип работы

Стерео-DIC объединяет два ключевых подхода: цифровую корреляцию изображений (DIC) и стереозрение. Цифровая корреляция изображений позволяет отслеживать перемещения характерных точек (пикселей) на поверхности объекта между двумя последовательными кадрами, полученными в разные моменты времени. Стереозрение, в свою очередь, даёт возможность восстанавливать трёхмерные координаты этих точек за счёт триангуляции — расчёта положения точки в пространстве по её проекциям на изображениях с двух камер, расположенных под известным углом друг к другу.

¶Этапы измерений

Подготовка поверхности. Для корректной работы метода на поверхность объекта наносится случайный или регулярный контрастный рисунок (спекл-паттерн). Обычно это делается с помощью аэрографа или трафарета — на белую основу наносятся чёрные точки, либо наоборот. Размер и плотность точек подбираются так, чтобы они были различимы на изображениях с камер.
Калибровка системы. Перед началом измерений проводится калибровка стереопары камер. Для этого используется специальная калибровочная мишень (например, шахматная доска или массив точек с известными расстояниями). По серии снимков мишени в разных положениях вычисляются внутренние (фокусное расстояние, дисторсия) и внешние (взаимное расположение камер) параметры.
Съёмка процесса. Камеры синхронно регистрируют изображения поверхности объекта в процессе его нагружения (механического, термического, вибрационного и т.д.). Частота съёмки может варьироваться от единиц кадров в секунду до тысяч (для динамических процессов).
Обработка изображений. Специализированное программное обеспечение разбивает каждое изображение на небольшие участки — подмножества (фацеты, обычно размером от 15×15 до 31×31 пикселя). Для каждого подмножества на первом (недеформированном) изображении ищется наиболее похожее подмножество на последующих кадрах. Критерием сходства служит корреляционная функция (например, нормализованная взаимная корреляция). По смещению подмножества в пикселях и с учётом калибровки вычисляются трёхмерные координаты соответствующей точки поверхности.
Расчёт деформаций. По полю перемещений (смещению каждой точки относительно исходного положения) численным дифференцированием вычисляются компоненты тензора деформаций (продольные, поперечные, сдвиговые). Результаты представляются в виде карт (контурных графиков) на трёхмерной сетке объекта.

¶История

Истоки метода лежат в работах по цифровой обработке изображений и стереофотограмметрии, активно развивавшихся с 1960-х годов. Первые работы по цифровой корреляции изображений для измерения деформаций были опубликованы в 1980-х годах (например, Sutton et al., 1983). Однако практическое применение стерео-DIC стало возможным только с развитием цифровых камер высокого разрешения, мощных компьютеров и эффективных алгоритмов корреляции.

В 1990-х годах были разработаны первые коммерческие системы, а в 2000-х метод стал широко внедряться в научные лаборатории и промышленность. Ключевыми вехами стали:

1989 год — первая демонстрация трёхмерного DIC для измерения деформаций плоских образцов.
1996 год — создание первой коммерческой системы 3D-DIC компанией GOM (Германия, ныне часть Zeiss).
2000-е годы — разработка методов для высокоскоростной съёмки (до 100 000 кадров/с) и микро- и наномасштабных измерений (с использованием оптических и сканирующих микроскопов).
2010-е годы — интеграция DIC с другими методами (термография, акустическая эмиссия, рентгеновская томография), появление открытых программных пакетов (например, Ncorr, DICe).

¶Преимущества и ограничения

¶Преимущества

Бесконтактность. Метод не влияет на механические свойства объекта и позволяет измерять деформации на мягких, хрупких или высокотемпературных материалах.
Полнота данных. В отличие от тензодатчиков, дающих информацию только в отдельных точках, стерео-DIC даёт карту деформаций по всей поверхности.
Высокая чувствительность. Типичная точность измерения перемещений составляет 0,01–0,05 пикселя, что при размере поля зрения 100 мм соответствует точности порядка 1–5 мкм.
Применимость к сложным формам. Метод работает на криволинейных поверхностях, в том числе на образцах с вырезами, отверстиями, сварными швами.
Совместимость с динамическими испытаниями. При использовании высокоскоростных камер возможно измерение деформаций при ударе, взрыве, вибрации.

¶Ограничения

Необходимость подготовки поверхности. Нанесение спекл-паттерна может быть затруднено на очень малых объектах (менее 1 мм) или в условиях вакуума/высокой температуры.
Чувствительность к освещению. Для стабильной корреляции требуется равномерное, не бликующее освещение. Изменение освещения во время испытания (например, при нагреве) может привести к ошибкам.
Ограниченная глубина резкости. При больших деформациях или перемещениях объект может выйти из фокуса, что снижает точность.
Вычислительная сложность. Обработка больших массивов изображений (особенно при высокоскоростной съёмке) требует мощных компьютеров и может занимать много времени.
Зависимость от размера подмножества. Слишком маленькие подмножества дают высокий шум, слишком большие — сглаживают локальные деформации.

¶Применение

Стерео-DIC широко используется в различных областях науки и техники:

¶Механика материалов и конструкций

Испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение для определения модуля упругости, предела текучести, коэффициента Пуассона.
Исследование процессов разрушения (трещиностойкость, рост трещин, усталость).
Измерение деформаций в композитных материалах, полимерах, металлах, керамике, бетоне.

¶Биомеханика

Измерение деформаций костей, суставов, мягких тканей (например, при разработке эндопротезов).
Анализ деформаций кожи, мышц, сухожилий в ортопедии и спортивной медицине.

¶Авиа- и автомобилестроение

Испытания кузовов, крыльев, фюзеляжей на прочность и жёсткость.
Валидация конечно-элементных моделей (сравнение расчётных и экспериментальных полей деформаций).
Исследование деформаций при краш-тестах.

¶Геомеханика и геология

Измерение деформаций горных пород, грунтов, бетонных плотин.
Мониторинг оползней, обрушений, деформаций зданий и сооружений.

¶Микро- и нанотехнологии

Измерение деформаций в микроэлектромеханических системах (МЭМС), тонких плёнках, мембранах.
Исследование механических свойств отдельных волокон, нитей, микрокапсул.

¶Интересные факты

Стерео-DIC позволяет измерять деформации не только на поверхности, но и в объёме — при использовании рентгеновской томографии (томо-DIC) или цифровой объёмной корреляции (DVC).
Метод может быть реализован с использованием одной камеры и зеркальной системы (монокулярный DIC), но это ограничивает точность и диапазон измерений.
В 2020-х годах активно развиваются методы глубокого обучения для автоматического распознавания спекл-паттернов и ускорения обработки изображений.
Для высокотемпературных испытаний (до 2000 °C) используются специальные спекл-паттерны из оксидов металлов (например, оксид алюминия) и камеры с фильтрами, отсекающими тепловое излучение.

¶Критика и альтернативы

Основные критические замечания к стерео-DIC связаны с его чувствительностью к качеству спекл-паттерна и освещению, а также с необходимостью тщательной калибровки. В некоторых случаях альтернативой может служить метод голографической интерферометрии (обеспечивает более высокую чувствительность, но требует виброизоляции) или метод тензометрии с использованием волоконных брэгговских решёток (работает в условиях высоких температур и радиации, но даёт только точечные данные).

¶Источники

Sutton, M. A., Orteu, J. J., & Schreier, H. W. (2009). Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements: Basic Concepts, Theory and Applications. Springer.
Pan, B. (2018). Digital image correlation for surface deformation measurement: historical developments, recent advances and future directions. Experimental Mechanics, 58(5), 661–677.
Reu, P. L. (2012). Introduction to Digital Image Correlation: Best Practices and Applications. Experimental Techniques, 36(1), 3–4.
ГОСТ Р 8.748-2011 «Измерения деформаций методом цифровой корреляции изображений. Общие требования».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →