Цифровая корреляция изображений

Цифровая корреляция изображений (англ. Digital Image Correlation, DIC) — это бесконтактный оптический метод измерения деформаций, перемещений и напряжений на поверхности твёрдых тел. Метод основан на анализе цифровых изображений, полученных до и после нагружения объекта, и сопоставлении текстурных особенностей (спекл-структур) на этих изображениях. DIC позволяет получать поля перемещений и деформаций с высокой точностью (до 0,01 пикселя) и разрешением, что делает его востребованным в экспериментальной механике, материаловедении, строительстве и биомеханике.

История развития

Метод цифровой корреляции изображений был разработан в начале 1980-х годов исследователями из Университета Южной Каролины (США) — Уильямом Питерсом и его коллегами. Первоначально он применялся для анализа деформаций в образцах из полимеров и металлов при статических испытаниях. В 1985 году группа под руководством Майкла Саттона (Michael Sutton) предложила алгоритм, основанный на корреляции подмножеств изображений, что позволило автоматизировать обработку данных. В 1990-е годы с развитием цифровых камер и вычислительной техники DIC стал доступен для широкого круга исследователей. В России первые работы по DIC относятся к началу 2000-х годов, когда метод начали применять в Институте проблем механики РАН и МГУ имени М. В. Ломоносова для изучения деформаций в композиционных материалах и горных породах.

Принцип работы

Основная идея DIC заключается в отслеживании перемещений характерных точек на поверхности объекта, которые образуют случайную или нанесённую искусственно спекл-структуру. Процесс включает несколько этапов:

1. Подготовка поверхности. На объект наносят контрастный рисунок (спекл-паттерн) — обычно чёрные точки на белом фоне или наоборот. Размер и плотность спеклов выбираются в зависимости от разрешения камеры и ожидаемых деформаций.
2. Съёмка. Объект фотографируют в исходном состоянии (референсное изображение) и после каждого этапа нагружения. Для трёхмерных измерений используют две или более камер, расположенных под углом друг к другу (стерео-DIC).
3. Корреляция. Изображения разбиваются на небольшие области (подмножества, обычно 15×15 или 31×31 пикселей). Алгоритм ищет для каждого подмножества на деформированном изображении наиболее похожее подмножество на референсном изображении, используя функцию корреляции (например, нормализованную взаимную корреляцию).
4. Расчёт перемещений. По смещению центра каждого подмножества вычисляются векторы перемещений в пикселях. Для перевода в физические единицы (миллиметры) используется калибровка камеры.
5. Вычисление деформаций. На основе градиентов поля перемещений рассчитываются компоненты тензора деформаций (продольные, поперечные, сдвиговые).

Классификация методов DIC

По размерности

• 2D-DIC — измерение деформаций в плоскости поверхности. Требует одной камеры, расположенной перпендикулярно объекту. Применим для плоских образцов при малых поворотах.
• 3D-DIC (стерео-DIC) — измерение трёхмерных перемещений и деформаций на криволинейных поверхностях. Использует две или более камер, что позволяет реконструировать форму объекта и учитывать его изгиб.
• Объёмная DIC (Volumetric DIC) — применяется для анализа внутренних деформаций в прозрачных или рентгенопрозрачных материалах (например, с помощью компьютерной томографии). Позволяет получать трёхмерные поля деформаций внутри образца.

По типу спекл-структуры

• С естественной текстурой — используется текстура поверхности самого материала (например, древесина, бетон, ткань). Требует достаточной контрастности и случайности рисунка.
• С искусственным спекл-паттерном — на поверхность наносят краску, аэрозоль или лазерную разметку. Обеспечивает более высокую точность и воспроизводимость.
• С цифровым паттерном — изображение проецируется на объект с помощью проектора (например, структурированный свет). Применяется в микро- и наномасштабах.

Оборудование и программное обеспечение

Для проведения измерений DIC требуется:

• Цифровые камеры — высокоскоростные (до 1000 кадров/с для динамических испытаний) с разрешением от 1 до 50 мегапикселей. Для стереосъёмки — синхронизированные камеры.
• Осветители — равномерное освещение без бликов (обычно светодиодные панели).
• Спекл-паттерн — аэрограф, краска или трафарет.
• Калибровочные объекты — шахматные доски или пластины с известными размерами.
• Компьютер с ПО — специализированные программы, такие как VIC-2D/3D (Correlated Solutions), DaVis (LaVision), GOM Correlate (Zeiss), а также открытые решения (например, Ncorr для MATLAB, PyDIC).

В России разработкой ПО для DIC занимаются, в частности, в Институте автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск) и компании «ТЕСИС» (Москва), которая предлагает систему «ТесИС-Корреляция».

Применение

Механика материалов

DIC широко используется для определения механических свойств материалов: модуля упругости, предела текучести, коэффициента Пуассона. Метод позволяет измерять деформации в зонах концентрации напряжений (например, у отверстий или трещин) и изучать процессы разрушения — рост трещин, расслоение композитов, пластическую деформацию.

Строительство и машиностроение

В строительстве DIC применяют для контроля деформаций мостов, зданий и трубопроводов при нагрузочных испытаниях. В машиностроении — для анализа напряжённо-деформированного состояния деталей (лопаток турбин, корпусов, рельсов) при статических и циклических нагрузках.

Биомеханика

Метод используется для изучения деформаций биологических тканей: костей, сухожилий, кожи, хрящей. Например, DIC позволяет оценить жёсткость костных имплантатов или поведение мягких тканей при растяжении.

Микро- и нанотехнологии

С помощью микроскопии DIC применяется для измерения деформаций в микроэлектромеханических системах (МЭМС), тонких плёнках и нанокомпозитах. Разрешение метода в этом случае достигает нанометров.

Динамические испытания

Высокоскоростные камеры (до 100 000 кадров/с) позволяют регистрировать деформации при ударных нагрузках, взрывах или падениях. DIC используется для изучения поведения материалов при высоких скоростях деформации (например, в баллистике).

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Бесконтактность — не влияет на механические свойства образца.
• Высокая точность и пространственное разрешение.
• Возможность получения полных полей деформаций (а не только в точках).
• Применимость к широкому спектру материалов (металлы, полимеры, керамика, композиты, биоткани).
• Работа при высоких и низких температурах (с использованием тепловизоров или специальных камер).

Ограничения

• Необходимость нанесения спекл-паттерна на поверхность (для материалов без естественной текстуры).
• Чувствительность к освещению и бликам.
• Ограниченная точность при больших деформациях (более 50 %) из-за потери корреляции.
• Требовательность к вычислительным ресурсам при обработке больших массивов данных.
• Невозможность измерения внутренних деформаций без использования томографии.

Интересные факты

• В 2010-х годах DIC был применён для анализа деформаций знаменитой статуи Давида Микеланджело при транспортировке — метод позволил выявить микротрещины в мраморе.
• В космической отрасли DIC используется для испытаний теплозащитных плиток на космических кораблях (например, в NASA).
• В России метод DIC активно применяется в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) для изучения деформаций в наноструктурированных материалах.

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.
• Schreier H., Braasch J., Sutton M. A. Systematic errors in digital image correlation caused by intensity interpolation // Optical Engineering. — 2000. — Vol. 39, № 11.
• ГОСТ Р 57984-2017 «Композиты. Определение деформаций методом цифровой корреляции изображений».
• Материалы конференций «Экспериментальная механика» (Москва, 2018–2023).