Метод корреляции фоновых изображений для анализа смещений крупномасштабных поверхностей

В современной науке и технике измерениям деформаций уделяется особая роль. Любой механизм и конструкция в ходе своей эксплуатации подвергается различным видам нагрузки, что, соответственно, вызывает деформацию узлов и элементов. Измерения деформаций становятся очевидной необходимостью, без которой возможны нежелательные последствия вплоть до полного разрушения механизмов и конструкций.

Измерения деформаций производятся множеством различных методов, начиная с простейших механических датчиков, заканчивая сложными топографическими установками, использующими высокоточные оптические системы и когерентные источники света.

Оптические методы измерения деформаций имеют одно несравнимое преимущество перед механическими и пьезоэлектрическими датчиками. Этим преимуществом является бесконтактность проведения измерений. Этот факт означает, что оптические методы не вносят дополнительную погрешность в результаты измерений и позволяют проводить измерение деформаций в более сложных случаях, нежели другие методы.

Все методы можно разделить на две большие группы: методы, использующие тензоэлектрические, пьезоэлектрические и механические датчики и опто-геометрические методы.

Методы первой группы используют тензодатчики, основанные на таких эффектах как тензорезистивный, прямой пьезоэлектрический и некоторых других. Основной принцип работы таких датчиков заключается в изменении параметров чувствительного элемента, таких как электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и тому подобных при его механической деформации. Основной недостаток таких методов заключается в невозможности получить поле деформации на всей поверхности исследуемого объекта, так как измерения происходят локально.

Основными методами второй группы являются: метод делительных сеток, поляризационно-оптический метод, метод голографической и спекл-интерферометрии. Все эти методы бесконтактные и позволяют получить поле деформации на всей поверхности исследуемого объекта. Основными недостатками таких методов является высокая погрешность (метод делительных сеток), необходимость выполнения точных копий исследуемых объектов из специальных материалов (поляризационно-оптический метод), сложность и большая стоимость необходимых специализированных оптических приборов (интерферометрические методы).

Один из перспективных оптических методов измерения деформацийметод корреляции фоновых изображений (МКФИ). Данный метод сочетает в себе простоту экспериментальной установки, использование цифровых методов обработки и низкую погрешность. Эти достоинства позволяют использовать его в натурных экспериментах и производить измерение деформаций на крупномасштабных поверхностях.

В первой главе рассмотрены различные методы измерения деформаций. Приведены результаты, полученные в различных научно-технических работах за последние несколько лет. Эти результаты позволяют оценить современные возможности этих методов.

Рассмотрены как оптические методы: метод делительных сеток, поляризационно-оптический метод, метод чувствительных покрытий, интерференционно-голографический метод, метод спекл-интерферометрии, метод корреляции фоновых изображений. Так и не оптические методыиспользующие датчики на пьезо эффектах, и волоконные датчики.

Метод корреляции фоновых изображений на данный момент является наиболее перспективным для его дальнейшей разработки, так как он обладает низкой погрешностью, простотой экспериментальной установки и основан на современных алгоритмах цифровой обработки изображений. Приведено современно состояние развитие МКФИ.

Во второй главе определена аппаратная функция МКФИ системы, учтено влияние эффекта дискретизации при использовании ПЗС или КМОП матрицы. Проведено математическое моделирование аппаратной функции при разных параметрах системы.

Проведено моделирование картин метода корреляции фоновых изображений с помощью алгоритмов численного интегрирования и численного дифференцирования. Проведено моделирование смещения различного вида, которые могут встречаться в реальных экспериментах.

Разработанная методика моделирования картин метода корреляции фоновых изображений позволяет определить оптимальные параметры будущей экспериментальной установки и параметры обработки для заданных условий экспериментальных исследований до начала их проведения.

В третьей главе рассмотрены основы цифровой обработки картин метода корреляции фоновых изображений, приведены основные этапы обработки и принципы кросскорреляционной обработки. Рассмотрены принципы использования алгоритмов быстрого фурье-преобразования в цифровой кросскорреляционной обработке.

Рассмотрены теоретические вопросы калибровки цифровых камер для диагностики ЗБ смещений, приведены основные подходы к проведению процедуры калибровки. Выбран алгоритм и модель для проведения процедуры калибровки, рассмотрен вопрос автоматизации данной процедуры с помощью алгоритма преобразования Хафа.

Приведено созданное программное обеспечение, позволяющее проводить обработку картин метода корреляции фоновых изображений, проводить процедуру калибровки по стереопарам, а так же проводить автоматизированный поиск прямых на изображениях с помощью преобразования Хафа.

В четвертой главе проведены экспериментальные лабораторные исследования по применению метода корреляции фоновых изображений для анализа смещений. Исследования позволяют говорить о возможности получения, как количественных характеристик смещений поверхности, так и 6 о возможностях их визуализации. Результаты эксперимента позволяют говорить о возможности применения МКФИ в натурных исследованиях и исследованиях быстропеременных смещений. Погрешность метода в данных исследованиях составила менее 3%.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Цель работы. Разработка и исследование метода корреляции фоновых изображений для анализа смещений крупномасштабных поверхностей. Решение данной задачи потребовало:

• провести анализ контактных и бесконтактных методов измерения деформаций поверхности;

• разработать теоретические основы метода, а также алгоритм моделирования картин метода корреляции фоновых изображений;

• провести моделирование картин метода корреляции фоновых изображений для различных видов смещений;

• по разработанной теории и результатам моделирования произвести компьютерный подбор параметров экспериментальной установки;

• с учетом подобранных параметров разработать экспериментальную установку для проведения лабораторных исследований по применению метода корреляции фоновых изображений для получения численных результатов и картин визуализации;

• разработать алгоритм обработки картин метода корреляции фоновых изображений с учетом перспективной проекции и конечной величины глубины резкости изображаемого пространства и реализовать его в виде программного обеспечения;

• разработать алгоритм проведения калибровки для измерения ЗБ смещений, а также алгоритм автоматизации определения прямолинейных структур на изображениях и реализовать их в виде программного обеспечения;

• разработать экспериментальную установку для проведения лабораторных исследований по применению метода корреляции фоновых изображений для анализа ЗD смещений;

• провести лабораторные исследования по применению метода корреляции фоновых изображений для измерения смещений.

Научная новизна работы:

• Разработана теория метода корреляции фоновых изображений и получена аппаратная функция системы.

• Разработаны алгоритмы и программная реализация компьютерного моделирования картин метода корреляции фоновых изображений для различных типов смещений поверхности.

• Реализован алгоритм расчета калибровочных матриц, а также алгоритм автоматизации проведения калибровки на основе преобразования Хафа.

• Создан программно-аппаратный комплекс измерения смещений поверхности в реальном масштабе времени на основе метода корреляции фоновых изображений.

Практическая ценность работы. Разработанные методы и алгоритмы обработки картин метода корреляции фоновых изображений применимы для построения оптоэлектронных комплексов определения смещения различных поверхностей, позволяющих проводить измерения в лабораторных и натурных экспериментах, в режиме реального времени.

Разработанное специализированное программное обеспечение позволяет проводить калибровку цифровых видеокамер для последующего проведения экспериментов по измерению ЗБ смещений.

Личный вклад автора. Автором была получена аппаратная функция МКФИ системы, разработаны алгоритмы моделирования и обработки картин МКФИ, калибровки нескольких камер по получаемым изображениям, нахождения прямых для последующей автоматизации проведения калибровки. Разработанные алгоритмы были реализованы автором в виде программного обеспечения для персонального компьютера. Совместно с сотрудниками кафедры физики им. В. А. Фабриканта были проведены экспериментальные исследования.

Внедрение. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 годы (госконтракт № П1936 от 29.10.2009 г. и госконтракт № 02.740.11.0449 от 30.09.2009), международных 8 проектов Евросоюза (6-ая и 7-ая рамочные программы), проект АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.2.2.2/10 404). Результаты работы были использованы при создании программного средства учебного назначения для лабораторной работы по курсу «Автоматизация оптического эксперимента» для студентов, обучающихся по специальности «Квантовая и оптическая электроника».

Достоверность полученных результатов:

Тестирование программного обеспечения для обработки картин метода корреляции фоновых изображений проводилось путем сравнения результатов с программным обеспечением, широко использующимся для кросскорреляционной обработки изображений. Оно показало совпадение результатов в пределах допустимой погрешности машинных вычислений.

Результаты процедуры калибровки по изображениям мишени при обратном расчете трехмерных координат точки по стереопаре показали погрешность не превышающую 5%.

Сравнение результатов, получаемых при обработке экспериментальных картин метода корреляции фоновых изображений, с контрольными значениями измеряемых величин показало совпадение результатов с погрешностью не превышающей 3%.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2008 по 2011 г. г.:

14, 15, 17 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), 2008;2011 г. г.

4-rd International conference on Laser Optics for Young ScientistsSt. Petersburg, 2008 r.

X, XI Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков" — Москва, 2009, 2011 г. г.

52-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Долгопрудный, 2009 г.

20-ая Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2010 г.

III Международная научно-техническая конференция Авиадвигатели XXI века, Москва, 2010 г.

Научная сессия НИЯУ МИФИ — 2011. Научно-техническая конференциясеминар по фотонике и информационной оптике, Москва, 2011 г.

XIX Международная Конференция Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии, Новороссийск, 2011 г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 1 статья — в реферируемом журнале, без соавторов — 4 работы, а также в 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков, 9 таблиц, 48 наименования списка литературы.

4.4 Выводы по главе.

Были проведены экспериментальные тестовые исследования по применению метода корреляции фоновых изображений для анализа смещений. Первым исследованием послужило определение угла поворота жесткой пластины. Результаты эксперимента позволяют говорить о возможности применения МКФИ в натурных исследованиях. Погрешность метода в данном случае составила менее 3%.

Вторым исследованием стала визуализация быстропеременных смещений мембраны при контакте со снарядом. Полученные результаты позволяют сделать вывод о применимости метода для аналиаз быстропеременных смещений, частота которых может превышать 1000 Гц.

Третье исследование заключалось в восстановлении ЗБ поверхности гибкой металлической пластины с помощью двух цифровых видеокамер. Представлены полученные трехмерные восстановленные профили пластины. Полученные результаты позволяют говорить о возможности исследований ЗЭ смещений с применением метода корреляции фоновых изображений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе первой главы были рассмотрены различные методы измерения деформаций. Приведены результаты, полученные в различных научно-технических работах за последние несколько лет. Эти результаты позволяют оценить современные возможности этих методов.

Были рассмотрены как оптические методы: метод делительных сеток, поляризационно-оптический метод, метод чувствительных покрытий, интерференционно-голографический метод, метод спекл-интерферометрии, метод корреляции фоновых изображений. Так и не оптические методыиспользующие датчики на пьезо эффектах, и волоконные датчики.

На погрешность метода делительных сеток влияет технологические ограничения на несения сетки механическим путем, так же он не применим на многих натурных объектах. Поляризационно-оптический метод и метод чувствительных покрытий требует сложного оптического оборудования, и не позволяют измерять непосредственно изменения линейных размеров исследуемых объектов. Интерферометрические методы, хоть и обладают самой низкой погрешностью, требуют дорогостоящего и сложного в эксплуатации оборудования. Таким образом, метод корреляции фоновых изображений на данный момент является наиболее перспективным для его дальнейшей разработки, так как он обладает низкой погрешностью, простотой экспериментальной установки и основан на современных алгоритмах цифровой обработки изображений.

В ходе второй главы была определена аппаратная функция МКФИ системы, учтено влияние эффекта дискретизации при использовании ПЗС или КМОП матрицы. Проведено математическое моделирование аппаратной функции при разных параметрах системы.

Было проведено моделирование картин метода корреляции фоновых изображений с помощью алгоритмов численного интегрирования и численного дифференцирования. Были проведено моделирование различного вида смещений, которые могут встречаться в реальных экспериментах.

Результаты обработки смоделированных картин дали хорошее совпадение с рассчитанными значениями (погрешность составила менее 1 пикселя). Таким образом, разработанная методика моделирования картин метода корреляции фоновых изображений позволяет определить оптимальные параметры будущей экспериментальной установки и параметры обработки для заданных условий экспериментальных исследований до начала их проведения.

В ходе третьей главы были рассмотрены основы цифровой обработки картин метода корреляции фоновых изображений, приведены основные этапы обработки и принципы кросскорреляционной обработки. Рассмотрены принципы использования алгоритмов быстрого фурье-преобразования в цифровой кросскорреляционной обработке.

Рассмотрены теоретические вопросы калибровки цифровых камер для аналиаз ЗЭ смещений, приведены основные подходы к проведению процедуры калибровки. Выбран алгоритм и модель для проведения процедуры калибровки, рассмотрен вопрос автоматизации данной процедуры с помощью алгоритма преобразования Хафа.

Приведено созданное программное обеспечение, позволяющее проводить обработку картин метода корреляции фоновых изображений, проводить процедуру калибровки по стереопарам, а так же проводить автоматизированный поиск прямых на изображениях с помощью преобразования Хафа.

В ходе четвретой главы были проведены экспериментальные тестовые исследования по применению метода корреляции фоновых изображений для анализа смещений. Первым исследованием послужило определение угла поворота жесткой пластины. Результаты эксперимента позволяют говорить о возможности применения МКФИ в натурных исследованиях. Погрешность метода в данном случае составила менее 3%.

Вторым исследованием стала визуализация быстропеременных смещений мембраны при контакте со снарядом. Полученные результаты позволяют сделать вывод о применимости метода для аналиаз быстропеременных смещений, частота которых может превышать 1000 Гц.

Третье исследование заключалось в восстановлении ЗБ поверхности гибкой металлической пластины с помощью двух цифровых видеокамер. Полученные результаты позволяют говорить о возможности исследований ЗБ смещений с применением МКФИ.