Cyfrowa korelacja obrazu

Cyfrowa korelacja obrazu (CKO) to procedura obliczania współrzędnych 2D lub 3D z zarejestrowanych pojedynczych obrazów lub serii obrazów z pojedynczej kamery, kamery stereo lub systemu wielokamerowego. Jeśli akwizycja obrazu jest przeprowadzana przez określony czas, możliwe jest uzyskanie wyników pomiarów przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń w 2D lub 3D. Interpretując lokalne przemieszczenia między współrzędnymi 2D lub 3D, można obliczyć wartości i prędkości odkształceń. Typowe dla wyników CKO jest to, że są one dostępne jako dane pomiarowe całej geometrii powierzchni badanych próbek, bazują na tysiącach współrzędnych 2D lub 3D i charakteryzują się bardzo wysoką rozdzielczością lokalną.

Aby wykonać pomiar CKO, powierzchnia badanych próbek jest zwykle przygotowywana za pomocą odpowiedniego wzoru. Wzory te mogą być nanoszone na przykład za pomocą puszek z aerozolem, pędzli, druku itp. Dopóki wzór przemieszcza się i deformuje wraz z powierzchnią próbki podczas testowania, technika nakładania wzoru odgrywa podrzędną rolę.

Przed wykonaniem testu system CKO jest konfigurowany pod względem odpowiedniego pole widzenia i kalibrowany. W przypadku systemu z pojedynczą kamerą definiowane są parametry dystorsji obiektywu i skalowanie pikseli. W przypadku stereoskopowego lub wielokamerowego systemu CKO dodatkowo wykonywana jest względna orientacja kamer. W dalszej części artykułu skupiono się wyłącznie na systemach kamer stereoskopowycych, ponieważ jest to najczęściej spotykana konfiguracja.

Po konfiguracji i przed rozpoczęciem testu tak zwane obrazy referencyjne lub etap referencyjny są rejestrowane za pomocą lewej i prawej kamery. Te przechwycone obrazy służą jako odniesienie do przemieszczeń i odkształceń dla wszystkich dalszych ocen. Podczas testu akwizycja obrazu jest przeprowadzana w zależności od wymagań testu, tj. częstotliwości akwizycji obrazu, czasu ekspozycji itp.

Macierz fasetek (podzbiorów) o rozmiarze i odległości zależnej od zastosowania jest nakładana na początkowy obraz referencyjny lewej kamery. Matryca ta składa się z tysięcy fasetek. Fasetki są używane do obliczania współrzędnych 3D poprzez ocenę rozkładu wartości szarości w każdej fasetce i ponowną identyfikację na obrazie referencyjnym prawej kamery. Ze środków fasetek na obrazach z lewej i prawej kamery współrzędne 3D są poddawane triangulacji za pomocą danych kalibracji z sensora CKO. Identyfikacja odpowiednich fasetek na obrazach z lewej i prawej kamery oraz na wszystkich obrazach w czasie odbywa się w zakresie subpikseli, co prowadzi do znacznie większej dokładności w porównaniu do samego skalowania pikseli.

Początkowe wyniki CKO to współrzędne 3D z powierzchni próbek w czasie. Odjęcie współrzędnych 3D wszystkich zarejestrowanych etapów w czasie od współrzędnych 3D etapu referencyjnego prowadzi do uzyskania wartości przemieszczenia 3D. Ponadto za pomocą pochodnych czasowych wartości przemieszczenia obliczane są prędkości 3D i przyspieszenia 3D.

Lokalny tensor odkształcenia płaszczyzny, uwzględniający względne przemieszczenia między obliczonymi współrzędnymi 3D, dostarcza pomiary odkształcenia powierzchni w kierunku X i Y, a także odkształcenia podstawowe (odkształcenie główne I i główne II) oraz współczynniki odkształcenia jako pochodne czasowe.

Obecnie CKO jest szeroko stosowana w większości segmentów przemysłu oraz w badaniach i rozwoju na uniwersytetach i w placówkach badawczych. Dzięki bezstykowej zasadzie działania oraz możliwości pomiaru i oceny ruchów, odkształceń, naprężeń, prędkości i przyspieszeń, CKO jest wszechstronnym narzędziem w dziedzinie testowania materiałów i komponentów.

CKO zastępuje tradycyjne urządzenia pomiarowe, takie jak LVDT, tensometry i akcelerometry ze względu na łatwość przygotowania próbki i pomiaru.

Dostępna technologia kamery cyfrowej obsługuje obrazy o wysokiej rozdzielczości i szybkie obrazowanie do częstotliwości 5 MHz, co otwiera więcej możliwości obszarów zastosowań.