25/05/2017
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DIC - DIGITAL IMAGE CORRELATION
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Técnicas ópticas na Mecânica Experimental
Fotoelasticidade
Interferometria de MoiréCorrelação de Imagens Digitais
Interferometria de Speckle
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
By Prof. Phillip Reu
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
• DIC do inglês Digital Image Correlation.• Desenvolvida na Universidade da Carolina do Sul no início de 1980.• Técnica óptica-numérica para medição de campos medição de
deslocamento e deformação na superfície de um material sujeito a solicitações mecânicas.
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DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Principais características:• Não-destrutiva.• Não-contato.• Campos completos de deslocamento e
deformações.• Alta sensibilidade.• Adequabilidade a diversas condições
experimentais.
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Especificações técnicas:Depende do hardware selecionado
• Tamanhos do campo de mediçãonano, micro e macro escalas
• Câmeras (1 MPixel até 12 MPixel)CCD ou CMOS
Monocromáticas ou coloridas (RGB)• Taxa de medição
1 imagem/s até 5.000.000 imagens/s
• Resolução para medições de deslocamento0,01 Pixel (e.g. 1µm para câmera 1Mpixel → 100mm campo de medição)
• Resolução para medições de deformação≈100 µstrain (0.01%)
Sem regras gerais ...
... cada teste precisa de avaliação previa!
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
• Comparação entre duas imagens da superfície de um corpo de prova, sendo umaobtida antes da deformação e outra no estado deformado.
• sub-conjunto retangular de pixels → subset (janela de correlação)
Principio da Correlação de Imagens Digitais
Padrão aleatório de alto contraste
Padrão de speckle
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A intensidade do pixel não é um característica
exclusiva
Imagem Referência Imagem Deformada
A singularidade do subset só égarantida → padrão aleatório e dealto contraste
Principio da Correlação Digital de Imagens
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DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Principio da Correlação Digital de Imagens
Padrões aleatórios ótimos para correlação
• Uma boa caracterização da superfície do material é fundamentalpara realizar uma medição satisfatoriamente.
• A qualidade do padrão utilizado afeta diretamente os resultados.
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Imagem Referência Imagem Deformada
Subset-based local DIC Method
Funcionamento da Técnica
Subsets devem conter pelo menos 3 dots
Área de interesseÁrea de interesse
SubsetSubset StepStep
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Imagem Referência Imagem Deformada
Subset-based local DIC Method
Funcionamento da Técnica
Princípio do DIC: encontrar a máxima correlaçãoentre regiões do espécime nos estados nãodeformado e deformado
SubsetSubset
Área de interesseÁrea de interesse
Critério de correlação
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Principio da Correlação de Imagens Digitais
Correspondência Interpolação Função de forma
εxx
εyy
εxy
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SSDSum of Squared Differences
Algoritmos de correlação:Correlação cruzada (CC)Soma das diferenças quadráticas (SSD)Soma das diferenças absolutas(SSA)…
Correspondência
CCCCORRELATEDORRELATEDORRELATEDORRELATED SOLUTIONSOLUTIONSOLUTIONSOLUTION....COMCOMCOMCOM
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Critério para escolha do algoritmo de correlação
Qualidade da iluminação
Imagem Referência Imagem Deformada
SD: Afetada por qualquer mudança na iluminação.
NSD: Robusta a mudanças na iluminação (diferenças entre regiões brancas e escuras).
ZNSD: Robusta a mudanças na iluminação (diferenças entre regiões brancas e escuras, e na quantidade de luz).
Complexidade
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Imagem DigitalRepresentação discreta
da informação
Interpolação
InterpolaçãoRepresentação continuaPrecisão subpixel
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
2 22
2 2 2
22 2 2
2 2
'
'
∆ ∆ = + + + ∆ ∆ + ∆ ∆
o
o
u uu u u
xx u xx y x y x y xx y
yy v v v y yv v v
x y x y x y
δ δδ δ δ
δ δ δ δ δ δ
δ δ δ δ δ
δ δ δ δ δ δ
Expansão em Serie de Taylor
Rigid
Affine
Quadratic
Métodos iterativos
Mapeamento dos deslocamentos
Função de forma
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Cálculo das deformaçõesA deformação podem ser calculadas diretamente do campo de deslocamentos medido.
Imagens Deslocamento Deformação
2 1
ε−
= x xxx
u u
L
Deformação calculada por diferenciação :
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Strain windows
Smooting methods:• Mean filtering• Gaussian filtering• Polynomial smoothing• Diffuse approximation• Finite element smoothing• Local polynomial smoothing
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Local polynomial smoothingVirtual Strain GageVSG = [(SW-1) x ST] + 1
SW = Strain windowsST = Step Size
VSG = 13 pixels
Decay filter
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Impacto do VSG
Parâmetros metrológicos:• Resolução.• Resolução espacial.
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Resolução:• menor valor de medição (deslocamento o deformação) que pode ser
detectado acima do nível de ruído.• Medição:
análise de duas imagens do objeto em estado estacionário.
Deslocamento Deformação
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Resolução espacial:• menor distancia de medição entre dos pontos independentes
necessários para realizar uma medição.• Medição:
Difícil de quantificar, não existe metodologia padrão.
Deslocamento Deformação
SR = ((SW-1)ST)+SS
Step
SR = Subset
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Resolução espacial:• Outra definição:
É o menor período sobre o qual um determinado deslocamento ougradiente de deformação imposto é reproduzido com um margem deerro aceitável.
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LOCAL DIC
Medição de gradientes de deformação
GLOBAL DIC SIFT-MESHLESS
(Wittevrongel et al, 2014) (Gonzáles, 2014)
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CONSIDERAÇÕES PRÁTICAS
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• Visão monocular: não é possível determinar o tamanho dos objetos
• Devemos assumir o objeto é planar, paralela e a uma distância
constante do sensor visual durante todo o experimento
MEDIÇÃO BIDIMENSIONAL 2D
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• Muito parecido com a visão humana, dois sensores de imagem
fornecem informações suficientes para perceber o ambiente em três
dimensões
• A reconstrução da estrutura tridimensional do ambiente utilizando
dois sensores de imagem é chamado triangulação estéreo
MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL3D
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• Calibração do sistema
• Obter medidas de posição e tamanho de objetos no ambiente.
• Determinar o que um pixel na imagem corresponde em mm no
ambiente.
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• Processo de calibração
• Placas de calibração com pontos notáveis equidistantes de forma e
tamanhos conhecidos.
• Adquirir pares de imagens de um alvo especial submetidos a
movimentos arbitrários
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
• Correspondência de imagens utilizada para identificar a mesma
região com precisão em todas as câmeras após a deformação:
• Correlação de imagens 2D realizada para identificar regiões
correspondentes em diferentes pontos de vista.
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Métodos de caracterização da superfície
Impressão
Contraste natural
Tinta (spray painting / airbrushing
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Configuração das câmeras
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DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
Configuração das câmeras
1. Abrir a abertura da lente ao máximo para diminuir a profundidade de campo
2. Saturação de luz=> diminuir luz.3. Ajustar o foco da câmera.4. Diminuir a abertura da lente para
incrementar a profundidade de campo5. Imagem escura=> adicionar luz6. Mudanças na abertura ou no foco
→ re-calibrar sistema
Após diminuir abertura da lente
Focalização com máxima abertura da lente
Imagem fora de foco
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• StrainMaster 2D/3D DIC
SOFTWARES COMERCIAIS
• ARAMIS - Optical 3D
Deformation Analysis
• Vic-2D system = $18,000-$22,000 (*)
• Vic-3D system = $50,000-$70,000 (*)
(*) ano 2008
DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
2mm
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DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION
• Referências
• Sutton, M. A., et. al, "Advances in two-dimensional and three-dimensional computer
vision," Photomechanics, Springer, pp. 323-372, 2000.
• L. Wittevrongel, et. al., "A self adaptive global digital image correlation algorithm,"
Experimental Mechanics 55, 361-378 (2014).
• G. Gonzáles and M. Meggiolaro, "Strain field measurements around notches using
SIFT features and meshless methods," Applied optics 54, 4520-4528 (2015).
• P. Lava, “Practical considerations in DIC measurements”,SEM preconference course,
Costa Mesa USA, June 7th, 2015.
• P. Reu. “Virtual Strain Gage Size Study.” Experimental Techniques 39 (5): 1-3, 2015
• P Reu. "Introduction to digital image correlation: Best practices and applications.
“Experimental Techniques 36 (1): 3-4, 2012
• M. Bornert, “Mesure des champs cinématiques par corrélation d'images numériques”,
Ecole Polytechnique, 2007.
• Correlated Solution INC, “Digital Image Correlation: Overview of Principles and
Software “, SEM Workshop, 2009.
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