DIC aula V3 [Modo de Compatibilidade] - Análise...

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25/05/2017 1 DIC - DIGITAL IMAGE CORRELATION DIC – DIGITAL IMAGE CORRELATION Técnicas ópticas na Mecânica Experimental Fotoelasticidade Interferometria de Moiré Correlação 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

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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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!

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• 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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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

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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

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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

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Imagem DigitalRepresentação discreta

da informação

Interpolação

InterpolaçãoRepresentação continuaPrecisão subpixel

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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

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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

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Configuração das câmeras

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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.