Metoda Cyfrowej Korelacji Obrazu do polowych pomiarów przemieszczeń i odkształceń

Dysponent: Politechnika Warszawska.

Kontakt: prof. dr hab. Robert Sitnik 

Opis metody

Metoda Cyfrowej Korelacji Obrazu (CKO) umożliwia pomiar przemieszczeń w płaszczyźnie i poza-płaszczyznowych oraz obliczenie odkształceń obiektu wynikających z obciążenia siłami zewnętrznymi (np. naciąg płótna, drgania w trakcie transportu) oraz środowiskowymi (zmiana wilgotności, temperatury, ciśnienia środowiska w którym znajduje się obiekt). Pomiar polega na wykonaniu serii zdjęć przed obciążeniem i po obciążeniu badanego obiektu. Powierzchnia badanego obiektu musi posiadać pewną losową teksturę (strukturę plamkową). Typowo w pomiarach obiektów inżynierskich teksturę taką należy nanieść na obiekt przed rozpoczęciem pomiarów co w większości przypadków dzieł sztuki nie jest akceptowalne, ta może być np. naturalną teksturą obrazu malarskiego, w postaci intensywnego zróżnicowania kolorystycznego i/lub wyraźnego duktu pędzla (rys. 1). Jeden z obrazów w serii jest wybierany jako obraz referencyjny do wszystkich następnych analiz. Obraz referencyjny jest dzielony na małe prostokątne regiony – zwane subsetami. Algorytm CKO śledzi pozycję każdego subsetu z obrazu referencyjnego we wszystkich pozostałych obrazach serii pomiarowej. Znajdowanie subsetów odbywa się poprzez obliczanie współczynnika korelacji wzajemnej. Dla każdego subsetu obliczane są wektory przemieszczeń w płaszczyźnie (u i v), wykorzystując triangulacje wyznaczane są przemieszczenia poza-płaszczyznowe (w). Dzięki zastosowaniu metod interpolacji osiągana jest dokładność subpikselowa. Dane wyjściowe stanowi zbiór map przemieszczeń, które następnie mogą być wykorzystane do obliczeń map odkształceń w płaszczyźnie (ε_xx,ε_yy).

Zastosowanie

Głównym zastosowaniem metody CKO w dziedzinie badania obiektów zabytkowych jest pomiar obrazów malarskich oraz trójwymiarowych obiektów drewnianych (rzeźby). Wykorzystanie metody CKO umożliwia:

• wykrycie niebezpieczeństwa wystąpienia pęknięcia w strukturze materiału, poprzez lokalizacje koncentracji naprężeń,
• wybór najlepszej metody naprawy konserwatorskiej, poprzez badanie zamodelowanych próbek.
• monitorowanie wpływy zmian środowiskowych na zmiany w obiekcie (odkształcenia i deformacje)

Metoda CKO może zostać wykorzystana do pomiaru obiektów rzeczywistych lub sztucznie przygotowanych próbek, symulujących zachowanie obiektu w warunkach ekstremalnych (np. nagła skokowa zmiana współczynnika wilgotności lub temperatury, względnie duże wibracje).

Instrument

System CKO 3D składa się z dwóch kamer cyfrowych, oświetlacza LED (oświetlenie to nie nagrzewa badanego obiektu) i komputera sterującego. System może być ustawiony na przenośnym statywie fotograficznym lub stole optycznym. Badany obiekt obserwowany jest z wykorzystaniem kamer cyfrowych z wymiennymi obiektywami, dzięki czemu pole pomiarowe oraz dokładność metody jest skalowalna. Parametry systemu pomiarowego to:

Parametr	Wartość
pole pomiarowe	od kilku cm2 do kilku m2
dokładność pomiaru przemieszczeń	od kilku µm do kilku mm
częstotliwość zbierania danych	typowo 15Hz,  z zastosowaniem szybkich kamer do 1 kHz

Warunki badania

Pomiar może być przeprowadzony w warunkach laboratoryjnych (np. z wykorzystaniem komory klimatycznej) lub in-situ. W przypadku pomiarów poza-laboratoryjnych wymagany jest stabilny postument, na którym będzie (jest) umieszczony badany obiekt i system pomiarowy. Bezpośrednio przed obiektem wymagana jest wolna przestrzeń min. 1 m.  Korzystne jest, aby w miejscu prowadzenia pomiarów warunki oświetlenia były stabilne lub aby było dozwolone oświetlenie dodatkowe (oświetlacz niskotemperaturowy (diodowy)). W miejscu badania musi być dostępne źródło zasilania w postaci pojedynczego, typowego gniazda 230 V z uziomem.

Format wyników pomiarów

Wyniki pomiarów są chmurami punktów w przestrzeni 3D, na których zakodowany jest kształt niosący informacje o wartości wybranego parametru, którym może być składowa przemieszczeń lub odkształceń. Chmury punktów mogą być wizualizowana w przestrzeni 3D lub zmapowana na zdjęcie badanego obiektu. W przypadku płaskich obiektów (płótno malarskie) wyniki przedstawiane są w postaci map dwuwymiarowych w których mierzona wielkość zakodowana jest w postaci barwy (lub szaroodcieniowo). Na Rys.3a przedstawiono przykładowe mapy przemieszczeń u, v, w, które odpowiadają odpowiednio przemieszczeniom każdego punktu obiektu w kierunku x i y (w płaszczyźnie obiektu) i z (pozapłaszczyznowo). Mapy przemieszczeń u i v przeliczyane są, w następnym etapie analizy, na mapy odkształceń ε_xx, ε_yy i γ_xy.

Dane pomiarowe można eksportować do plików „.csv”  jako pełne chmury punktów, lub z wybranego punktu/przekroju. Przykład wizualizacji zmian przemieszczeń w wybranym przekroju w funkcji czasu (i zmian wilgotności) przedstawiono na Rys.3b.

Publikacje z wynikami prac z prezentowanej dziedziny

1. K. Malowany, L. Tymińska-Widmer, M. Malesa, M. Kujawinska, P. Targowski, B. Rouba, “The application of 3D digital image correlation to track displacements and strains of canvas paintings exposed to relative humidity changes”, Applied Optics, vol. 53, no. 9, pp. 1739-1749, 2014.
2. M. Malesa, K. Malowany, L. Tymińska-Widmer, E. A. Kwiatkowska, M. Kujawińska, B. J. Rouba, P. Targowski, “Application of digital image correlation (DIC) for tracking deformations of paintings on canvas”, Proc. SPIE 8084, 80840L, 2011.
3. M. Kujawinska, M. Malesa, K. Malowany, A. Piekarczuk, L. Tymińska-Widmer, and P. Targowski, “Digital image correlation method: a versatile tool for engineering and art structures investigations,” Proc. SPIE 8011, 80119R, 2011.
4. L. Tyminska-Widmer, K. Malowany, M. Malesa, B. J. Rouba, M. Kujawińska, and P. Targowski, “Digital image correlation (DIC) as a novel tool for monitoring response of canvas paintings to variations in environmental conditions,” in Book of Abstracts, Indoor Air Quality, 10th International Conference Indoor Air Quality in Heritage and Historic Environments “Standards and Guidelines” (UCL Centre for Sustainable Heritage, 2012), p. 110.
5. http://www.ucl.ac.uk/iaq2012/documents/IAQ2012_Book_of_Abstracts_on‑line.pdf