Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

УДК 681.789

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Метод та інформаційно-вимірювальна система кореляційного аналізу спекл-зображень поверхонь матеріалів

05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи

Сахарук Олександр Миколайович

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України. спекл кореляція цифровий

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Муравський Леонід Ігорович завідувач відділу оптико-електронних інформаційних систем Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович завідувач кафедри метрології і промислової автоматики Вінницького національного технічного університету, Вінниця

доктор технічних наук, професор Русин Богдан Павлович завідувач відділу методів та систем обробки, аналізу та ідентифікації зображень Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра метрології, стандартизації та сертифікації

Захист відбудеться “ 22 ” червня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.226.01 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий “_22_” _травня_ 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., ст.н.с. Погребенник В.Д.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В останні десятиліття у зв'язку з поєднанням приладів і елементів оптоелектронної техніки, зокрема, твердотільних відеокамер, швидкодіючих просторово-часових модуляторів світла, мініатюрних лазерних систем з сучасними комп'ютерами та системами цифрової обробки зображень, включаючи їх програмне та апаратне забезпечення, широкого розвитку набувають оптичні методи дослідження поверхонь матеріалів. Дані методи використовують як для вимірювання переміщень та деформацій поверхонь різноманітних матеріалів, так і для якісної оцінки поверхонь деталей та виробів. Серед цих методів найбільш поширеними є електронна спекл-інтерферометрія (ЕСІ), ширографія та цифрова спекл-кореляція (ЦСК).

Методи електронної спекл-інтерферометрії дозволяють реєструвати тривимірні поля переміщень оптично шорстких поверхонь за кожною просторовою координатою окремо, в діапазоні від декількох нанометрів до десятків мікрон. Однак, ці методи є дуже чутливі до вібрацій, вплив яких можна зменшити, використовуючи ширографію. На відміну від методів ЕСІ та ширографії, в методах ЦСК відсутня фазова складова оптичної хвилі, що призводить до зменшення впливу вібрацій і дозволяє вимірювати більші величини переміщень, ніж при використанні методів ЕСІ та ширографії. Крім того, завдяки використанню алгоритмів визначення положення кореляційних піків з субпіксельним розділенням, методи ЦСК дозволяють вимірювати переміщення поверхонь матеріалів у діапазоні від долей мікрон до декількох сотень мікрон.

Значний внесок у розвиток методів спекл-кореляції було здійснено І. Ямагучі, М. Саттоном, Д. Ченом, Ф. Чіангом, М. Сьодалом, Л. Бенкертом, К. Хінчом, Т. Фріке-Бегеманом, С. Грантхамом, С.В. Паніним та іншими. Переважна більшість праць присвячена цифровій спекл-кореляції, де обробка спекл-зображень здійснюється цифровими методами. На оптичні методи спекл-кореляції, незважаючи на їх великі потенційні можливості, не звертали достатньої уваги. Так, Е. Маром, Енкінс, Д. Вагнер, Д. Зіглер, К. Хінч, Р. Тріпаті, К. Сінх досліджували лише переміщення поверхні усього твердого тіла, використовуючи при цьому архітектури оптичних кореляторів. У звязку з цим, розроблені методи оптичної спекл-кореляції, незважаючи на високу швидкодію і паралельність обчислень, не дозволяли формувати просторові поля поперечних переміщень і деформацій ділянок поверхні на відміну від методів ЦСК.

Створення нових методів і систем кореляційного аналізу спекл-зображень поверхонь матеріалів, які дозволять скоротити об'єми обчислень, отримати двовимірне поле переміщень, а також підвищити точність вимірювання переміщень поверхні за рахунок покращення інформаційних параметрів кореляційних сигналів, зокрема, звуження кореляційного піка, збільшення його крутизни, зменшення рівня шумів, та підвищення відношення пік/шум (ВПШ), на даний час є досить актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках держбюджетних тем: НД-24/226 “Розробка методів і систем формування, обробки та інтерпретації електронних спекл-інтерферограм для контролю стану поверхні конструкційних матеріалів” у 2002-2003 р. (номер державної реєстрації 0101U004856), НД-2.2/280 “ Розроблення методів спекл-кореляції та оптико-цифрового пристрою для неруйнівного контролю поверхонь листових конструкційних елементів” у 2004-2006 рр., НД-24/272 “ Розроблення нових інформаційних технологій спекл-кореляції і фазозсувної спекл-інтерферометрії для дослідження напружено-деформованого стану поверхонь зразків конструкційних матеріалів та динаміки їх руйнування” у 2004-2006 рр., де автор брав участь як виконавець.

Мета роботи - розроблення нового методу оптичної спекл-кореляції, який дозволяє підвищити точність визначення просторових розподілів переміщень і деформацій поверхонь зразків конструкційних матеріалів у порівнянні з відомими методами цифрової і оптичної спекл-кореляції, та створення оптико-цифрової інформаційно-вимірювальної системи обробки і кореляційного аналізу спекл-зображень для розв'язання задач дослідження поверхневих переміщень матеріалів.

Об'єкт дослідження - поверхні зразків матеріалів та їх спекл-зображення, що формуються в оптичних та оптико-цифрових системах.

Предмет дослідження - оптико-цифровий метод та інформаційно-вимірювальна система (ІВС) кореляційного аналізу спекл-зображень поверхонь матеріалів, засоби просторової фільтрації та нелінійного перетворення спільного енергетичного спектра (СЕС) в кореляторах спільного перетворення Фур'є (КСП).

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

проаналізувати відомі методи обробки і кореляційного аналізу спекл-зображень;

розробити новий метод оптичної спекл-кореляції (ОСК), враховуючи високу швидкодію і паралельність оптичних обчислень, можливість програмно-апаратного поєднання оптичних та цифрових процесорів обробки зображень;

розробити новий метод нелінійного перетворення СЕС на основі використання кільцевого медіанного порогу для покращення інформаційних характеристик вихідного сигналу з метою підвищення точності визначення просторових розподілів поверхневих переміщень;

розробити математичну модель системи кореляційного аналізу спекл-зображень, засновану на використанні архітектури корелятора спільного перетворення;

створити ІВС кореляційного аналізу спекл-зображень з цифровою реалізацією КСП, провести дослідження тестових спекл-зображень та спекл-зображень реальних деформованих поверхонь зразків конструкційних матеріалів;

проаналізувати ефективність та показати переваги нового методу нелінійного перетворення СЕС у порівнянні з відомими методами нелінійного перетворення та фільтрації СЕС;

провести порівняльну оцінку ефективності відомих методів спекл-кореляції та розробленого методу оптичної спекл-кореляції;

створити макет оптико-цифрової ІВС для кореляційного аналізу спекл-зображень і побудови полів переміщень ділянок деформованих поверхонь конструкційних матеріалів;

провести дослідження тестових спекл-зображень та спекл-зображень реальних зразків матеріалів за допомогою створеної оптико-цифрової ІВС кореляційного аналізу зображень.

Методи дослідження: під час розв'язання поставлених задач було використано методи дослідження, засновані на застосуванні основ дискретної математики, математичного моделювання, методів та алгоритмів цифрової і оптичної обробки зображень та розпізнавання образів, теорії інформаційно-вимірювальних систем, теорії інтегральних перетворень.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень, проведених у дисертаційній роботі:

вперше розроблено новий метод оптичної спекл-кореляції, що базується на реалізації кореляції відповідних фрагментів спекл-зображень вихідної і деформованої поверхні за допомогою корелятора спільного перетворення. Суть методу полягає у використанні нелінійного перетворення та фільтрації СЕС з метою покращення характеристик вихідного сигналу у КСП, зокрема підвищення ВПШ, звуження кореляційних піків та збільшення їх крутизни, а отже зменшення похибки визначення положення кореляційного піка;

розроблено математичну модель КСП для задач обробки і кореляційного аналізу спекл-зображень, а саме, для дослідження поперечних деформацій та переміщень поверхонь зразків конструкційних матеріалів;

розроблено новий метод кільцевої медіанної бінаризації СЕС. Цей метод врахувує характерні особливості спектральної густини потужності спекл-зображення та дає змогу підвищити точність визначення переміщення фрагмента в декілька разів за рахунок звуження кореляційного піка, збільшення його крутизни та підвищення ВПШ, у порівнянні з відомими методами нелінійного перетворення та фільтрації СЕС. Характерною особливістю даного методу є розбиття СЕС на декілька кілець з геометричним центром, розташованим в центрі спектра, та проведення бінаризації кожного кільця згідно розрахованого значення порогу;

на основі створеної ІВС з цифровою реалізацією КСП, за допомогою якої визначають поля переміщень і деформацій тестових спекл-зображень і спекл-зображень реальних поверхонь зразків конструкційних матеріалів, показано, що при використанні методу оптичної спекл-кореляції можна зменшити похибки вимірювання переміщень фрагментів поверхні у 2-3 рази порівнянно з відомими методами цифрової спекл-кореляції;

показано, що мінімальні похибки вимірювання переміщень фрагментів спекл-зображень і максимальні ВПШ досягаються в інформаційно-вимірювальній системі, яка базується на кореляторі спільного перетворення з бінаризацією спільного енергетичного спектра методом кільцевого медіанного порогу;

вперше створено макет гібридного оптико-цифрового спекл-корелятора, призначеного для формування полів переміщень поверхні, та проведено дослідження тестових спекл-зображень.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Створено оптико-цифрову інформаційно-вимірювальну систему, яка дає можливість проводити вимірювання просторових розподілів переміщень і деформацій поверхонь зразків конструкційних матеріалів в умовах їх натурних випробовувань під дією статичних і циклічних навантажень з використанням розривних машин та машин для втомних випробувань.

2. Розроблено методику оцінки точності вимірювання переміщень фрагментів поверхні, яку можна застосовувати для дослідження деформацій поверхонь листових зразків та елементів каркасу.

3. Розроблені алгоритми обробки спекл-зображень використано для дослідження поверхневих переміщень зразків конструкційних матеріалів під час їх механічних випробовувань.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Результати роботи використані у ТзОВ “Корпорація колійні ремонтні технології” (м. Львів) для контролю якості термічного зварювання стиків рейок, а також для дослідження деформацій поверхонь клем пружних типу КП-5,2 і КП-12 після проходження циклічних навантажень на втомну міцність; Корпорації “Енергоресурс-інвест” (м. Львів) для дослідження деформацій поверхонь трубопроводів; Дочірньому підприємстві НДІА “Еталон” (м. Львів) для дослідження деформацій поверхонь листових зразків та елементів каркасу.

Особистий внесок автора. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві [1-4,6,8,9,11-16], авторові належить: розробка і реалізація комп'ютерної моделі корелятора спільного перетворення для задач обробки і кореляційного аналізу спекл-зображень, аналіз похибок переміщення тестових спекл-зображень та аналіз ВПШ [6,8,9,11]; проведення експериментів з дослідження переміщень поверхні балкового зразка, аналіз похибок переміщення поверхні зразка та аналіз ВПШ [1,3,12]; участь в експерименті з визначення та усунення переміщення всього тіла [2,13]; участь в експерименті з дослідження процесів деформування та руйнування листових дюралюмінієвих зразків, виготовлених з матеріалу Д-16Т [3,4,14,16]; розробка нового методу кільцевої медіанної бінаризації СЕС, участь у створенні макету гібридного оптико-цифрового спекл-корелятора та проведення експериментів з дослідження переміщень тестових спекл картин [15]; розробка моделей гібридних оптико-цифрових КСП [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і обговорювались на:

International Workshop “Optics in Computing-St. Petersburg” (Санкт-Петербург, Росія - 2002);

17, 18, 19 Відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів, 2002,2003,2005);

International conference “Speckle Metrology 2003” (Тронхейм, Норвегія - 2003);

4-ій Національній науково-технічній конференції і виставці “Неруйнівний контроль та технічна діагностика - 2003” (Київ, 2003);

III International Conference For Students, Young Scientists and Engineers "Optics' 2003" (Санкт-Петербург, Росія - 2003);

International conference “Optical Holography and its Application” (Київ, 2004);

International Topical meeting “Optoinformatics 2004” (Санкт-Петербург, Росія - 2004);

Конференції “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів” (Львів, 2005)

III International conference on Optoelectronic Information Technologies “Photonics-ODS 2005” (Вінниця, 2005);

IV International conference for students, Young scientists and engineers on “Optics-2005” International Topical Meeting on Optoinformatics (Санкт-Петербург, Росія - 2005);

3rd International Conference on Material Testing “TEST-2005” (Нюрнберг, Німеччина - 2005).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 16 наукових працях, в тому числі 5 - у фахових наукових журналах та збірниках.

Структура та об'єм дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаної літератури (118 найменувань) та двох додатків. Вона містить 126 сторінок основного тексту та 48 рисунків.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету роботи, наведено перелік задач, які необхідно розв'язати, визначено наукову та практичну цінність отриманих результатів, подано інформацію про апробацію роботи і публікації автора, а також коротко викладено зміст дисертації по розділах.

Перший розділ присвячено огляду відомих методів обробки і кореляційного аналізу спекл-зображень, а саме, цифрової спекл-кореляції та спекл-фотографії, описано принципи побудови систем, заснованих на використанні даних методів та наведено їх характеристики. Розглянуто методи нелінійного перетворення та фільтрації СЕС у КСП. Також проаналізовано відомі системи, які реалізують спекл-кореляцію зображень оптичними методами.

У другому розділі запропоновано новий метод спекл-кореляції, заснований на використанні архітектури КСП. Проведено теоретичне обґрунтування використання архітектури КСП для процедури спекл-кореляції фрагментів спекл-зображень у класичному КСП, а також у нелінійних КСП.

Суть методу полягає у реєстрації спекл-зображення недеформованої (зображення 1) і деформованої (зображення 2) поверхонь досліджуваного матеріалу за допомогою телевізійної або цифрової ПЗЗ- або КМОН-камери. Наступний крок полягає у розбитті цих спекл-зображень на MN квадратних фрагментів та однакової розмірності та у попарному введенні фрагментів з однаковою нумерацією у вхідну площину КСП (x,y) для подальшого порівняння. Комплексне амплітудне пропускання цих фрагментів у вхідній площині (x,y) має вигляд:

, (1)

де 2b - відстань між центрами фрагментів.

Якщо припустити, що квадратні фрагменти зображення 2 не змінюються в порівнянні з тими самими фрагментами зображення 1, а відрізняються лише зміщенням в різних напрямках на та , то вираз (1) можна подати у вигляді:

.

Тоді інтерференційна картинка спільного енергетичного спектра, що формується у частотній площині в результаті Фур'є перетворення вхідного розподілу приймає вигляд:

2++,

де , , - оператор двовимірного перетворення Фур'є.

Після зворотного перетворення Фур'є зареєстрованої інтерференційної картини СЕС, у вихідній площині корелятора (x', y') в +1 порядку дифракції отримуємо автокореляційний пік:

,

зміщений на віддаль , рівну зміщенню фрагмента відносно фрагмента за умови збереження маштабної інваріантності прямого та зворотного Фур'є-перетворення.

В дійсності ж завжди фрагмент зображення 2 зазнає змін у процесі деформування поверхні об'єкта дослідження. Тому для опису розподілу комплексної амплітуди двох відповідних фрагментів зображень 1 і 2 більш коректним є такий вираз:

,

де фрагмент зображення 2 містить компоненту , ідентичну до фрагменту зображення 1, зміщену на відстань , де - значення переміщення вздовж осі х, - значення переміщення вздовж осі y, та декореляційну компоненту , тобто .

В результаті описаних вище перетворень вхідного амплітудного розподілу, у перших порядках дифракції формується крос-кореляційний пік, зміщений на віддаль відносно свого початкового положення, який наближено можна описати виразом

=,

де - символ оператора згортки.

В результаті попарного порівняння всіх відповідних фрагментів на виході корелятора отримуємо гратку кореляційних піків, процедуру формування.

Розглянуто можливість використання методів нелінійного перетворення та фільтрації СЕС, а саме фільтрації методом корекції смуг, а також медіанної та локальної медіанної бінаризації СЕС. Ці методи дають змогу звузити ширину кореляційного піка, знизити рівень шумів, підвищити ВПШ, а отже підвищити точність вимірювання положення піка. Але згадані вище методи фільтрації та нелінійного перетворення СЕС у кореляторі спільного перетворення не враховують особливостей структури спектральної густини потужності (СГП) і СЕС спекл-зображень, тобто вони не оптимізовані для задачі кореляції спекл-зображень. Тому на основі аналізу принципів формування спекл-зображень та властивостей їх СГП розроблено і запропоновано новий метод кільцевої медіанної бінаризації СЕС.

В розділі проаналізовано спектральні характеристики і, зокрема, СГП спекл-зображення, обвідна якої ідентична функції передачі модуляції безабераційного об'єктива і має конусоподібну форму з граничною просторовою частотою

,

де D - діаметр зіниці об'єктива, - довжина хвилі випромінювання, z - відстань між площиною зіниці об'єктива та площиною формування спекл-зображення.

Враховуючи кругову симетрію спектра спекл-зображення та осьову симетрію спектрів від прямокутних пікселів матричного фотоприймача і прямокутника, що обмежує фрагменти спекл-зображень, робимо висновок, що найбільш придатна конфігурація кожної окремої локальної зони спектра, в межах якої відбувається бінаризація згідно заданого порогу має форму кільця. Тобто, весь спектр можна розділити на декілька концентричних кілець однакової товщини.

Причому геометричний центр кожного кільця збігається з центром спектра. Для підвищення ефективності даної процедури бінаризації необхідно усунути вплив нульової пелюстки спектра від прямокутного вікна, оскільки його інтенсивність значно перевищує інтенсивність відповідної ділянки СГП спекл-зображення. З цією метою використовували фільтр низьких частот, в межах яких розташовується нульова пелюстка від прямокутного вікна, яке обмежує цифрове спекл-зображення.

Найпростіше виготовити бінарний низькочастотний фільтр з частотно-передавальною характеристикою

,

де с - сторона фрагмента. Вибір ширини кільцевих зон може коливатись від декількох сотих долей до однієї десятої долі всієї спектральної смуги, обмеженої максимальною просторовою частотою . На рис.3 наведено СЕС в класичному КСП та СЕС в КСП з кільцевою медіанною бінаризацією.

У третьому розділі розглянуто питання створення ІВС кореляційного аналізу спекл-зображень поверхонь матеріалів, який базується на цифровій реалізації корелятора спільного перетворення. ІВС створений на основі запропонованого методу ОСК. Наведено результати досліджень переміщень поверхонь зразків, отримані за допомогою різних модифікацій ІВС. Ці модифікації ІВС побудовані на основі цифрових реалізацій класичного КСП (КСП1) та КСП з різними типами нелінійних перетворень та фільтрації СЕС, зокрема бінаризації СЕС на основі медіанного (КСП2), локального (КСП3) та кільцевого медіанного порогів (КСП4), фільтрації СЕС за допомогою фільтра корекції смуг (КСП5).

Схему інформаційно-вимірювальної системи кореляційного аналізу спекл-зображень поверхонь матеріалів, що базується на цифровій реалізації КСП. Система містить джерело світла ДС, реєструвальну систему РС, яка включає об'єктив О та ПЗЗ-камеру, персональний комп'ютер ПК зі спеціальним програмним забезпеченням.

Для порівняльної оцінки різних модифікацій ІВС, що містять різні типи кореляторів (КСП1-КСП5), використовували тестові спекл-зображення та обчислювали відношення інтенсивності піка до рівня вхідних та вихідних шумів, а також випадкові та систематичні похибки переміщень тестових спекл-зображень.

Моделювання спекл-зображень здійснювали на основі підходу, запропонованого Хантлі та вдосконаленого Сьодалом та Бенкертом. Для визначення координат кореляційних піків з субпіксельною похибкою використовували алгоритм Сьодала та Бенкерта (алгоритм 1) та модифікований алгоритм визначення “центра ваги” (алгоритм 2). Під час експерименту використовували зображення 1 та 2 розмірами 256256 пікселів, та фрагменти та розмірами 3232 піксела. Випадкову похибку вимірювання зміщення обчислювали як середнє квадратичне відхилення sm,n кожного вимірювання переміщення dm,n фрагмента .

Оцінку інтенсивності та крутизни кореляційного піка на фоні оточуючого його шуму здійснювали, використовуючи відношення інтенсивності піка до дисперсії вхідного шуму, або відношення пік/енергія кореляції (ПКЕ):

де - комплексна амплітуда m,n піка; - комплексна амплітуда i,j-того елемента вихідного шуму; -символ стандартного відхилення; ; ; - номери елементів піків; .

Щоб оцінити характер зміни вихідного кореляційного піка по відношенню до шуму зображень s(x,y) і r(x,y), які подають на вхід корелятора, використовували відношення пік/вхідний шум (ВПВШ). Для кожного m,n-го кореляційного піка в КСП1-КСП5 таке відношення визначали за формулою:

.

Результати обчислення випадкових похибок вимірювання переміщень та середні значення ВПВШ наведено на рис. 5 та рис. 6 відповідно.

Показано, що мінімальні випадкові та систематичні похибки вимірювання положень кореляційних піків досягаються у оптико-цифровій ІВС, в якій для реалізації операцій кореляції фрагментів спекл-зображень використовують цифрову модель КСП з бінаризацією кільцевим медіанним порогом, тобто КСП5.

Наведено результати оцінки поперечних переміщень поверхонь сталевих балкових зразків (сталь 45) за допомогою створеної ІВС. Для проведення експерименту вибрану ділянку поверхні зразка (2020 мм) розміщували паралельно до площини ПЗЗ-матриці відеокамери і рівномірно освітлювали галогенною лампою потужністю 25 Вт. У макеті ІВС використовували відеокамеру TERRACAM, яка дозволяла отримувати максимальні розміри зображень, рівні 640480 пікселів. Розрахунки проводили для пар фрагментів зображень розмірами n1Чn2=32Ч32 пікселів, що відповідало ділянці на поверхні зразка від (0,6Ч0,6) мм2 до (1,5Ч1,5) мм2 в залежності від встановленого збільшення об'єктива відеокамери.

Проведено дослідження процесів деформування та руйнування листових дюралюмінієвих зразків, виготовлених з матеріалу Д-16Т. Навантаження зразків відбувалося за допомогою розривної випробувальної машини EU-40. Загальний вигляд експериментальної установки, що містить машину EU-40, закріплений дюралюмінієвий зразок і оптико-цифрову ІВС наведено на рис. 7. Зразки досліджували при одновісному і двовісному розтязі. Під час проведення експериментів платформу, на якій розміщувалась відеокамера і освітлювач, закріплювали до зразка і вибирали ділянку поверхні, розташовану поблизу концентратора напружень. Зразок освітлювався за допомогою світлодіода.

Спекл-зображення вибраної ділянки поверхні у ненавантаженому і навантаженому станах реєстрували за допомогою відеокамери “FINE” Т392С та вводили в ПК через фрейм-грабер (8 біт). В результаті отримували оцифровані спекл-зображення розмірністю 512480 пікселів, які розбивали на фрагменти розмірністю 3232 піксела. Розподіл переміщень отримували методом ОСК, порівнюючи при цьому попарно спекл-зображення, отримані для різних рівнів прикладених навантажень.

отримані розподіли переміщень під час двовісного розтягу зразка, виготовленого з дюралюмінію Д-16Т.

У четвертому розділі розглянуто ІВС кореляційного аналізу спекл-зображень, побудовані на основі двох версій гібридних оптико-цифрових КСП. У першій версії з використано ПЧМС з електричною адресацією, у другій - реєструвальне середовище у вигляді фотоанізотропного матеріалу. Версія 1 включає цифровий перший каскад та оптичний другий, версія 2 - оптичний перший каскад та цифровий другий.

Створено макет ІВС, побудований на основі гібридного оптико-цифрового спекл-корелятора з цифровим першим каскадом та оптичним другим. За допомогою створеного макету досліджували тестові спекл-зображення, які вводили в спекл-корелятор, розбивали на фрагменти та обчислювали СЕС кожної пари відповідних фрагментів. Далі здійснювали лінійну фільтрацію або бінаризацію СЕС. Трансформований СЕС подавали на вхід ПЧМС “Holoeye” LC2002, який освітлювали лазером Л і за допомогою Фур'є-об'єктива ФО реалізовували зворотне Фур'є-перетворення трансформованого СЕС. Вихідні кореляційні піки реєстрували відеокамерою К2 та записували на жорсткий диск комп'ютера ПК. Зв'язок ПЧМС з ПК відбувався через com-порт. Фур'є-об'єктив з фокусною віддалю 210 мм розташовували безпосередньо за ПЧМС. У +1-му порядку дифракції вихідної кореляційної площини формувався кореляційний пік для кожної пари фрагментів. Кожен пік реєстрували відеокамерою Sony4800, а далі синтезували гратку кореляційних піків, за якою визначали значення переміщень фрагментів тестових спекл-зображень. результат формування автокореляційного піка у 0-му та кореляційного піка у +1-му порядках дифракції в макеті ІВС, що містить КСП з бінаризацією кільцевим медіанним порогом.

Висновки

1. Запропоновано та розроблено новий метод оптичної спекл-кореляції, що базується на використанні архітектури корелятора спільного перетворення. Метод полягає у одночасному розміщенні фрагментів спекл-зображень поверхні зразків до та після навантаження у вхідній площині корелятора спільного перетворення. Подальша обробка може відбуватися як цифровими так і оптичними методами. Використання корелятора спільного перетворення дає можливість застосовувати методи нелінійного перетворення та фільтрації спільного енергетичного спектру з метою звуження ширини кореляційного піка та підвищення рівня його інтенсивності, зниження рівня шумів, що в кінцевому рахунку підвищує точність вимірювання положення піка.

2. Розроблено математичну модель корелятора спільного перетворення для дослідження поперечних деформацій та переміщень поверхонь зразків конструкційних матеріалів. Проаналізовано особливості формування кореляційних піків в залежності від взаємного переміщення двох фрагментів вихідного спекл-зображення та спекл-зображення деформованої поверхні.

3. Запропоновано використовувати бінаризацію спільного енергетичного спектру медіанним та локальним медіанним порогами та фільтрацію методом корекції смуг з метою покращення характеристик вихідного сигналу у кореляторі спільного перетворення, пристосованому для аналізу спекл-зображень. Використання цих алгоритмів дозволяє підвищити відношення пік/шум, звузити кореляційні піки та збільшити їх крутизну, а отже, зменшити похибку визначення положення кореляційного піка. Серед цих методів найменші значення похибок вимірювання переміщень фрагментів спекл-зображень досягнуто у кореляторі спільного перетворення з бінаризацією спільного енергетичного спектру медіаним порогом.

4. Розроблено новий нелінійний фільтр, який враховує особливості просторової структури фур'є-спектра спекл-зображення. Принцип дії даного фільтра полягає у бінаризації спільного енергетичного спектру від двох відповідних фрагментів у кореляторі на основі використання кільцевого медіанного порогу. Використання даного фільтра дозволило зменшити випадкову похибку вимірювання переміщень фрагментів в 2-4 рази, та підняти відношення пік/шум в 5-10 разів у порівнянні з корелятором спільного перетворення у якому перетворення спільного енергетичного спектру здійснюється шляхом його бінаризації медіаним порогом.

5. На основі розробленого методу оптичної спекл-кореляції створено інформаційно-вимірювальну систему з цифровою реалізацією корелятора спільного перетворення Фур'є. Система забезпечує обробку спекл-зображень методами нелінійного перетворення та фільтрації спільного енергетичного спектру корелятора спільного перетворення, а саме, бінаризацією медіанним, локальним медіанним та кільцевим медіанним порогами та фільтрацією методом корекції смуг.

6. На основі проведеного аналізу похибок переміщень фрагментів тестових спекл-зображень за допомогою створеної інформаційно-вимірювальної системи показано, що мінімальні випадкові та систематичні похибки вимірювання переміщень кореляційних піків досягаються у тій модифікації інформаційно-вимірювальної системи, в якій для реалізацій операцій кореляції спекл-зображень використовують корелятор спільного перетворення з бінаризацією кільцевим медіанним порогом.

7. На основі використання алгоритмів бінаризації спільного енергетичного спектру за допомогою медіанного, локального медіанного та кільцевого медіанного порогів, а також вибору оптимальних геометричних параметрів оптичної схеми створено діючий макет гібридного оптико-цифрового спекл-корелятора, що містить цифровий перший каскад та оптичний другий, проведено аналіз тестових спекл-зображень за допомогою створеного макету.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Муравський Л.І., Максименко О.П., Сахарук О.М. Оцінка поперечних зсувів поверхні матеріалу методами спекл-кореляції // Відбір і обробка інформації. - 2003. - Вип.18(94). - С. 95-99.

2. Муравський Л.І., Фітьо Н.В., Сахарук О.М. Формування полів переміщень деформованих поверхонь методами спекл-кореляції в задачах механіки руйнування // Відбір і обробка інформації. - 2004. - Вип.20(96). - С. 75-81.

3. Муравский Л.И., Сахарук А.Н., Максименко А.П. Использование метода оптической спекл-корреляции для изучения процессов разрушения конструкционных материалов // Оптический журнал. - 2004. - Том 71, № 7. - С. 52-57.

4. Максименко О.П., Муравський Л.І., Сахарук О.М., Фітьо Н.В. Застосування методів спекл-метрології для визначення деформаційних характеристик тріщиностійкості матеріалів // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів: Акустичні та електромагнітні методи неруйнівного контролю матеріалів та виробів. - Львів: ФМІ НАН України. - 2005. - С. 203-209.

5. Сахарук О.М. Неруйнівний контроль та оцінка поперечних деформацій поверхонь методом оптичної спекл-кореляції // Вісник НУ “Львівська політехніка” Комп'ютерні науки та інформаційні технології. - 2005. - №521. - С. 210-214.

6. Muravsky L.I., Maksymenko O.P., Sakharuk O.M. Use of a joint transform correlator architecture for study of speckle displacements // Optics Communication. - 2004 - Vol.240, Issues 4-6. - P. 275-291.

7. Сахарук О.М. Дослідження автокореляційних функцій багатоградаційних фазових масок у лінійному кореляторі спільного перетворення Фур'є // Матеріали XVII відкритої наук.-техн. конф. молодих науковців і спеціалістів. - Львів: ФМІ НАН України. - 2002. - С. 129-132.

8. Муравський Л.І., Максименко О.П., Сахарук О.М. Комп'ютерне моделювання методу оптичної спекл-кореляції для неруйнівного контролю конструкційних матеріалів // Матеріали 4-а Національної наук.-техн. конф. і виставки “Неруйнівний контроль та технічна діагностика - 2003”. - Київ. - 2003. - С. 141-145.

9. Muravsky L.I., Maksymenko O.P., Sakharuk O.M. Comparative analysis of digital and optical speckle displacement techniques for study of in-plain surface strains // Proc. SPIE Speckle Metrology 2003. - 2003. - Vol.4933 - P. 149-154.

10. Сахарук О.М. Використання методу оптичної спекл-кореляції для дослідження деформацій металевих зразків // Матеріали XVIII відкритої наук.-техн. конф. молодих науковців і спеціалістів. - Львів: ФМІ НАН України. - 2003. - С. 220-223.

11. Muravsky L.I., Maksymenko O.P., Sakharuk O.M., Fitio N.V. Study of material strains by speckle-displacement correlation technique // Abstracts of International Workshop “Optics in Computing-St. Petersburg” - Saint-Petersburg (Russia). - 2002. - P. 47-48.

12. Sakharuk O.M., Smolyak V.I., Tkhoruk A.L. Speckle-displacement optical correlation technique for study of inplane strains of materials // III International Conference For Students, Young Scientists and Engineers "Optics 2003", 20-23 Oct. 2003, St.Petersburg, Russia. Book of Abstracts// www.ifmo.ru/conferences/optics2003/ Seminar_Optics-2003.pdf

13. Muravsky L.I., Fitio N.V., Sakharuk O.M., Estimation of surface strains and displacement fields by optical speckle correlation tehnique // Abstracts of International Topical meeting “Optoinformatics 2004” - Saint-Petersburg (Russia). - 2004. - P. 28-30.

14. Maksymenko O.P., Muravsky L.I., Sakharuk O.M., Fityo N.V. Digital speckle correlation techniques for study of plastic zone behavior in thin-sheet constructional materials // Abstracts of III International conference on Optoelectronic Information Technologies “Photonics-ODS 2005”. - Vinnytsia. - 2005. - P. 193-94.

15. Sakharuk O.M., Fityo N.V., Muravsky L.I., Yezhov P.V. Determination of speckle displacement by hybrid optical-digital speckle correlation // Proceedings of IV International conference for students, Young scientists and engineers on “Optics-2005” International Topical Meeting Optoinformatics. - Saint-Petersburg (Russia). - 2005. - P. 14-15.

16. Muravsky L.I., Fityo N.V., Sakharuk O.M. Estimation of Surface Displacement Field by Optical Speckle Correlation Technique // TEST 2005 Proceedings. - Nurenberg(Germany). - 2005. - P. 163-168.

Анотація

Сахарук О.М. Метод та інформаційно-вимірювальна система кореляційного аналізу спекл-зображень поверхонь матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністтю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Фізико-механічний інститут НАН України, Львів, 2006.

У дисертації запропоновано та розроблено новий метод оптичної спекл-кореляції, заснований на використанні архітектури корелятора спільного перетворення (КСП). Розроблено новий нелінійний фільтр, принцип дії якого полягає у бінаризації СЕС КСП з використанням кільцевого медіанного порогу.

Створено інформаційно-вимірювальну систему, в основу роботи якої покладено новий метод оптичної спекл-кореляції. Проведено аналіз похибок даної системи на основі використання тестових спекл-зображень. Показано доцільність використання оптико-цифрової ІВС, в якій для реалізацій операцій кореляції фрагментів спекл-зображень використовують КСП з бінаризацією кільцевим медіанним порогом. Досліджено процеси деформування та руйнування листових дюралюмінієвих зразків та поперечні переміщення сталевих балкових зразків, використовуючи цю систему.

Створено діючий макет гібридного оптико-цифрового спекл-корелятора з цифровим першим каскадом та оптичним другим каскадом та проведено аналіз тестових спекл-зображень.

Ключові слова: спекл-кореляція, корелятор спільного перетворення, спекл-зображення, гібридний оптико-цифровий корелятор, бінаризація спільного енергетичного спектра.

Аннотация

Сахарук А.Н. Метод и информационно-измерительная система корреляционного анализа спекл-изображений поверхностей материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы. - Физико-механический институт НАН Украины, Львов, 2006.

В диссертации предложен и разработан новый метод оптической спекл-корреляции, основанный на использовании архитектуры коррелятора совместного преобразования (КСП). Разработан новый нелинейный фильтр, принцип действия которого основывается на бинаризации совместного энергетического спектра СЭС коррелятора совместного преобразования при помощи кольцевого медианного порога.

На основе нового метода оптической спекл-корреляции создано информационно измерительную систему (ИИС) с цифровой реализацией корелятора совместного преобразования. Проведен анализ погрешностей данной системы на основе использования тестовых спекл-изображений. Показана целесообразность использования оптико-цифровой ИИС, в которой для реализации операций корреляции фрагментов спекл-изображений используют КСП с бинаризацией кольцевым медианным порогом. Исследовано процессы деформации та разрушения листовых дюралюминиевых образцов и поперечные перемещения стальных балочных образцов, используя эту информационно-измерительную систему

Создан действующий макет оптико-цифрового спекл-коррелятора с цифровым первым каскадом и оптическим вторым каскадом. Проведен анализ тестовых спекл-изображений.

Ключевые слова: спекл-корреляция, коррелятор совместного преобразования, спекл-изображения, гибридный оптико-цифровой спекл-коррелятор, бинаризация совместного энергетического спектра.

Annotation

Sakharuk O.M. Technique and information-measuring system for correlation analysis of speckle-patterns of material surfaces. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in technical sciences by speciality 05.11.16 - Information-measuring systems. - Karpenko Physico-Mechanical Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2006.

This thesis is devoted to the development of new method of optical speckle correlation, which is based on use of architecture of joint transform correlator (JTC). One of the peculiarities of this method is the usage of known methods and development of new methods for nonlinear transformation and filtration of joint power spectrum (JPS), which leads to improvement of such characteristics of correlator output signal as increase of peak-to-noise ration, decrease of noise level, narrowing of correlation peak and increase of correlation peak slope. As known methods of JPS nonlinear transformation and filtration don't take into consideration the features of speckle pattern frequency spectrum, the analysis of spectral power density of speckle patterns is performed. New nonlinear filter, which take into account peculiarities of speckle pattern frequency spectrum is developed. This filter is based on JPS binarization by ring median thresholding. This method of JPS binarization consists in division of JPS into several rings with identical width and binarization of every ring according to its median value.

Information measuring system (IMS) of correlation analysis of speckle patterns is created. This system is based on new method of optical speckle correlation, realized as a computer model of different kinds of correlators, namely JTC with median thresholding, JTC with subset median thresholding, JTC with ring median thresholding and JTC with fringe adjusted filter. Analysis of this system random and methodical errors and signal-to-noise ratios are fulfilled by using test speckle patterns, modulated by computer according to the algorithm introduced by Huntley and later improved by Sjцdahl and Benckert. For exact definition of coordinates of correlation peaks, we have used subpixel resolution algorithms, namely the Sjцdahl and Benckert algorithm and algorithm of “center of gravity” definition. The analysis of errors and peak-to-noise rations has shown the necessity of usage of optical-digital IMS with ring median thresholding. The usage of IMS version with ring median thresholding make it possible to decrease by 2-4 times errors level and to increase signal-to-noise ratio 5-10 times in comparison with IMS versions with median and subset median thresholding. The evaluation of correspondence of speckle pattern subimage location and correlation peak location is performed. In-plane displacements of beam samples are studied by using this IMS. The system is also used during study of deformation and fracture of thin-sheet duralumin (D16Т) samples containing the central cut with created initial fatigue cracks. The loading of duralumin samples is performed in tensile-testing machine EU-40 for different loading schemes: uniaxial and biaxial.

Optical-digital IMSs for correlation analysis of speckle patterns based on two versions of hybrid optical-digital JTC are described. Breadboard model of optical-digital IMS, based on hybrid optical-digital speckle correlator, which include digital first stage and optical second stage is created. The given breadboard model allows us to transform JPS with a help of median, subset median thresholding, ring median thresholding and fringe adjusted filter. Analysis of test speckle pattern displacement is performed by using this breadboard model. The signal-to-noise ratios calculated for different methods of JPS transformation has shown the necessity to use optical-digital IMS with ring median thresholding of JPS. Usage of this breadboard model let us to determine subimage displacement with higher precision without usage of intricate subpixel resolution algorithms.

Keywords: speckle correlation, joint transform correlator, speckle-pattern, hybrid optical-digital speckle correlator, joint power spectrum binarization.

Размещено на Allbest.ru