Digitale Bildkorrelation

Digitale Bildkorrelation: Analyse von Bewegung und Verformung

Was ist die digitale Bildkorrelation? 

Die digitale Bildkorrelation (Digital Image Correlation, abgekürzt DIC) ist ein Verfahren zur Berechnung von 2D- oder 3D-Koordinaten aus Einzelbildern oder Bilderserien, die entweder mit einer einzelnen Kamera, einem Stereokamerasystem oder einem Multikamerasystem aufgezeichnet wurden. Aus der digitalen Bildkorrelation ergeben sich vollflächige Messdaten der Objektoberfläche, die auf Tausenden von 2D- oder 3D-Koordinaten mit sehr hoher Ortsauflösung basieren. 

Erfolgt die Bildaufnahme über einen Zeitraum hinweg, lassen sich daraus Messergebnisse für Verschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in 2D oder 3D ableiten. Durch Interpretation lokaler Verschiebungen zwischen den 2D- oder 3D-Koordinaten können Dehnungswerte und Dehnraten berechnet werden.

Wie funktioniert die digitale Bildkorrelation?

Eine DIC-Messung umfasst mehrere Schritte: Zunächst präpariert man die Oberfläche der Messobjekte mit einem geeigneten Muster. Das Muster wird z. B. mit Sprühdosen, Pinseln oder durch Drucken aufgebracht. Die Technik des Musterauftragens spielt eine untergeordnete Rolle – wichtig ist nur, dass sich das Muster während der Prüfung mitsamt der Probenoberfläche bewegt und verformt.

Anschließend wird das DIC-System auf das gewünschte Messfeld eingestellt und kalibriert. Kommt ein Einkamerasystem zum Einsatz, werden die Objektivverzeichnungsparameter und die Pixelskalierung definiert. Bei Stereo- oder Mehrkamera-DIC-Systemen werden zusätzlich die relativen Kameraorientierungen abgeleitet. Im Folgenden konzentriert sich dieser Artikel ausschließlich auf Stereokamerasysteme, da diese im Vergleich zu den anderen Konfigurationen in der Praxis am häufigsten genutzt werden.

Wenn der Versuchsaufbau steht, werden sogenannte Referenzbilder mit der linken und rechten Kamera aufgenommen. Diese zeigen den Referenzzustand des unbelasteten Messobjekts. Die aufgezeichneten Bilder dienen als Verschiebungs- und Dehnungsreferenz für alle weiteren Auswertungen. Nun startet der eigentliche Versuch. Dabei richten sich die Parameter der Bildaufnahme wie Bildaufnahmefrequenz, Belichtungszeit usw. nach der festgelegten Versuchsanforderung.

Das anfängliche Referenzbild der linken Kamera wird mit einer Matrix von tausenden Facetten (kleinen Teilbereichen) mit anwendungsabhängiger Größe und Entfernung zueinander überlagert. Mit Hilfe der Facetten lassen sich 3D-Koordinaten berechnen, indem die Grauwertverteilung in jeder Facette ausgewertet und im Referenzbild der rechten Kamera neu identifiziert wird.

Von den Mittelpunkten der Facetten in den linken und rechten Kamerabildern werden mit Hilfe der Kalibrierdaten des DIC-Sensors 3D-Koordinaten trianguliert. Die Zuordnung der korrespondierenden Facetten in den linken und rechten Kamerabildern erfolgt für alle Bilder im Zeitverlauf im Subpixelbereich. Im Vergleich zur reinen Pixelskalierung lässt sich mit diesem Verfahren eine deutlich höhere Genauigkeit erzielen.

Linkes und rechtes Referenzbild mit Facetten-Overlay

Linkes und rechtes Bild der Verformung mit Facetten-Overlay

Aus der digitalen Bildkorrelation ergeben sich 3D-Koordinaten der Probenoberfläche über den Zeitverlauf des Versuchs. Subtrahiert man die 3D-Koordinaten aller aufgezeichneten Laststufen im Zeitverlauf von den 3D-Koordinaten des Referenzzustands, ergeben sich die Werte für die 3D-Verschiebungen. Darüber hinaus lassen sich über die zeitlichen Ableitungen der Verschiebungswerte die 3D-Geschwindigkeiten und 3D-Beschleunigungen berechnen.

Ein lokaler ebener Dehnungstensor, der die relativen Verschiebungen zwischen den berechneten 3D-Koordinaten wiedergibt, liefert Werte für die Oberflächendehnung in X- und Y-Richtung sowie die Haupt- und Nebenformänderung und die Dehnraten als zeitliche Ableitungen.

Wo wird die digitale Bildkorrelation verwendet? 

Die berührungslose Messdatenerfassung und die Möglichkeit, Bewegungen, Verformungen, Dehnungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu messen und auszuwerten, machen die digitale Bildkorrelation zu einem vielseitigen Werkzeug in der Material- und Komponentenprüfung. Das Verfahren ist heute weit verbreitet und kommt sowohl im industriellen Bereich zum Einsatz als auch in der Forschung und Entwicklung an Universitäten und Forschungseinrichtungen. 

Dank der einfachen Proben- und Messvorbereitung ersetzt die DIC inzwischen konventionelle Messmittel wie Weg- und Beschleunigungssensoren sowie Dehnungsmessstreifen. Die heute verfügbare digitale Kameratechnologie erzeugt hochauflösende Bilder und ermöglicht darüber hinaus auch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen mit Frequenzen von bis zu 5 MHz, was weitere Anwendungsfelder eröffnet.

Technical White Paper

Grundlagen der digitalen Bildkorrelation und Dehnungsberechnung

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