СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ ЗОН ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01B11/16 

Заявляемый способ относится к способам исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний, технологического контроля при деформационном преобразовании твердых тел, дефектоскопии и механических испытаний материалов.

Известен способ определения деформации (Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин Е.Е. и др. Оптико-телевизионные методы исследования и диагностики материалов на мезоуровне//Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. /В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, П.В. Макаров и др. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. - Т. 1. -298 с., [2,0] л. вкл.), одной из функций которого, в частности, является визуализация полей поверхностной деформации. Для определения последней способ предусматривает формирование, оцифровку и введение в память компьютера видеокадра эталонного и последовательности видеокадров деформированных состояний поверхности, освещаемой некогерентным светом и сканируемой относительно регистрирующей оптической системы. Поле вектора смещения поверхности определяется по положениям максимумов поля выборочного коэффициента взаимной корреляции (ВКВК), вычисляемого для эталонного и деформированных состояний поверхности. Его численное дифференцирование позволяет получить и отобразить (визуализировать) поле деформации.

Недостатком способа является отображение зон локализации деформации поверхности на основе однократных измерений ВКВК. Значения ВКВК в силу ограниченности размеров корреляционных окон, используемых при измерении, подвержены статистическому разбросу, что является источником погрешности отображения. Снижение погрешности реализуется увеличением размеров корреляционных окон и сопровождается дополнительным сглаживанием отображаемого деформационного поля. Положение усугубляется отсутствием в видеоизображениях спекл-структуры вследствие некогерентного освещения и, как следствие, притуплением максимумов взаимной корреляции изображений с естественными малоконтрастными признаками формы поверхности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому способу по совокупности признаков является декорреляционный способ визуализации зон локализации деформации (Горбатенко В.В., Поляков С.Н. и Зуев Л.Б. Метод вычислительной декорреляции видеоизображений со спекл-структурой и аппаратура для визуализация зон локализации деформации в реальном времени /Полнотекстовая база данных "Научно-технические разработки России". - Инфор. лист. N 72-044-2000). Указанная разработка показала высокую эффективность при визуализации полос Чернова-Людерса и полос легкого скольжения при пластическом деформировании растяжением плоских образцов различных металлических сплавов.

Способ предусматривает освещение деформируемой поверхности когерентным светом, последовательное выполнение с заданной частотой набора операций, включающего формирование видеокадра поверхности, оцифровку и запоминание в памяти компьютера, вычисление последним карты выборочного коэффициента взаимной декорреляции (ВКВД) с другим видеокадром, сдвинутым на программно заданный промежуток времени, и наконец отображение этой картой зон локализации деформации путем визуализации на полутоновом дисплее или цифрового представления поля ВКВД в файле для последующего отображения деформации другими техническими средствами. Размеры корреляционных окон при вычислениях также подлежат программному определению. Они совместно с размером видеокадра лимитируют время, выделяемое на вычислительные операции, и, таким образом, при заданной производительности компьютера ограничивают сверху возможную частоту визуализации процесса деформирования. В частности, при реализации способа на базе компьютера Р II 350 предельная частота визуализации в пределах кадра 384х288 рх полем ВКВД, рассчитанным при размерах корреляционного окна 16х16 рх, составляет 5 кадр/с. Таким образом, способ не предусматривает возможности коррекции частоты выполнения визуализации при конфликте производительности компьютера и времени необходимых вычислительных операций.

Сохранение в памяти последовательности видеокадров обеспечивает возможность апостериорного воспроизведения поля ВКВД с регулируемыми значениями размеров корреляционного окна и временного сдвига видеоизображений и, таким образом, регулировку интервала усреднения сигнала, отображающего деформацию, и чувствительность к уровню последнего, и, следовательно, оптимизацию параметров визуализации. При этом не предусмотрена возможность одновременной визуализации зон локализации деформации - несколькими картами ВКВД, различающимися значениями программно заданных корреляционных окон и временных сдвигов между видеоизображениями, подвергаемыми корреляционному анализу, что ограничивает информативность реальновременного отображения и возможности его апостериорной оптимизации.

Недостатком способа является то, что реализуемое им отображение деформации поверхности базируется лишь на однократном определении карт ВКВД, значения которого в силу ограниченности размеров корреляционных окон, используемых при измерении, подвержены статистическому разбросу, что является источником погрешности отображения. Снижение погрешности реализуется увеличением размеров корреляционных окон, что сопровождается дополнительным сглаживанием отображаемого деформационного поля. Способ не предусматривает минимизацию случайных ошибок определения ВКВД на основе статической обработки ближайших во времени измерений из-за их статистической зависимости, обусловленной высокой корреляцией наблюдаемых при этом спекл-структур, формируемых при неизменном освещении поверхности в состояниях, мало различающихся по степени деформированности.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей, выражающееся в:
1) увеличении точности отображения зон локализации деформации;
2) увеличении информативности реальновременного отображения зон локализации деформации и ускорения процесса апостериорной оптимизации отображения;
3) адаптации априорно заданных режимов отображения к вычислительным возможностям реализующего способ отображающего устройства.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом способе отображения зон локализации деформации поверхности последнюю освещают когерентным светом, формируют, оцифровывают и запоминают последовательность ее видеоизображений, для разнесенных во времени пар последних вычисляют карты выборочной взаимной декорреляции с программно заданными значениями размеров корреляционного окна и временного сдвига видеоизображений и используют их для отображения зон локализации деформации поверхности. Кроме того, при необходимости оптимизации параметров отображения повторно воспроизводят вычисления карт выборочной взаимной декорреляции, регулируя при этом значения размеров корреляционного окна и временного сдвига видеоизображений.

Отличительная особенность заявляемого изобретения состоит в том, что деформируемую поверхность освещают периодически повторяющимися последовательностями сменяющих друг друга с частотой видеоввода импульсных волн когерентного света с различающимися амплитудно-фазовыми распределениями, обеспечивающими формирование статистически независимых спекл-структур освещенной поверхности, карты выборочной взаимной декорреляции вычисляют для пар видеоизображений, формируемых при освещении волнами с идентичными амплитудно-фазовыми распределениями, и дополнительно усредняют по программно заданному ансамблю освещающих волн.

Кроме того, дополнительно для увеличения информативности реальновременного отображения зон локализации деформации и ускорения процесса апостериорной оптимизации отображения вычисление, усреднение, запоминание карт выборочной взаимной декорреляции и отображение ими зон локализации деформации поверхности выполняют одновременно для нескольких предварительно заданных уровней отображения, характеризуемых программно заданными размерами корреляционного окна, временного сдвига пар видеоизображений, параметров ансамбля усреднения и частотой повторения.

Кроме того, дополнительно для адаптации заданных режимов отображения к вычислительным возможностям реализующего способ отображающего устройства предварительно заданные частоты уровней отображения автоматически корректируют при конфликте суммарного задания уровней отображения и производительности компьютера с учетом их априорно заданных приоритетов.

При осуществлении заявляемого способа отображения (визуализации) зон локализации деформации поверхности последнюю на первом этапе освещают периодически повторяющейся комбинацией N следующих друг за другом импульсных когерентных волн с различающимися амплитудно-фазовыми распределениями, обеспечивающими формирование статистически независимых спекл-структур освещенной поверхности. Освещающие волны сменяют друг друга с частотой видеоввода. Для модификации амплитудно-фазового распределения (АФР) освещающего пучка может быть применено синхронизированное с видеовводом устройство, осуществляющее N последовательных циклически воспроизводимых преобразований АФР, например, путем отклонения пучка или/и пространственно неоднородной фазовой модуляцией или/и изменением его расходимости. Освещаемая таким образом деформируемая поверхность регистрируется телекамерой, которая совместно с устройством видеоввода с частотой 1/Т_r производит оцифровку зарегистрированных изображений. Последние размещаются (запоминаются) в памяти компьютера. Цифровая информация, соответствующая отдельным видеокадрам, совместно с кодом времени их регистрации (номерами кадров К) размещается в разных областях памяти. Спекл-структуры видеоизображений детерминируются поверхностным микрорельефом и являются, таким образом, наведенными маркерами, эволюционирующими совместно с поверхностью в процессе ее деформации. Их декорреляция в видеокадрах, формируемых при идентичном освещении, напрямую связана с деформацией. Высокий контраст и неповторимость формы спеклов приводит к обострению рассчитанных корреляционных максимумов.

Компьютер, управляемый специальной программой, используя размещенную в памяти информацию (последовательность цифровых кадров и кодов времени их регистрации), выполняет отображение деформации поверхности на F уровнях (далее "уровнях отображения"), предварительно определенных программным заданием набора ниже расшифрованных параметров {T_f;n,m;p;q}_f,f∈[0,F]. В общем случае число уровней отображения F ≥ 0, при этом случай F = 0 задает режим регистрации без реальновременного отображения.

При отображении деформации на каждом из F программно заданных уровней выполняется последовательность следующих операций:
1) Анализ взаимной декорреляции, например, вычислением карт ВКВД, для пар видеокадров, разнесенных во времени на Δτ = p•N•T_r(p = 10,11,...) и формируемых при идентичных условиях освещения поверхности, из которых один (при работе в режиме реального времени) может соответствовать последнему циклу телерегистрации. Дискретные значения карт ВКВД вычисляются по формуле

где

e_i'j'K - видеосигнал (i, j) - пикселя видеокадра в момент времени t = K•T_r и i, j - индексы, определяющие координаты поверхности (в пиксельном представлении),
m, n - размеры корреляционного окна.

(Примечание: приведенная формула соответствует лишь четным значениям размеров (в пиксельном представлении) корреляционного окна, формула для общего случая достаточно тривиальна и не приводится в силу излишней ее громоздкости.)
2) Усреднение рассчитанных карт ВКВД по программно заданному (указанием параметра q ≤ N) ансамблю амплитудно-фазовых распределений по формуле

(Примечание: значения q, меньшие значения N (обеспечивающего наименьшую погрешность) могут быть заданы в режиме реальновременного отображения из соображений экономии ресурса производительности компьютера).

3) Вывод усредненной карты D_{ij, (K-q) /2,p)} на полутоновый дисплей для визуализации и/или в файл для последующего отображения другими техническими средствами.

Указанная последовательность операций отображения выполняется на каждом уровне отображения с программно заданной (при определении уровня) частотой повторения 1/T_f (f∈[0,F]).
Для адаптации заданного режима реальновременного многоуровневого отображения к вычислительным возможностям реализующего способ отображающего устройства частоты уровней отображения могут автоматически корректироваться программой в случае конфликта совокупности параметров, программно определяющих уровни отображения и производительности компьютера. Коррекция осуществляется с учетом априорно заданных приоритетов уровней. Отметим, что в основе такой коррекции лежит выполняемый перед регистрацией расчет вычислительных затрат при заданном наборе параметров отображения в сочетании с решением (вариационным методом) оптимизационной задачи со статически заданной функцией цели (удовлетворению заданному набору приоритетов одноуровневых отображений).

На последующих этапах, отделенных от предыдущих анализом результатов отображения, при необходимости выполняют оптимизацию параметров отображения. Для этого повторно программно определяют и активируют необходимый режим F-уровневого отображения, регулируя в случае необходимости значения размеров корреляционных окон {m_f; n_f}, параметров временных сдвигов видеоизображений { p_f} , а также параметры усредняемых ансамблей карт ВКВД (например, увеличивая значения { q_f} для снижения погрешностей определения ВКВД) и частоты повторения одноуровневых отображений {1/T_f}. В этой связи важно отметить, что реализуемый заявляемым способом режим многоуровневого отображения помимо общего увеличения информативности обеспечивает ускорение оптимизации отображения зон локализации деформации. При этом реализация этого режима сводится всего лишь к мультиплицированию реализованного в прототипе режима одноуровнего отображения и, таким образом, не требует дополнительного обоснования возможности его реализации в заявляемом объекте.

В заключение остановимся на обосновании увеличения точности отображения деформации, реализуемого заявляемым способом за счет усреднения карт по ансамблю ближайших во времени статистически независимых измерений ВКВД. Заметим, что для описания эволюции истинного значения D_ijKp на основе последовательно выполняемых равноточных однократных измерений допустимо ее приближение регрессией от времени регистрации. При регистрации деформируемой поверхности с частотой, при которой деформации, отображаемые на основе декорреляционного анализа, многократно превосходят ее межкадровые деформации, в указанных целях может быть использована линейная регрессия, выполняемая методом наименьших квадратов Гаусса. На правомерность такого подхода указывает детерминированность моментов регистрации кадров, независимость случайных погрешностей измерений ВКВД и их нормальные (с нулевым средним и равной дисперсией σ² ) распределения. Дополнительно отметим, что средством выполнения второго условия является вводимая модификация условий освещения контролируемой поверхности при формировании анализируемых пар видеоизображений, приводящая к кардинальному изменению их спекл-структур.

Линейная регрессия может быть определена с помощью известного выражения для последовательности равномерно разнесенных во времени равноточных измерений одинарной кратности

где
При этом среднеквадратичное отклонение такого рода регрессии поддается простейшей оценке:

из которой следует, что наилучшая минимизация погрешности измерений реализуется для момента времени, соответствующего середине статистически обрабатываемого ансамбля карт ВКВД. В этом случае стандартное отклонение регрессионно улучшенного значения ВКВД отличается от значения ВКВД, полученного одним измерением, в раз, а выражение для регрессии упрощается до первого слагаемого, описывающего арифметическое усреднение карт ВКВД, составляющих ансамбль статистической обработки. Необходимо заметить, что дополнительные вычислительные затраты, связанные с усреднением карт ВКВД, пренебрежимо малы в сравнении с общими затратами компьютера в цикле декорреляционного отображения.

Изобретение относится к способам исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний, дефектоскопии и механических испытаний материалов. В способе деформируемую поверхность освещают периодически повторяющимися последовательностями сменяющих друг друга с частотой видеоввода импульсных волн когерентного света с различающимися амплитудно-фазовыми распределениями. Импульсные волны формируют статистически независимые спекл-структуры на освещенной поверхности. Карты выборочной взаимной декорреляции вычисляют для пар видеоизображений, формируемых при освещении волнами с идентичными амплитудно-фазовыми распределениями, и дополнительно усредняют по программно заданному ансамблю освещающих волн. Изобретение позволяет увеличить точность и информативность отображения зон локализации деформации и ускорить процесс апостериорной оптимизации изображения. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ отображения зон локализации деформации поверхности, заключающийся в том, что деформируемую поверхность освещают когерентным светом, формируют, оцифровывают и запоминают последовательность ее видеоизображений, для разнесенных во времени пар последних вычисляют карты выборочной взаимной декорреляции с программно заданными значениями размеров корреляционного окна и временного сдвига видеоизображений и используют их для отображения зон локализации деформации поверхности, кроме того, при необходимости оптимизации параметров отображения повторно воспроизводят вычисления карт выборочной взаимной декорреляции, регулируя при этом значения размеров корреляционного окна и временного сдвига видеоизображений, отличающийся тем, что деформируемую поверхность освещают периодически повторяющимися последовательностями сменяющих друг друга с частотой видеоввода импульсных волн когерентного света с различающимися амплитудно-фазовыми распределениями, обеспечивающими формирование статистически независимых спекл-структур освещенной поверхности, карты выборочной взаимной декорреляции вычисляют для пар видеоизображений, формируемых при освещении волнами с идентичными амплитудно-фазовыми распределениями, и дополнительно усредняют по программно заданному ансамблю освещающих волн. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для увеличения информативности реальновременного отображения зон локализации деформации и ускорения процесса апостериорной оптимизации отображения вычисление, усреднение, запоминание карт выборочной взаимной декорреляции и отображение ими зон локализации деформации поверхности могут выполнять одновременно для нескольких предварительно заданных уровней отображения, характеризуемых программно заданными размерами корреляционного окна, временного сдвига пар видеоизображений, параметров ансамбля усреднения и частотой повторения. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для адаптации заданных режимов отображения к вычислительным возможностям реализующего способ отображающего устройства предварительно заданные частоты уровней отображения дополнительно автоматически корректируют при конфликте суммарного задания уровней отображения и производительности компьютера с учетом их априорно заданных приоритетов.