СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ ЗОН ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ И ОПТИКО-ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01B11/16 

Группа изобретений относится к способам и устройствам для исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний, технологического контроля при деформационном преобразовании твердых тел, дефектоскопии и механических испытаниях материалов.

Известен способ определения деформации (Сырямкин В.И., Панин В.Е., Дерюгин В.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 векторов 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.

Известно устройство для 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. В состав устройства входит осветительная система, последовательно соединенные телевизионная камера, цифровое устройство видеоввода, компьютер. Последний наделен функциями запоминания цифровых видеокадров, соответствующих эталонному и деформированным состояниям поверхности, и вычисления для них поля выборочного коэффициента взаимной корреляции (ВКВК) с последующим его численным дифференцированием для получения и отображения (визуализации) поля деформации.

Недостатком устройства является реализация им отображения зон локализации деформации на основе однократных измерений ВКВК, подверженных статистическому разбросу в силу ограниченности размеров корреляционных окон, используемых при измерении.

Наиболее близким способом того назначения к заявляемому способу в группе изобретений 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 визуализации зон локализации деформации в реальном времени /Полнотекстовая база данных "Научно-технические разработки России". - Инфор. лист. 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, его оцифровку и запоминание в памяти компьютера, вычисление роследним 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. При реализации способа на базе компьютера РII 350 предельная частота визуализации в пределах кадра 384•288 рх полем ВКВД, рассчитанным при размерах корреляционного окна 16•16 рх, составляет 5 кадр/с.

Недостатком способа является отображение зон локализации деформации поверхности на основе всего лишь однократного определения карт ВКВД. Значения ВКВД 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. Попытки минимизировать случайные ошибки определения ВКВД за счет усреднения его значений, измеренных для мало различающихся по степени деформации ближайших во времени наблюдений, не удаются, поскольку эти измерения не являются независимыми вследствие высокой корреляции наблюдаемых при этом спекл-структур, формируемых при неизменном освещении.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому устройству в группе изобретений по совокупности признаков является устройство, реализующее декорреляционный способ визуализации зон локализации деформации, описанных в работе Горбатенко В.В., Полякова С.Н. и Зуева Л.Б. (Метод вычислительной декорреляции видеоизображений со спекл-структурой и аппаратура для визуализации зон локализации деформации в реальном времени /Полнотекстовая база данных "Научно-технические разработки России". - Инфор. лист. 72-044-2000).

Устройство содержит в своем составе лазер, оптическую систему освещения контролируемой поверхности, последовательно связанные телевизионную камеру, цифровое устройство видеоввода, компьютер и монитор. Компьютер реализует функции управления видеовводом, запоминания цифровых видеокадров, вычислений карт выборочного коэффициента взаимной декорреляции (ВКВД) между разнесенными во времени видеокадрами с последующим запоминанием и визуализацией их на экране монитора результатов вычислений или выводом (например, в файл для последующего отображения другими техническими средствами). Частоты повторения видеоввода, вычислений и визуализации, размеров корреляционного окна и временной сдвиг видеокадров, подвергаемых корреляционному анализу, подлежат предварительному программному определению.

Недостатком устройства является его неспособность выполнения статистически независимых измерений ВКВД для мало различающихся по степени деформации, ближайших во времени наблюдений вследствие высокой корреляции наблюдаемых при этом спекл-структур, формируемых при неизменном освещении.

Задачей заявляемой группы изобретений является увеличение точности отображения зон локализации деформации.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что в заявляемом способе, освещая деформируемую поверхность когерентным светом, производят ее телевизионную регистрацию, оцифровывая и запоминая последовательность ее видеоизображений, Для разнесенных во времени пар изображений вычисляют карты выборочной взаимной декорреляции и используют их для отображения зон локализации деформации поверхности.

Отличительная особенность заявляемого способа состоит в том, что в каждом цикле цифровой регистрации неизменным для всего цикла наблюдений образом формируют одновременно совокупность одинаково дифракционно ограниченных изображений поверхности со статистически независимыми спекл-структурами. Карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для соответствующих компонент этих различающихся по времени регистрации совокупностей, усредняют по ансамблю компонент и усредненную карту используют для отображения зон локализации деформации поверхности.

Кроме того, возможен вариант, в котором при телерегистрации поверхности одновременно формируют, оцифровывают и запоминают совокупность последовательностей одинаково дифракционно ограниченных видеоизображений, отличающихся по направлениям регистрации поверхности. Карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для каждого ракурса и усредняют по ансамблю последних.

Кроме того, дополнительно для упрощения видеоввода изображений, различающихся по направлениям их регистрации, последние регистрируют телекамерой с многоракурсной оптической системой, обеспечивающей оптическое сопряжение деформируемой поверхности с соответствующими не перекрывающимися участками регистрирующей апертуры телекамеры.

Кроме того, возможен вариант, в котором для дополнительного снижения погрешности отображения деформации поверхности для регистрации видеоизображений, отличающихся по направлениям регистрации поверхности, последнюю освещают излучением, содержащим до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент. Для регистрации применяют цветные телевизионные камеры с оптическими системами, дифракционно ограниченными одинаково для спектральных компонент освещения. Цветные видеоизображения преобразовывают в многокомпонентные изображения с соответствующим освещению набором спектральных компонент, карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для каждой спектральной компоненты многоракурсного изображения и усредняют по ансамблю спектральных компонент и ракурсов регистрации.

Кроме того, возможен вариант, при котором при регистрации поверхности ее освещают излучением, содержащим до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент, и для регистрации применяют цветную телевизионную камеру с оптической системой, дифракционно ограниченной одинаково для всех спектральных компонент освещения. Цветные видеоизображения преобразовывают в многокомпонентные изображения с соответствующим освещению набором спектральных компонент, карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для каждой спектральной компоненты и усредняют по ансамблю последних.

Кроме того, во всех перечисленных вариантах способа для дополнительного увеличения точности отображения деформации поверхности допустимо использование для освещения поверхности периодически повторяющихся последовательностей импульсных волн когерентного света, сменяющих друг друга с частотой цифровой регистрации, и различающихся амплитудно-фазовыми распределениями, обеспечивающими формирование статистически независимых спекл-структур освещенной поверхности. При этом усредненные карты выборочной взаимной декорреляции видеоизображений, сформированных при идентичных амплитудно-фазовых распределениях освещения, дополнительно усредняют по ансамблю ближайших во времени модификаций этих распределений и дополнительно используют для отображения зон локализации деформации.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой группы изобретений по объекту-устройству достигается тем, что заявляемое оптико-телевизионное устройство содержит источник когерентного излучения, оптическую систему освещения контролируемой поверхности, последовательно связанные систему телерегистрации поверхности, цифровое устройство видеоввода и соединенный с дисплеем компьютер.

Особенность заключается в том, что система телерегистрации поверхности выполнена с возможностью одновременной регистрации совокупности ее одинаково дифракционно ограниченных изображений со статистически независимыми спекл-структурами.

Кроме того, возможен вариант исполнения устройства, при котором система телерегистрации поверхности выполнена с возможностью одновременной регистрации совокупности ее одинаково дифракционно ограниченных видеоизображений, различающихся ракурсами ее наблюдения.

Кроме того, дополнительно для упрощения видеоввода изображений, различающихся по направлениям их регистрации, система телерегистрации может быть выполнена на основе единственной телекамеры с многоракурсной оптической системой, обеспечивающей оптическое сопряжение деформируемой поверхности с соответствующими не перекрывающимися участками ее регистрирующей апертуры.

Кроме того, для перечисленных вариантов устройства возможен вариант, в котором источник когерентного излучения выполнен в виде источника полихроматического излучения, содержащего до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент, и система телерегистрации поверхности выполнена на основе цветных телекамер с оптическими системами, дифракционно ограниченными одинаково для всех спектральных компонент освещения.

Кроме того, во всех перечисленных вариантах исполнения устройства для дополнительного увеличения точности отображения деформации поверхности в оптическую систему освещения дополнительно могут быть введены установленное на оптической оси источника устройство преобразования амплитудно-фазового распределения излучения с синхронизированным с видеовводом и связанным с компьютером блоком управления, обеспечивающие циклически воспроизводимый набор пространственно неоднородных преобразований амплитудно-фазового распределения освещающего пучка, обусловливающих формирование статистически независимых спекл-структур видеоизображений поверхности.

На чертеже изображена схема оптико-телевизионного устройства.

При осуществлении заявляемого способа отображения в варианте, обеспечивающем наибольшую точность отображения (за счет усреднения результатов одновременных многократных измерений ВКВД, реализуемого применением многоракурсной телерегистрации поверхности, в сочетании с дополнительным усреднением результатов ближайших во времени статистически независимых измерений усредненных ВКВД), поверхность освещают периодически повторяющейся комбинацией N импульсных когерентных волн, сменяющих друг друга с частотой цифровой регистрации и различающихся амплитудно-фазовыми распределениями (АФР), обеспечивающими формирование статистически независимых спекл-структур освещенной поверхности. Для модификации АФР освещающего пучка может быть применено синхронизированное с видеовводом устройство, осуществляющее N последовательных циклически воспроизводимых преобразований, например, путем отклонения пучка или/и пространственно неоднородной фазовой модуляции.

Освещаемую поверхность регистрируют в Н направлениях телевизионными камерами с оптическими системами с одинаковыми значениями относительных отверстий. Сформированная таким образом совокупность одинаково дифракционно ограниченных видеоизображений характеризуется одинаковой статистикой спекл-структур. Последнее в сочетании с равенством масштабов этих изображений обеспечивает единообразие связи их ВКВД и деформации поверхности. Изображения преобразуют с частотой 1/T_r с помощью цифровых устройств видеоввода в набор Н ракурсных цифровых изображений {e_ijKh} (где e_ijKh - видеосигнал (i, j) - пикселя h-го ракурсного изображения (h∈[1,H]) в момент времени t=K•T_r и i, j - индексы, определяющие координаты поверхности (в пиксельном представлении)), размещаемых в памяти компьютера совместно с кодами времени их регистрации (например, номерами кадров К). 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.

В варианте заявляемого способа с упрощенным видеовводом разноракурсных изображений деформируемая поверхность регистрируется единственной телекамерой, H-ракурсная оптическая система которой обеспечивает оптическое сопряжение Н не перекрывающихся участков приемной апертуры телекамеры (приемной матрицы или видикона) с поверхностью в отличающихся друг от друга направлениях регистрации. При этом камера формирует видеокадры, состоящие из Н субкадров, соответствующих разным ракурсам наблюдения поверхности, и совместно с устройством видеоввода с частотой 1/T_r преобразует зарегистрированные камерой видеоизображения в цифровые изображения {e_ijKh}.

Возможен вариант реализации заявляемого способа, при котором для большего снижения погрешности определения ВКВД видеорегистрацию поверхности выполняют цветными камерами (или цветной камерой - в варианте применения единственной камеры с многоракурсной оптической системой). Используемое при этом освещение поверхности предполагает одновременное присутствие до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент в каждой из импульсных волн с модифицируемыми АФР. Последнее может быть реализовано, в частности, применением в качестве источника света С-цветного (С≤3), например, красно-зелено-синего лазера. В этом случае оптические системы ракурсных телерегистрирующих каналов должны характеризоваться равными и независимыми от длин освещающих волн дифракционными пределами. При этом весь ансамбль ракурсных спектрально обусловленных изображений обладает спекл-структурами, ВКВД которых единообразно связаны с деформацией поверхности. Сформированную при этом совокупность цветных видеоизображений преобразуют с частотой 1/T_r с помощью цифровых устройств видеоввода в набор Н цифровых изображений {e_ijKh} (h∈[1, H] ; c=r, g, b), соответствующих ракурсным видеоизображениям и представленных совокупностью с-компонент, соответствующих r, g и b-компонентам видеосигнала. Цифровые изображения, определенные в пространстве оцифрованных спектральных яркостей поверхности с помощью заданных (например, экспериментально) калибровочных зависимостей (с=r, g, b) преобразуют в набор спектральных компонент цифрового изображения {E_ijKhλ} (λ = λ₁,λ₂,λ₃) путем обращения для каждой комбинации индексов i, j, К и h системы уравнений (c=r, g, b) относительно , и . Полученные таким образом изображения {E_ijKhλ} для единообразия описания обозначим как {e_ijKhλ} (λ = λ₁,λ₂,λ₃), подразумевая тривиальность преобразования каждой спектральной компоненты цифрового изображения в цифровое изображение условной черно-белой камеры.

Компьютер, управляемый специальной программой, используя размещенную в памяти информацию (последовательность ансамблей цифровых изображений и кодов времени их регистрации), выполняет отображение деформации, режим которого определяется предварительным программным заданием набора ниже расшифрованных параметров { m, n; p} . При этом выполняется последовательность следующих операций:
1) Анализ взаимной декорреляции, например, вычислением карт ВКВД, для пар одноцветных изображений, разнесенных во времени на Δt=p•N•T_r (p=10, 11,. . . ), формируемых при идентичных условиях освещения поверхности и характеризуемых общим направлением регистрации, из которых одно (изображение) соответствует последнему циклу видеоввода. Дискретные значения карт ВКВД D_ijKhλ(Δt) ≡ D_ijKphλ (h∈[1,H]; λ = λ₁,λ₂,λ₃) вычисляются по формуле

где 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 карт ВКВД по ансамблям спектральных компонент изображений и направлений их регистрации:

где С (С≤3) - число спектральных компонент освещающего излучения.

(Примечание: усреднение в ансамбле ракурсов регистрации при несовпадении дискретизации геометрических координат субкадров поверхности требует предварительного переопределения данных в единой координатной сетке).

3) Вывод усредненной карты на полутоновый дисплей для визуализации и/или в файл для последующего отображения другими техническими средствами.

4) Дополнительное усреднение карт ВКВД по ансамблю модификаций амплитудно-фазовых распределений освещающих волн:

5) Вывод усредненной карты на полутоновый дисплей для визуализации и/или в файл для последующего отображения другими техническими средствами.

При реализации вышеописанных вариантов заявляемого способа оптико-телевизионное устройство содержит источник когерентного излучения (1), оптическую систему освещения (2) контролируемой поверхности (3), последовательно связанные оптически сопряженную с поверхностью систему телерегистрации поверхности (СТП) (4), цифровое устройство видеоввода (ЦУВ) (5), компьютер (6) и дисплей (7).

СТП выполнена с возможностью одновременной съемки набора одинаково дифракционно ограниченных видеоизображений, различающихся ракурсами регистрации поверхности. Для этого оптические системы ракусных каналов СТП имеют равные относительные отверстия.

ЦУВ выполнена с возможностью оцифровки всего набора поступающих из СТП разноракурсных видеоизображений поверхности.

Оптическая система освещения содержит установленное на оси источника устройство преобразования амплитудно-фазового распределения излучения (УПАФР) (8) с синхронизированным с видеовводом блоком управления (БУ) (9). УПАФР и БУ выполнены с возможностью исполнения циклически воспроизводимого набора пространственно неоднородных преобразований амплитудно-фазового распределения освещающего пучка, обусловливающих формирование статистически независимых спекл-структур видеоизображений поверхности.

БУ для синхронизации с видеовводом может быть подключен либо непосредственно к компьютеру (в этом случае синхронизация осуществляется программой отображения), либо к видеовыходам входящих в состав СТП телевизионных камер (синхронизация осуществляется содержащимися в видеосигналах стробами окончания видеокадров). В последнем случае БУ наделяется функцией проверки кратности текущих номеров циклов регистрации и видеоввода и активации функции управления УПАФР при поступлении стробов, удовлетворяющих программно заданной кратности вышеназванных циклов. Для реализации указанной функции предусмотрена связь БУ с компьютером, обеспечивающим задание кратности циклов регистрации и видеоввода.

Компьютер дополнительно наделен (программно) функцией считывания с программно заданной частотой повторения с выхода ЦУВ набора ракурсных цифровых изображений с последующим их запоминанием совместно с кодами времени их регистрации, а также функцией активации и выполнения с частотой видеоввода последовательности операций декорреляционного отображения, включающей 1) отбор пар одноракурсных цифровых изображений, формируемых при идентичных АФР освещающих волн, разделенных во времени программно заданным интервалом; 2) вычисление для этих пар карт выборочной взаимной декорреляции, выполняемое с программно заданными размерами корреляционного окна; 3) усреднение вычисленных карт в ансамбле ракурсов освещения; 4) вывод усредненной карты на дисплей для визуализации зон локализации деформации или в файл для последующего их отображения другими техническими средствами; 5) усреднение вычисленных карт в ансамбле модификаций АФР; 6) запоминание и вывод усредненной карты на дисплей для визуализации зон локализации деформации или в файл для последующего их отображения другими техническими средствами.

Реализация компьютером перечисленных функций организуется программными средствами (драйвером ЦУВ и специальной управляющей отображением программой). Необходимо заметить, что все описанные закрепленные за компьютером функции либо уже реализовывались в прототипе заявляемого устройства, либо являются обычными в практике использования компьютера в качестве управляющей системы, и потому не требуют дополнительного обоснования возможности их реализации в заявляемом объекте.

УПАФР, в частности, допускает выполнение в виде амплитудно-фазового модулятора на основе введенного в освещающий пучок поворачивающегося пропускающего экрана с пространственно неоднородным распределением амплитудно-фазового пропускания или поворачивающегося отражающего экрана с пространственно неоднородным отклонением от плоскостности его формы, снабженного электромеханическим приводом. При этом БУ выполняется в виде синхронизированного с видеовводом генератора набора управляющих сигналов, исполняемых приводом в виде циклически воспроизводимых фиксированных поворотов экрана в его плоскости, реализующих в течение цикла модификации освещения полный цикл его вращения (поворота). Заметим, что при исполнении пропускающего экрана в виде линзы, установленной с радиальной децентровкой δr относительно оси пучка, амплитудно-фазовый модулятор превращается в дефлектор, отклоняющий пучок во вращаемой плоскости на угол α = arctg(δr/f) (где f - фокусное расстояние линзы) и, таким образом, осуществляющий требуемые, циклически воспроизводимые преобразование АФР и спекл-структуры соответственно.

Для простоты кинематической схемы вращения амплитудно-фазового модулирующего экрана его электромеханический привод может быть выполнен в виде электродвигателя, вал которого перпендикулярен плоскости экрана и жестко связан с ним. Кроме того, для простоты управления фазами поворотов экрана, электромеханический привод может быть реализован шаговым электродвигателем. При этом БУ выполняется в виде синхронизированного с видеовводом генератора управляющих последовательностей электрических импульсов, подаваемых на двигатель и исполняемых последним в виде циклически воспроизводимых фиксированных поворотов экрана, реализующих в течение цикла модификации освещения полный цикл его вращения (поворота).

Устройство допускает выполнение в варианте упрощенного видеоввода, предполагающего исполнение СТП на базе единственной телекамеры с многоракурсной оптической системой, обеспечивающей оптическое сопряжение деформируемой поверхности с соответствующими не перекрывающимися участками регистрирующей апертуры телекамеры. При этом отпадает необходимость синхронизации камер, осуществляющих регистрацию в различающихся направлениях наблюдения и применения многоканального ЦУВ или организации последовательной оцифровки видеосигналов, поступающих в ЦУВ от нескольких камер. Дополнительно заметим, что при регистрации объекта, протяженность которого в направлении одного из измерений (например, ширина) во множество крат меньше соответствующего размера поля зрения камеры, применение указанной многоракурсной оптической системы позволяет разместить в оставшихся (свободных от изображения объекта) областях кадра изображения объекта, соответствующие другим ракурсам наблюдения, и, таким образом, произвести регистрацию с многократной избыточностью без ущерба для пространственного разрешения.

В варианте повышенной точности отображения деформации система телерегистрации выполняется на основе цветных телекамер (или единственной цветной камеры - при упрощенном видеовводе). При этом в качестве источника может быть применен трехцветный, например, красно-зелено-синий лазер. Кроме того, оптические системы всех каналов СТП содержат системы диафрагмирования, обеспечивающие задание равных и одинаковых для всех компонент освещения дифракционных пределов λ•f_h/d_h(h∈[1,H]; λ = λ₁,λ₂,λ₃, d/h - относительное отверстие). В этом случае компьютер наделяется (программно) дополнительными функциями:
1) преобразование набора компонент цифровых изображений, соответствующих r, g и b-компонент видеосигналов, в набор С спектральных компонент видеоизображений поверхности;
2) усреднение по ансамблю длин волн карт выборочной взаимной декорреляции между парами одноракурсных цифровых изображений, сформированных при идентичном освещении.

Устройство работает следующим образом. Перед запуском программы, обслуживающей заявляемое устройство, в последнюю вводится набор следующих параметров:
1) N - число реализуемых УПАФР модификаций направления освещения поверхности;
2) n, m - размеры корреляционного окна;
3) T_r - временной период видеоввода (T_r кратен обеспечиваемому камерой периоду телерегистрации, превосходит суммарное время вычислений и визуализации, также время, необходимое на осуществление модификации АФР. При исполнении УПАФР в варианте амплитудно-фазового модулятора с экраном, вращаемым электромеханическим приводом, T_r превосходит время поворота экрана на 360/N градусов. При реализации привода на базе шагового электродвигателя Т_r>τ•N₃₆₀/N, где τ - длительность исполнения двигателем элементарного шага, N₃₆₀ - число элементарных шагов в полном цикле двигателя);
4) Δt - временной сдвиг между видеокадрами, подвергаемыми корреляционному анализу (Δt кратен периоду модификации освещения и для реализации увеличения точности отображения многократно превосходит его).

Работа обслуживающей устройство программы начинается подачей команды запуска в БУ. Команда подготавливает его к синхронизации видеовводом (в варианте синхронизации компьютером активируется режим ожидания синхронизирующих команд компьютера, в варианте синхронизации видеосигналом телекамеры активируются функция проверки кратности текущих номеров циклов регистрации и видеоввода и активации функции управления УПАФР при поступлении стробов, удовлетворяющих программно заданной кратности вышеназванных циклов). Далее программа переходит в режим циклического (с частотой 1/T_r) ввода цифровых кадров и декорреляционного отображения деформации. Цикл начинается считыванием с выхода ЦУВ цифровых изображений {e_ijKh} (где h∈[1,H], Н - число ракурсных каналов регистрации поверхности), преобразованных последним из сформированных телекамерами видеокадров. Компьютер формирует код времени его регистрации (таковым может выступать порядковый кадра К) и сохраняет его совместно с набором цифровых изображений (в варианте устройства с цветной телерегистрацией цифровые изображения представляются тройками r, g и b-компонент { e_ijKhc} (h∈[1,H], с=r, g, b)).

По окончании видеоввода БУ совместно с УПАФР в ответ на синхрокоманду компьютера или телевизионных камер (в зависимости от варианта синхронизации), начинает преобразование АФР освещающего пучка, заканчивающееся к началу очередного цикла видеоввода и приводящее к смене спекл-структуры регистрируемого видеоизображения. При реализации УПАФР в варианте амплитудно-фазового модулятора с экраном, вращаемым электромеханическим приводом, БУ формирует сигнал его поворота на угол 360/N градусов, исполняемый приводом. При реализации привода на базе шагового электродвигателя генератор подает на двигатель управляющую последовательность электроимпульсов, исполняемую последней в форме поворота линзы на 360/N градусов. Спекл-структуры видеоизображений при заданном амплитудно-фазовом распределении детерминируются поверхностным микрорельефом и являются, таким образом, системами наведенных маркеров, эволюционирующими совместно с поверхностью в процессе ее деформации. Их декорреляция в видеокадрах, формируемых при идентичном коде освещения, напрямую связана с деформацией, Напротив, спекл-структуры видеоизображений, формируемые при несовпадающих АФР освещения, статистически независимы и полностью декоррелированы.

При достижении t= К•T_r значений, превосходящих Δt-N•T_r/2, производится вычисление набора Н карт выборочного коэффициента взаимной декорреляции (ВКВД) D_ijKph(Δt= p•T_r)≡D_ijKph между текущими введенными {e_ijKh} и соответствующими хранящимися в памяти {e_{ij,(K-p•N),h}} ракурсными изображениями с последующим усреднением в ансамбле направлений телерегистрации . В варианте устройства с цветной телерегистрацией вычислениям карт ВКВД предшествует преобразование набора r, g и b-компонент ракурсных цифровых изображений в соответствующий набор С (С≤3) спектральных видеоизображений вычисление ВКВД для каждой спектральной компоненты Н-ракурсного видеоизображения с последующим усреднением в ансамбле спектральных компонент и ракурсов регистрации
Полученная таким образом усредненная карта ВКВД выводится на визуализирующий полутоновый дисплей или в файл для последующего отображения другими техническими средствами.

При достижении t значений, превосходящих Δt+N•T_r/2, выполняется дополнительное усреднение карт ВКВД:

Далее карта усредненного ВКВД выводится на визуализирующий полутоновый дисплей или в файл для последующего отображения другими техническими средствами.

В заключение остановимся на обосновании увеличения точности отображения деформации, реализуемого заявляемой группой изобретений. Не вызывает сомнений допустимость приближения эволюции истинного значения декорреляции D_ijKp его регрессией от времени регистрации. При телерегистрации деформируемой поверхности с частотой, при которой декорреляционно отображаемые деформации поверхности многократно превосходят ее межкадровые деформации, в указанных целях применима линейная регрессия, выполняемая методом наименьших квадратов Гаусса. Указанный вид регрессии вследствие реализуемости в рамках заявляемого способа следующего набора условий - а) детерминированность моментов регистрации кадров, б) нормальность (с нулевым средним и равной дисперсией σ²) распределений погрешностей измерений D_ijKp и в) статистическая независимость последних - обеспечивает несмещенную оценку истинного значения D_ijKp с минимальной дисперсией. Причем для центра временного интервала [K-N,K], используемого для построения регрессии, последняя рассчитывается арифметическим усреднением с использованием ранее приведенного выражения (1), при этом для среднеквадратичного отклонения справедливо выражение

Заметим, что дополнительные вычислительные затраты, связанные с усреднением карт ВКВД, пренебрежимо малы в сравнении с общими затратами компьютера в цикле декорреляционного отображения и не противоречат возможности такого отображения с задержкой от in situ на время N•T_r/2 со снижением (в сравнении с прототипом) стандартной погрешности в раз и отображения в реальном времени со снижением последней в раз.

Изобретение относится к способам и устройствам для исследования и контроля напряженно-деформируемых состояний, технологического контроля при деформационном преобразовании твердых тел, дефектоскопии и механических испытаниях материалов. Сущность: в каждом цикле цифровой видеозаписи неизменным для всего цикла наблюдений образом формируют одновременно совокупность одинаково дифракционно ограниченных изображений поверхности со статистически независимыми спекл-структурами. Карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для соответствующих компонент этих различающихся по времени регистрации совокупностей, усредняют по ансамблю компонент и усредненную карту используют для отображения зон локализации деформации поверхности. Устройство, реализующее способ, содержит источник когерентного излучения, оптическую систему освещения контролируемой поверхности, последовательно связанные систему телерегистрации поверхности, цифровое устройство видеоввода и соединенный с дисплеем компьютер. Система телерегистрации поверхности выполнена с возможностью одновременной регистрации совокупности ее одинаково дифракционно ограниченных изображений со статистически взаимно независимыми спекл-структурами, реализуемой вариантами многоракурсной и/или цветной телесъемки. Технический результат: увеличение точности отображения зон локализации деформации. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ отображения зон локализации деформации поверхности, заключающийся в том, что, освещая деформируемую поверхность когерентным светом, производят ее телевизионную регистрацию, оцифровывая и запоминая при этом последовательность ее видеоизображений, для разнесенных во времени пар изображений вычисляют карты выборочной взаимной декорреляции и используют их для отображения зон локализации деформации поверхности, отличающийся тем, что в каждом цикле цифровой регистрации неизменным для всего цикла наблюдений образом формируют одновременно совокупность одинаково дифракционно ограниченных изображений поверхности со статически и независимыми спекл-структурами, карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для соответствующих компонент этих различающихся по времени регистрации совокупностей, усредняют по ансамблю компонент и усредненную карту используют для отображения зон локализации деформации поверхности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при телерегистрации поверхности одновременно формируют, оцифровывают и запоминают совокупность последовательностей одинаково дифракционно ограниченных видеоизображений, отличающихся по направлениям регистрации поверхности, карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для каждого ракурса и усредняют по ансамблю последних. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для упрощения видеоввода изображений, различающихся по направлениям их регистрации, последние регистрируют телекамерой с многоракурсной оптической системой, обеспечивающей оптическое сопряжение деформируемой поверхности с соответствующими неперекрывающимися участками регистрирующей апертуры телекамеры. 4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что для дополнительного снижения погрешности отображения деформации поверхности для регистрации видеоизображений, отличающихся по направлениям регистрации поверхности, последнюю освещают излучением, содержащим до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент, для регистрации применяют цветные телевизионные камеры с оптическими системами, дифракционно ограниченными одинаково для спектральных компонент освещения, преобразовывают цветные видеоизображения в многокомпонентные изображения с соответствующим освещению набором спектральных компонент, карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для каждой спектральной компоненты многоракурсного изображения и усредняют по ансамблю спектральных компонент и ракурсов регистрации. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регистрации поверхности ее освещают излучением, содержащим до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент, и для регистрации применяют цветную телевизионную камеру с оптической системой, дифракционно ограниченной одинаково для всех спектральных компонент освещения, преобразовывают цветные видеоизображения в многокомпонентные изображения с соответствующим освещению набором спектральных компонент, карты выборочной взаимной декорреляции рассчитывают отдельно для каждой спектральной компоненты и усредняют по ансамблю последних. 6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что для дополнительного увеличения точности отображения деформации поверхности для освещения поверхности используют периодически повторяющиеся последовательности импульсных волн когерентного света, сменяющих друг друга с частотой цифровой регистрации и различающихся амплитудно-фазовыми распределениями, обеспечивающими формирование статистически независимых спекл-структур освещенной поверхности, усредненные карты выборочной взаимной декорреляции видеоизображений, сформированных при идентичных амплитудно-фазовых распределениях освещения, дополнительно усредняют по ансамблю ближайших во времени модификаций этих распределений и дополнительно используют для отображения зон локализации деформации. 7. Оптико-телевизионное устройство для отображения зон локализации деформации поверхности, содержащее источник когерентного излучения, оптическую систему освещения контролируемой поверхности, последовательно связанные систему телерегистрации поверхности, цифровое устройство видеоввода и соединенный с дисплеем компьютер, отличающееся тем, что система телерегистрации поверхности выполнена с возможностью одновременной регистрации совокупности ее одинаково дифракционно ограниченных изображений со статически независимыми спекл-структурами. 8. Оптико-телевизионное устройство по п. 7, отличающееся тем, что система телерегистрации поверхности выполнена с возможностью одновременной регистрации совокупности ее одинаково дифракционно ограниченных видеоизображений, различающихся ракурсами наблюдения. 9. Оптико-телевизионное устройство по п. 8, отличающееся тем, что для упрощения видеоввода изображений, различающихся ракурсами наблюдения поверхности, система телерегистрации выполнена на основе единственной телекамеры с многоракурсной оптической системой, обеспечивающей оптическое сопряжение деформируемой поверхности с соответствующими не перекрывающимися участками регистрирующей апертуры камеры. 10. Оптико-телевизионное устройство по пп. 7-9, отличающееся тем, что источник когерентного излучения выполнен как источник полихроматического излучения, содержащего до трех спектрально разнесенных монохроматических когерентных компонент, и система телерегистрации поверхности выполнена на основе цветных телекамер с оптическими системами, дифракционно ограниченными одинаково для всех спектральных компонент освещения. 11. Оптико-телевизионное устройство по пп. 7-10, отличающееся тем, что для дополнительного увеличения точности отображения деформации поверхности в оптическую систему освещения дополнительно введены установленное на оптической оси источника устройство преобразования амплитудно-фазового распределения излучения с синхронизированным с видеовводом и связанным с компьютером блоком управления, обеспечивающие циклически воспроизводимый набор пространственно неоднородных преобразований амплитудно-фазового распределения освещающего пучка, обусловливающих формирование статистически независимых спекл-структур видеоизображений поверхности.