Анализ изображений в оптическом методе оценки деформации

Актуальность исследования. Современный уровень развития технологий автоматической обработки визуальной информации обусловливает их широкое применение во многих отраслях: микробиологии, медицине, материаловедении (анализ структуры), автоматизированных системах для выполнения широкого класса производственных операций и др. В рамках экспериментальной механики также существует ряд подходов, основанных на обработке и анализе изображений, получаемых, например, в ходе приложения воздействия к объекту исследований.
Обработка и анализ изображений являются одной из наиболее актуальных проблем, в рамках которой решается множество фундаментальных и прикладных задач. Как правило, термин «изображение» используется применительно к види- мому диапазону электромагнитных волн. Однако разработка новых методов и ап- паратных средств получения сигналов позволяет получать двумерные сигналы в диапазонах волн, отличных от видимого. В результате, независимо от типа датчика двух/трехмерного сигнала, основной задачей обработки и анализа изображений яв- ляется получение информации, которая может служить для количественной харак- теризации (путем выбора и расчета информативных признаков) присутствующих на нем объектов.
Одним из приложений методов обработки и анализа изображений является проведение встроенного контроля деталей машин и элементов конструкций с при- менением датчиков деформации интегрального типа (ДДИТ). Методика ДДИТ ос- нована на регистрации оптических изображений поверхности тонкого (алюминие- вого) чувствительного элемента (фольги), наклеенного на исследуемый нагружае- мый материал или деталь. В современной литературе выделяется несколько подхо- дов для анализа изображений с целью оценки деформационного состояния матери- ала при воздействии на него механической нагрузки: спектральный подход, вейвлет–анализ, фрактальный анализ, вычисление информативных параметров и др. Исследования в данной области были изложены в работах В.Н. Сызранцева, С.Р. Игнатовича, М.В. Карускевича и др.
8
В настоящее время в научно-технической литературе получил широкое рас-
пространение термин «оптический поток» («optical flow»): движение яркостной картины, наблюдаемое при перемещении объектов перед камерой, либо камеры в неподвижной окружающей обстановке. Исследования по данной тематике появля- ются с начала 1980-х годов. Алгоритмы определения оптического потока широко ис- пользуются в различных научных направлениях и практических задачах. В частности, для оценки полей скоростей течения потоков жидкости или газа с использованием метода цифровой трассерной визуализации (PIV – Particle Image Velocimetry), сжатия видеоданных, в роботизированных системах управления транспортными средствами. Среди основных методов выделяют: дифференциальные алгоритмы, фазовые (ча- стотные) алгоритмы; блочные алгоритмы. Первые дифференциальные алгоритмы были предложены B. K. P. Horn и B. G. Schunck, а также B. D. Lucas и T. Kanade.
Развитие таких алгоритмов, в первую очередь, было основано на усложнении модели движения, которая учитывает, в частности аффинные преобразования, по- ворот и др. Изучаются проблемы фильтрации векторных полей. Проблему ошибок определения поля оптического потока часто решают с использованием простран- ственной регуляризации, которая в последствии была расширена до простран- ственно-временной. Алгоритмы вычисления оптического потока активно реализу- ются с использованием параллельных вычислений. Проводятся исследования по снижению вычислительных затрат алгоритмов определения перемещений на изоб- ражениях. К таким исследованиям относится применение многомасштабного иерархического подхода для обработки изображений при вычислении оптического потока и др.
В экспериментальной механике для оценки деформации твердых тел получил распространение метод корреляции цифровых изображений (DIC – Digital Image Correlation). Метод основан на определении перемещений через процедуру мини- мизации коэффициента корреляции как меры подобия участков изображений по- верхности объекта до деформирования и после. В настоящее время метод корреля- ции цифровых изображений является одним из наиболее распространённых подхо- дов к изучению процессов деформации и разрушения структурно-неоднородных

9
материалов. Большой вклад в развитие метода корреляции цифровых изображений
внесли M.A. Sutton, F. Hild, P. Lava, S. Roux, B. Pan и др.
Несмотря на достигнутые успехи в области разработки методов и алгоритмов
оценки деформации, включая доступные коммерческие программные пакеты, оста- ются нерешенными задачи, связанные с недостаточной точностью, устойчивостью, высокими вычислительной сложностью и временными затратами при определении перемещений при оценке механического состояния объектов. В этой связи пред- ставляется актуальной решение проблемы анализа изображений в оптическом ме- тоде оценки деформации.
Цель диссертационной работы заключается в разработке комплексного подхода к обработке информации в оптических системах оценки деформационного состояния материалов и их свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
– Исследовать различные алгоритмы оценки фрактальной размерности и дру- гих информативных признаков для характеризации рельефа поверхности нагру- женного материала. Установить параметры и исследовать влияние неадаптивной и адаптивной фильтрации изображений, основанной на оценке уровня шума на изоб- ражениях, на результат количественной оценки рельефа поверхности.
– Разработать адаптивный алгоритм определения размера ядра корреляции для целей автоматизации вычислений в оптическом методе оценки деформации.
– Разработать инкрементальный алгоритм определения перемещений на изображениях, позволяющий проводить их оценку в условиях значительного изме- нения рельефа поверхности и степени деформации до 50%.
– С целью кратного уменьшения времени построения векторных полей иссле- довать алгоритм трехмерного рекурсивного поиска и разработать ряд его модифи- каций для заданных условий функционирования.
– Применить иерархический подход к задаче определения перемещений на оптических изображениях для одновременного кратного уменьшения временных затрат и повышения устойчивости определения перемещений.

10
– Адаптировать алгоритм трехмерного рекурсивного поиска для реализации
с помощью параллельных вычислений с целью значительного снижения времени построения векторных полей и использования данного алгоритма на многоядерных вычислительных системах.
– Исследовать возможность применения весовых коэффициентов в алго- ритме вычисления оптического потока с целью повышения устойчивости опреде- ления перемещений, прежде всего на границах объектов в пределах области инте- реса.
– Разработать единый алгоритм обработки, анализа и интерпретации изобра- жений в системе технического стереозрения, включающий этапы калибровки оп- тической системы, оценки перемещений, вычисления карт диспаратности и вычис- ления пространственных координат и деформаций поверхности исследуемого объ- екта.
Объектом исследования является процесс анализа изображений при оценке деформации нагруженных материалов.
Предметом исследования являются алгоритмы вычисления перемещений при оценке деформированного состояния и информативных признаков при опреде- лении рельефа поверхности материалов.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработан единый подход к обработке информации в оптических систе- мах оценки деформации материалов, основанный на количественной характериза- ции рельефа на его поверхности и корреляционном анализе изображений (п. 2 пас- порта специальности 05.13.01).
2. Разработано и проведено исследование серии алгоритмов обработки и ана- лиза изображений поверхности объекта или датчика деформации интегрального типа, основанных на вычислении информативных признаков с целью оценки меха- нического состояния материала. Применительно к датчикам интегрального типа в алгоритме адаптивной билатеральной фильтрации для оценки уровня шума на изображении предложено использовать параметр минимальной дисперсии min(D) (п. 3, 4 паспорта специальности 05.13.01).

11
3. Предложен алгоритм автоматического выбора размера ядра корреляции в
задаче построения векторных полей при оценке деформации методом корреляции цифровых изображений, в основе которого лежит вычисление автокорреляцион- ных функций (п. 4 паспорта специальности 05.13.01).
4. Развиты алгоритмы построения полей векторов перемещений, основанные на инкрементальном подходе к оценке перемещений на изображении, отличающи- еся от известных последовательным поиском перемещений с накоплением на изоб- ражениях серии близких по времени, что обеспечивает устойчивость как к а) изме- нению профиля поверхности материала, так и б) значительным по величине дефор- мациям (п. 4 паспорта специальности 05.13.01).
5. Разработан комбинированный вероятностный алгоритм построения полей векторов перемещений, включающий а)трехмерный рекурсивный поиск и б) иерархический подход к анализу изображений. Объединение двух указанных ал- горитмов позволяет кратно повысить быстродействие и устойчивость определения перемещений в условиях существенной зашумленности изображений (п. 4 пас- порта специальности 05.13.01).
6. Показано, что применение весовых коэффициентов позволяет повысить устойчивость определения перемещений (более чем на 8%), прежде всего на кон- трастных границах движущихся объектов на изображениях. Предложен способ вы- числения коэффициентов билатерального фильтра по двум изображениям исполь- зуемой пары, учитывающий произведение коэффициентов билатерального филь- тра обоих изображений, что позволило снизить ошибку более чем на 34% (п. 4 пас- порта специальности 05.13.01).
7. Разработана система технического стереозрения (СТСЗ) для задачи оценки перемещений и деформаций объектов. Алгоритмическое и программное обеспече- ние системы основано на комплексном использовании: а) алгоритма поиска и вы- деления узлов калибровочного шаблона, б) модифицированного инкрементального алгоритма определения перемещений на серии стереопар, в) алгоритма вычисления деформации на поверхности пространственного объекта с использованием восста- новленного профиля поверхности объекта (п. 5 паспорта специальности 05.13.01).

12
Методы исследования. В качестве основных методов исследования в работе
использованы методы обработки и анализа цифровых изображений, векторных по- лей, моделирования изображений на ЭВМ, теории вероятностей, математической статистики, теории оптимизации, физического и математического моделирования.
Теоретическая и практическая значимость работы.
В работе разработаны элементы теории обработки изображений, в частности разработан единый подход к обработке информации в системах технического зре- ния для количественной оценки механического состояния нагруженных материа- лов.
Применение единых принципов, а также их дальнейшее развитие обеспечит более широкое внедрение систем технического зрения для исследования и оценки деформационного состояния материалов и оценки их свойств.
Внедрение оптических систем оценки деформации должно привести к суще- ственному технико-экономическому эффекту в различных отраслях промышлен- ности и науки. В частности, позволит повысить безопасность, экономическую эф- фективность промышленного оборудования, транспортных средств (в авиации), сложных инженерных объектов. Приведет к снижению издержек производства, а также повышению надежности и эксплуатационных характеристик оборудования. Позволит интенсифицировать исследования, а также получить дополнительные ре- зультаты в области прикладной механики, механики разрушения твёрдых тел, уста- лости материала, теории накопления усталостных повреждений. Это также будет способствовать как созданию новых материалов, необходимых современной про- мышленности, так и систем контроля механического состояния элементов механиз- мов и инженерных конструкций.
Разработано программное обеспечение для оценки механического состояния материала на основании количественного расчета и анализа изображений датчика деформации интегрального типа (получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ). Разработано программное обеспечение для построения полей векторов перемещений и оценки деформаций, в основе которого лежат предложенные алго- ритмы (получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ).