СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ ЗОН ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF IMAGING SURFACE DEFORMATION LOCALISATION ZONES

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 методом цифровой спекл-фотографии [Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. / М.: Мир, 1986. - 327 с.], 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 когерентным светом. 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. Другим недостатком способа является ограничение по минимальной величине определяемого вектора смещения размерами светочувствительного элемента матрицы видеоприемного устройства и, как следствие, недостаточное разрешение в области малых деформаций.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому способу по совокупности признаков является способ отображения зон локализации деформации поверхности [RU 2192621 С2, 2002]. 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 I I 350 предельная частота визуализации в пределах кадра 384×288 рх полем ВКВД, рассчитанным при размерах корреляционного окна 16×16 рх, составляет 5 кадр/с.Таким образом, способ не предусматривает возможности коррекции частоты выполнения визуализации при конфликте производительности компьютера и времени необходимых вычислительных операций. Высокие требования к быстродействию используемого компьютера приводят к резкому снижению производительности в случае применения высокоразрешающих видеокамер (от 1024×1024) с числом градаций по яркости более 256.
Другим недостатком способа является то, что реализуемое им отображение деформации поверхности базируется на однократном определения карт ВКВД, значения которых в силу ограниченности размеров корреляционных окон, используемых при измерении, подвержены статистическому разбросу, что является источником погрешности отображения. Снижение погрешности здесь реализуется увеличением размеров корреляционных окон, что сопровождается дополнительным сглаживанием отображаемого деформационного поля и снижением пространственного разрешения. Способ также не предусматривает минимизацию случайных ошибок определения ВКВД на основе статической обработки ближайших во времени измерений из-за их статистической зависимости, обусловленной высокой корреляции наблюдаемых при этом спекл-структур, формируемых при неизменном освещении поверхности в состояниях, мало различающихся по степени деформированности.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа отображения зон локализации деформации поверхности с расширением функциональных возможностей, выражающееся в:
1) увеличении точности отображения зон локализации деформации за счет применения высокоразрешающих видеокамер;
2) увеличении информативности реальновременного отображения зон локализации деформации и установления прямой зависимости между измеренными величинами и значениями скоростей деформации в анализируемой области.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом способе отображения зон локализации деформации поверхности последнюю освещают когерентным светом, оцифровывают и запоминают последовательность ее видеоизображений.
Отличительной особенностью способа является то, что для каждой точки оцифрованного изображения формируется выборка из N отсчетов, содержащая зависимость уровня освещенности от времени, затем для каждой выборки производится вычисление дисперсии и математического ожидания, соотношение которых в свою очередь используют для отображения зон локализации деформации поверхности.
Кроме того, при необходимости оптимизации параметров отображения повторно воспроизводят вычисления дисперсии и математического ожидания, регулируя при этом размер выборки.
Также помимо этого для визуализации пластических процессов на требуемых масштабных уровнях вычисление дисперсии и математического ожидания проводится не для единичной точки поверхности, а для ее окрестности, размер которой задается требуемым масштабным уровнем.
Целесообразно для увеличения информативности реальновременного отображения зон локализации деформации и ускорения процесса апостериорной оптимизации отображения вычисление, усреднение, запоминание дисперсионных характеристик и отображение ими зон локализации деформации поверхности выполнять одновременно для нескольких предварительно заданных уровней отображения, характеризуемых программно заданными размерами выборки и частотой оцифровки.
f
При осуществлении заявляемого способа отображения (визуализации) зон локализации деформации анализируемую поверхность на первом этапе освещают когерентным светом. Такое освещение приводит к образованию видимой зернистости на поверхности образца, называемой спекл-структурой. Освещаемая таким образом деформируемая поверхность регистрируется телекамерой, которая совместно с устройством видеоввода, установленном в компьютере, производит оцифровку зарегистрированных изображений с частотой 1/T. Последние размещаются (запоминаются) в памяти компьютера совместно с кодом времени их регистрации (номерами кадров K). Спекл-структуры видеоизображений детерминируются поверхностным микрорельефом и являются, таким образом, наведенными маркерами, эволюционирующими совместно с поверхностью в процессе ее деформации. Их эволюция в видеокадрах, формируемых при идентичном освещении, напрямую связана с деформацией.
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 расшифрованных ниже параметров . 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) Вычисление математического ожидания и среднеквадратичной дисперсии для временной выборки размером N. Для оптимизации вычислительной процедуры расчет обеих величин и их соотношения производится одновременно в одном вычислительном цикле, так что для каждого элемента изображения получается значение параметра
,
где
j
f
e - видеосигнал (i) - пикселя видеокадра в момент времени t=j·T, N - размер временной выборки,  - среднее по выборке N.
Таким образом, общий временной интервал, в котором производится вычисление для заданного уровня
f
F, равен Δt=T·N.
2) При необходимости визуализации зон деформации, имеющих различный масштабный уровень, вычисление Vi производится не для единичной точки поверхности, а для ее окрестности, размер которой определяется исследуемым масштабным уровнем, таким образом, что
,
где М - масштабный уровень (1÷L) и для последующих вычислений используются значения .
Расчет максимальной вариации Vi по изображению и нормировка мгновенных значений Vi для обеспечения возможности визуализации: V(x,y)=Vi·255/max(ΔVi), где х, у - пространственные координаты точки на поверхности образца.
3) При необходимости возможно проведение градуировки, когда для заданного образца сначала получают таблицы соответствия между вычисленной величиной Vi и скоростью перемещения поверхности, а затем переводят значения Vi в скорости локальных перемещений. Для получения такой таблицы необходимо произвести запись и обработку серии изображений, полученных для нескольких скоростей перемещения образца как целого. Мгновенные скорости для каждой точки поверхности усредняют и получают одно значение, соответствующее данной скорости. Как видно из определения, такую градуировку необходимо проводить перед началом испытаний или исследований, причем для заданного класса материалов возможно создание баз данных, которые могут быть использованы многократно.
4) Полученные поля скоростей перемещения пересчитываются в поля локальных деформаций DEF(x, у) методом численного дифференцирования.
5) Вывод усредненной карты V(x,y) или DEF(x,y) на полутоновый дисплей для визуализации и/или в файл для последующего отображения другими техническими средствами.
f
Указанная последовательность операций отображения выполняется на каждом уровне отображения с программно заданной (при определении уровня) частотой повторения 1/T(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).