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 aufgenommen wurden. 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 Dehnungsraten berechnet werden. Aus der digitalen Bildkorrelation ergeben sich vollflächige Messdaten der Objektoberfläche, die auf Tausenden von 2D- oder 3D-Koordinaten mit sehr hoher Ortsauflösung basieren.

Zunächst präpariert man die Oberfläche der Messobjekte mit einem geeigneten Muster. Die Muster können z. B. mit Sprühdosen, Pinseln, Drucken usw. aufgebracht werden. Solange sich das Muster während der Prüfung mit der Oberfläche der Proben bewegt und verformt, spielt die Technik der Musteranbringung eine untergeordnete Rolle.

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 Kameraausrichtungen 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. Die aufgezeichneten Bilder dienen als Verschiebungs- und Dehnungsreferenz für alle weiteren Auswertungen. Während der Prüfung wird die Bildaufnahme in Abhängigkeit von den Prüfanforderungen, d. h. Bildaufnahmefrequenz, Belichtungszeit usw., durchgeführt.

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.

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.

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. 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 Bauteilprüfung.

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.