ひずみを考慮した画像計測法によるゴム材料の全視野変位・ひずみ計測

ひずみを考慮した画像計測法によるゴム材料の全視野変位・ひずみ計測の高精度化
大阪府立大学大学院工学研究科航空宇宙海洋系専攻正岡研究室
研究背景・目的
背景
サブピクセル画像照合法
本研究の流れ
ゴム材料の変位･ひずみ計測の現状
サブピクセル処理
画像照合法
ai(xi,yi)
本研究の目的
・ゴム材料への金属ひずみゲージの適用は困難な
ので、試験片の標線間の変位差1)、すなわち平均
的なひずみを計測するのが一般的
・応力・ひずみ集中部等の変形ひずみ挙動を把握
するために、多点計測、精細計測を行うことは非
常に重要
M1 大平紘敬
Δx
dy
ひずみを考慮した画像照合法の開発
A(ai)
・大変形時における変位・ひずみ
計測の高精度化
・変形前後2枚の画像で照合可能
ピクセル単位での対応点bj を基準にそ
れと隣接する点(x方向3×y方向3)の
輝度相関値から最小二乗曲面を作成
bj(xi+Δx ,yi+Δy)
dx
A (ai)
Δy
B(bj)
基準画像
最小二乗曲面が最小値をとるときの
座標(x,y)
比較画像
従来手法との比較・検討することに
より上記手法の妥当性の検証
大変形時における計測精度に問題があり、
ひずみ分布に振動が見られる
各々の領域の輝度相関値 Rij(ai,bj)を
残差自乗和相関により求める｡
最小二乗曲面
x+Δx-1
輝度相関値Rijが最大時における
B(bj)の中心位置bj(xi+Δx,yi+Δy)が
対応点（ピクセル単位）となる。
ひずみ集中問題への適用
参考文献：1)加硫ゴムの引張り試験法 (JIS K-6251) (ISO 37)他
：2)山口晃司,柴原正和,画像処理による非接触変形・応力法の開発, 溶接シンポジウム(2006)他
対応点
輝度相関値
比較画像の画像領域 B(bj) をずらし
ながら順次設定
全視野計測が可能な画像処理による変形計
測法2)を適用すれば多点計測、精細計測が可
能になると考えられる
問題点
対応点(サブピクセル単位)
更に高精度化するために
比較する画像領域 A(ai), B(bj)を同
サイズ dx×dy で設定(dx,dyは10
～100程度)
x+Δx
x+Δx+1
x ピクセル座標
x方向の最小二乗曲面
全画素について繰り返し適用
増分加算型変形計測法(従来手法)
サブピクセル処理を施した画像照合法を連続的に適用す
ることにより、変位{Δu1}、 {Δu2}、{Δu3}・・・ {Δun}を
計測
ｙ
(xn,yn)
・・・
(x3,y3)
(x2,y2)
(xx1,y1)
画像2
画像1
変形前画像
画像3
従来システムの流れ
提案システムの流れ
変形中の連続画像を
撮影
変形前後2枚の画像
を撮影
連続する2枚の画像
毎に画像照合
照合範囲を変化させ
画像照合
変位増分を加算し変
位量{Δu}を算出
変位量{u}を算出
この点に輝度値は存在しない
最終変形画像
対応点を追跡
{Δε}=[B]{Δu}
{ε}n={ε}n-1+{Δε}n
よりひずみを算出
変形前画像と最終変形画像での変位量
{ΔU}={Δu1}+{Δu2}+{Δu3}・・・+{Δun}
照合範囲
＋
画像n+１
変形途中画像変形途中画像
輝度値は画素の中心のみ存在する
照合範囲
相関性の最も高い照
合範囲の変化率をひ
ずみ{ε}として算出
変形前画像
空間的な微分を行わない
ためノイズが小さく高精度
変形後画像の照合範囲を変化させ、
変形前画像の照合範囲と相関をとる
ゴム材料矩形試験片の引張り試験
2枚目
3枚目
4枚目
A-A'上 y方向変位(pixel)
1枚目
40
125
解析領域
t=2
試験片形状・寸法
基準画像 (F=37.6N) (F=61.2N) (F=84.3N)
従来手法
ひずみを考慮した画像照合法
4枚の画像で照合
(%)
(%)
A
A’
Y方向ひずみ
Y方向変位
ばらつきのあったひずみ分布が滑らかになった
Y方向ひずみ
6枚目
基準画像 (F=12.0N) (F=28.8N) (F=40.3N)
100
50
0
ひずみを考慮した画像照合法(2枚)
従来手法(4枚)
50
100 150 200 250
y座標(pixel)
300
試験片形状・寸法
120
(%)
100
80
A
A’
B
B’
60
40
20
0
0
ひずみの振動が軽減
50
ひずみを考慮した画像照合法
(2枚)
従来手法(6枚)
100
A-A’上 Y方向変位
A
4枚目
t=2
150
A
A’
2枚目
200
ひずみを考慮した画像照合法 (2枚)
従来手法(4枚)
Y方向変位
1枚目
15
125
変位計測は同程度の精度
2枚の画像のみで照合
(pixel)
解析画像
F
40
250
A-A'上 y方向ひずみ(%)
(pixel)
300
A’
周囲4点の輝度値を用いて線形
補間を行うことで輝度値を算出
き裂を有するゴム材料の引張り試験
両手法の結果比較
解析画像
F
変形後画像
100 150 200 250
y座標(pixel)
300
(F=40.3N)
A-A’上 Y方向ひずみ
B-B'上 y方向ひずみ(%)
{Δu1}
{Δun}
{Δu3}
{Δu2}
ひずみを考慮した画像照合法(提案手法)
B
80
B’
き裂近傍部までひずみ計測が可能
60
40
20
0
0
100
200
300
x座標(pixel)
400
B-B’上 y方向ひずみ
計測誤差によるひずみ分布の振動を抑えることができた
結言
・画像処理による変形計測法に対し、新たに
ひずみを考慮した画像照合法を導入することにより、高精度な変位・ひずみ計測
を導入することにより、高精度な変位・ひずみ計測
画像処理による変形計測法に対し、新たにひずみを考慮した画像照合法
が可能になった。
・大変形時においても変形前後2
大変形時においても変形前後2枚の画像のみで変位・ひずみ計測が可能になった。
枚の画像のみで変位・ひずみ計測が可能になった。
今後の展望
・顕微鏡画像を用いることで、微視的な応力・ひずみ集中部のき裂進展挙動を計測し、き裂進展メカニズムについて巨視的および
微視的の双方から検討を行う。

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