Technische Fachinformation
Die Digitale Bildkorrelation, international als Digital Image Correlation (DIC) bezeichnet, ist ein optisches Messverfahren zur berührungslosen und flächenhaften Bestimmung von Verschiebungen, Dehnungen und dreidimensionalen Verformungen.
DIC wird eingesetzt, wenn lokale Verformungen nicht nur an einzelnen Sensorpositionen, sondern über eine vollständige sichtbare Bauteiloberfläche untersucht werden sollen. Die Methode reicht von einer einzelnen Kamera für ebene 2D-Messungen über Stereo-DIC mit zwei Kameras bis zu Mehrkamera-Systemen für große, komplexe oder rundum zu erfassende Bauteile.
Bei der Digitalen Bildkorrelation wird die Oberfläche eines Prüfkörpers mit einer oder mehreren digitalen Kameras aufgenommen. Die Oberfläche besitzt ein natürliches oder künstlich aufgebrachtes zufälliges Grauwertmuster. Dieses Muster wird in kleinen Bildbereichen, den sogenannten Facetten oder Subsets, mathematisch ausgewertet.
Die Software sucht dieselbe lokale Grauwertstruktur in nachfolgenden Bildern wieder. Dadurch kann die Bewegung jeder Facette gegenüber einem Referenzzustand subpixelgenau bestimmt werden. Aus den Bewegungen vieler Facetten entsteht ein flächenhaftes Verschiebungsfeld.
Bei geeigneter Auswertung können daraus lokale Dehnungen, Hauptdehnungen, Richtungen, 3D-Koordinaten und weitere abgeleitete Messgrößen bestimmt werden. DIC ist deshalb nicht nur eine Bildanalyse, sondern ein quantitatives optisches Messverfahren.
Der wesentliche Rechenschritt besteht darin, dieselbe lokale Oberflächenstruktur in unterschiedlichen Aufnahmen zu identifizieren. Dazu wird das Bild in kleine Nachbarschaften unterteilt. Diese Facetten enthalten jeweils ein charakteristisches Grauwertmuster.
Die Korrelation liefert zunächst Verschiebungen im Bild. Durch Subpixelinterpolation kann eine Positionsauflösung erreicht werden, die deutlich kleiner als ein Kamerapixel ist. Bei einem Stereo- oder Mehrkamera-System werden korrespondierende Bildpunkte zusätzlich zwischen den Kameras zugeordnet und über die Kamerageometrie räumlich rekonstruiert.
Das stochastische Muster muss lokal eindeutig und kontrastreich sein. Bei vielen Anwendungen wird zunächst ein heller Grund aufgebracht und anschließend mit zufällig verteilten dunklen Punkten versehen.
Eine Facette enthält mehrere Pixel und damit eine individuelle Grauwertsignatur. Je kleiner die Facette, desto höher kann die räumliche Auflösung sein; gleichzeitig sinkt jedoch die zur Korrelation verfügbare Bildinformation.
Moderne Korrelationsalgorithmen bestimmen die Lageänderung nicht nur auf ganze Pixel genau. Interpolations- und Optimierungsverfahren ermöglichen wesentlich feinere Verschiebungsbestimmungen.
Eine Kamera
Bei 2D DIC beobachtet eine einzelne Kamera eine annähernd ebene Oberfläche. Die Auswertung bestimmt Verschiebungen innerhalb der Bildebene. Voraussetzung ist, dass relevante Bewegungen aus der Ebene heraus vermieden oder vernachlässigt werden können.
Zwei Kameras
Bei 3D DIC beobachten zwei synchronisierte und kalibrierte Kameras dieselbe Oberfläche aus unterschiedlichen Blickrichtungen. Das Prinzip entspricht der Stereophotogrammetrie: Ein Oberflächenpunkt erscheint in beiden Kamerabildern an unterschiedlichen Bildkoordinaten. Aus dieser Geometrie kann seine Position im Raum trianguliert werden.
Zusätzlich zur zeitlichen Korrelation zwischen Referenz- und Belastungszustand erfolgt eine Stereokorrelation zwischen linker und rechter Kamera. Damit entstehen für jeden Verformungszustand 3D-Koordinaten. Aus deren zeitlicher Änderung folgen 3D-Verschiebung und Oberflächendehnung.
Die tatsächliche Oberflächenform wird rekonstruiert und nicht nur als ebenes Kamerabild behandelt.
Auslenkungen senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche werden quantitativ gemessen.
Gekrümmte, gebeulte oder frei verformte Oberflächen können direkt ausgewertet werden.
Zwei Kameras bilden das klassische Stereo-DIC-System. Zusätzliche Kameras erweitern die Möglichkeiten deutlich. Sie liefern weitere Sichtlinien, vergrößern die Oberflächenabdeckung und können die Robustheit und Genauigkeit der räumlichen Rekonstruktion erhöhen.
Eine dritte Kamera liefert zusätzliche Bildinformation. Dadurch kann das gemeinsame Sichtfeld erweitert werden, und Bereiche, die aus einer Kameraposition ungünstig oder teilweise abgeschattet sind, können aus einer weiteren Perspektive erfasst werden.
Bei geeigneter Geometrie entsteht redundante 3D-Information. Das kann die Messrobustheit und die erreichbare Genauigkeit verbessern.
Eine typische Anwendung von vier Kameras ist die simultane Messung beider Seiten einer Probe: zwei Kameras bilden ein Stereosystem für die Vorderseite, zwei weitere ein Stereosystem für die Rückseite.
Werden beide Oberflächen in einem gemeinsamen Koordinatensystem ausgewertet, lassen sich neben der Oberflächendehnung auch Biegung und Dickenänderung bzw. Dehnung in Dickenrichtung bestimmen.
Bei zylindrischen oder stark gekrümmten Proben können mehrere Kamerapaare um das Objekt angeordnet werden. Auf diese Weise wird die sonst nur begrenzt sichtbare Oberfläche nahezu oder vollständig rundum erfasst.
Bei komplexen Bauteilen können bis zu 16 Kameras zu einem gemeinsamen Messcluster kombiniert werden. Alle Kameras werden in ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert.
Bei überlappenden Sichtfeldern kann die Auswertung kameraübergreifend erfolgen; im Clusteransatz können die relevanten Kamerapaare miteinander korreliert werden. Dadurch entsteht ein zusammenhängendes 3D-Messergebnis auch für komplexe Geometrien mit vielen Sichtseiten.
Bei 3D DIC ist die Kamerakalibrierung ein zentraler Bestandteil der Messkette. Die Software muss sowohl die inneren Parameter der Kameras als auch deren Lage zueinander kennen.
Dazu gehören Brennweite, Hauptpunkt und Objektivverzeichnung. Diese Parameter beschreiben, wie dreidimensionale Strukturen auf den Sensor abgebildet werden.
Position und Orientierung jeder Kamera definieren die Stereogeometrie und damit die räumliche Triangulation.
Bei Mehrkamera-Systemen müssen alle Kameras konsistent in dasselbe Koordinatensystem eingebunden werden. Nur dann lassen sich Teilmessfelder und unterschiedliche Blickrichtungen zu einer gemeinsamen 3D-Ergebnisdarstellung zusammenführen.
Verschiebung beschreibt die Positionsänderung eines Oberflächenpunktes. Dehnung dagegen beschreibt die lokale Form- bzw. Längenänderung. Sie entsteht daher aus der räumlichen Änderung des Verschiebungsfeldes beziehungsweise aus der lokalen Deformation der ausgewerteten Oberflächenbereiche.
In Bereichen mit starken Gradienten – beispielsweise an Kerben, Rissspitzen, Fügestellen oder lokalen Einschnürungen – ist die räumliche Dehnungsauflösung besonders wichtig.
Beim Q400 DIC-System kann die Dehnung direkt aus der lokalen Deformation einer einzelnen Facette bestimmt werden. Die Berechnung ist damit nicht zwingend auf Verschiebungswerte benachbarter Facetten angewiesen. Dadurch kann die Dehnung sehr nahe bis an freie Probenränder ausgewertet werden.
Anwendungsbeispiel: DIC-Dehnungsmessung mit hoher Ortsauflösung →
Bei DIC sollte zwischen Bildauflösung, räumlicher Messauflösung, Verschiebungsauflösung und Messgenauigkeit unterschieden werden. Diese Begriffe beschreiben unterschiedliche Eigenschaften der Messung.
| Einflussgröße | Wirkung | Praktische Konsequenz |
|---|---|---|
| Kameraauflösung | Bestimmt die Anzahl verfügbarer Bildpunkte im Messfeld. | Mehr Pixel können bei gleichem Messfeld die lokale Abbildung verbessern. |
| Messfeldgröße | Bestimmt den physikalischen Maßstab pro Pixel. | Kleineres Messfeld bedeutet bei gleicher Kamera mehr Pixel pro Millimeter. |
| Speckle Pattern | Bestimmt die lokale Eindeutigkeit des Grauwertsignals. | Ungeeignete Punktgrößen oder geringer Kontrast verschlechtern die Korrelation. |
| Facettengröße | Beeinflusst Ortsauflösung, Robustheit und Rauschen. | Kleine Facetten erhöhen Ortsauflösung, enthalten aber weniger Bildinformation. |
| Stereo-Winkel | Beeinflusst die Empfindlichkeit der Tiefenrekonstruktion. | Zu kleine oder zu große Winkel können ungünstig sein. |
| Kalibrierung | Bestimmt die geometrische Richtigkeit der 3D-Rekonstruktion. | Kalibrierfehler wirken systematisch auf Koordinaten und Verformung. |
| Beleuchtung und Belichtungszeit | Beeinflussen Kontrast, Rauschen und Bewegungsunschärfe. | Kurze Belichtung ist bei schnellen Vorgängen oft wichtiger als maximale Helligkeit. |
| Kamerastabilität | Ungewollte Kamerabewegung wirkt wie Objektbewegung. | Starre Befestigung und thermische Stabilität sind für hochgenaue Messungen wichtig. |
Das mathematische DIC-Prinzip ist weitgehend unabhängig von der Aufnahmegeschwindigkeit. Die Dynamik des Versuches bestimmt jedoch, welche Kameratechnik erforderlich ist.
Zugversuche, langsame Belastungsversuche, Kriechen, Temperaturzyklen und Langzeitbeobachtung.
Schwingungen, schnelle Prüfmaschinen, Fallversuche und mechanische Ereignisse mit höheren Bildraten.
Crash, Impact, Split-Hopkinson-Bar, Bruchvorgänge oder hochdynamische Verformung mit Hochgeschwindigkeitskameras.
Messfeld, Dehnungsbereich, Dynamik und erforderliche Ortsauflösung festlegen.
Natürliches Muster prüfen oder geeignetes Speckle Pattern aufbringen.
Optik, Kameraposition, Beleuchtung und Kalibrierung auf die Geometrie abstimmen.
Referenzzustand und Belastungssequenz synchron und mit geeigneter Belichtungszeit erfassen.
Facetten korrelieren, 3D rekonstruieren, Dehnung berechnen und Ergebnisse validieren.
Zug-, Druck-, Biege-, Ermüdungs- und Zeitstandversuche sowie lokale Dehnungsanalyse.
Verformung, Beulen, Knicken, lokale Konzentrationen, Rissinitiierung und Versagensanalyse.
Direkter Vergleich gemessener und berechneter Verschiebungs- und Dehnungsfelder.
Lokale Deformationen, Delamination, Schädigung, Sandwichstrukturen und anisotrope Werkstoffe.
Messung großer Dehnungen, Formänderungsverteilungen und lokaler Einschnürung.
Modalformen, Schwingungsfelder, Crash-, Stoß- und Impact-Untersuchungen.
| Eigenschaft | Digitale Bildkorrelation | Punktueller Sensor / DMS |
|---|---|---|
| Messinformation | flächenhaft, viele Messpunkte gleichzeitig | lokal an definierter Sensorposition |
| Kontakt zum Bauteil | berührungslos | Sensor muss aufgebracht oder angekoppelt werden |
| Unbekannte kritische Stelle | kann nachträglich im erfassten Messfeld ausgewertet werden | Sensorposition muss vor dem Versuch festgelegt werden |
| 3D-Geometrie | mit Stereo-DIC direkt messbar | nicht aus einem einzelnen Dehnungssensor |
| Messaufwand | Kameraaufbau, Kalibrierung, Oberflächenmuster | Sensorapplikation, Verkabelung, Signalaufbereitung |
Beide Verfahren haben ihre Berechtigung. DIC ist besonders stark, wenn die räumliche Verteilung einer Verformung entscheidend ist oder die kritische Stelle vor dem Versuch nicht exakt bekannt ist.
Praxisumsetzung
Für industrielle und wissenschaftliche DIC-Messungen stehen modulare Systeme mit unterschiedlichen Kameraauflösungen, Bildraten und Kamerakonfigurationen zur Verfügung. Ein Beispiel ist das Q400 DIC-System von LIMESS, das von 2D DIC mit einer Kamera über Stereo-DIC bis zu Mehrkamera-Konfigurationen eingesetzt werden kann.
Technische Details zu Systemvarianten, Kamerakonfigurationen und Softwarefunktionen finden Sie auf der LIMESS-Produktseite.
DIC steht für Digital Image Correlation. Im Deutschen werden die Begriffe Digitale Bildkorrelation, Bildkorrelation und Grauwertkorrelation verwendet.
Eine Kamera reicht für 2D DIC an annähernd ebenen Objekten. Zwei Kameras ermöglichen 3D Stereo-DIC. Mehr Kameras werden für größere Sichtfelder, höhere Redundanz, doppelseitige Messung oder komplexe Rundum-Geometrien eingesetzt.
Die Auswertung benötigt lokal eindeutige Grauwertstrukturen. Ein zufälliges Specklemuster stellt sicher, dass die Facetten in den nachfolgenden Bildern eindeutig wiedergefunden werden können.
Ja. Die erreichbare Dehnungsauflösung hängt unter anderem von Messfeld, Kameraauflösung, Bildqualität, Facettengröße, Kalibrierung und gewählter Auswertemethode ab.
Ja. DIC eignet sich auch für sehr große Formänderungen, sofern das Specklemuster sichtbar und korrelierbar bleibt und der relevante Bereich im Kamerasichtfeld bleibt.