Optimizing camera(s) position for the modal analysis of a 3D structure using DIC
Optimisation du placement de caméra(s) pour l'analyse vibratoire des structures par corrélation d'images numériques
Résumé
Modal analysis is commonly used in engineering and industry to assess the safety and durability of structures. Various measurement techniques have been developed, some require a large number of sensors, which can be intrusive and then disrupt the response of the structures. Non-contact optical field measurement methods are a very interesting alternative to deal with the above-mentioned problems. These techniques offer high resolution and can be used on lightweight and poorly damped structures with comparable or better results than traditional methods. However, using digital image correlation (DIC) method raises the question of the optimal positioning of the camera (or cameras) for the best characterization of the mode shapes of interest. However, errors generally affect the data measured by DIC. Recent studies have been dedicated to the development of a methodology for evaluating the metrological performance of image processing. The evaluation of displacement errors is usually carried out using the synthesis of images representing real speckle patterns (natural or created on the surface) and its image produced by a camera. The speckle deformation is then analysed by simulating displacement field, corresponding to homogeneous or heterogeneous translation, in the two axes of the image. Then a statistical analysis of the differences between imposed and measured values is performed, taking into account the various parameters of the speckle, of the deformation field and of the acquisition and image processing. In 2D-DIC, the camera is assumed to be aligned perpendicular to the surface of the observed specimen. This surface is assumed initially flat. Then 2D-DIC only allows for the measurement of displacement components in the initial planes. However, the previous requirements cannot be fulfilled for all point of the image when the observed structure is a 3D structure with complex geometry and deformation. Then the calculation of the plane components may be insufficient. A possible solution lies in the use of a stereovision 3D-DIC system setup, involving two or more cameras to record the structure from various points of view. However, the stereovision system needs fine calibration of multiple cameras which can introduce other sources of error in the deduced displacement fields. The proposed approach does not require such calibration and consequently avoid related errors by only considering displacement components apparent in the projection plane of each camera. However, the non-optimality of this projection, due to the three-dimensional nature of the observed structures and of the displacement, induces additional sources of error that have to be analysed. Moreover, this induced degradation of the accuracy of theoretical measurement must be considered when determining the optimal position of the camera. To define a criterion for the optimum positioning of the camera, views of all possible camera configurations are simulated in the 3D domain around the observed structure using the standard perspective projection equations. Initially, a mode visibility criterion is developed as a function of the camera location. Given the purpose of these simulations in terms of application to DIC, a particular focus of the work was the measurement accuracy linked to each camera position. In this context, the developed criterion is enhanced to take into account the degradation of the measurement accuracy caused by additional parameters related to the observation of a 3D structure with only one camera (parameters such as the variable speckle size, the limited camera's depth of field, the anisotropy of marking and out-of-plane displacement). An experimental validation was performed considering the first three modes of vibration of a test structure. Obtained results demonstrate the relevance of the proposed approach. This work is the preliminary step in the development of damage assessment techniques by experimental modal analysis and image correlation
Les mesures de vibrations sont couramment utilisées dans l'ingénierie et l'industrie pour évaluer la sécurité et la durabilité des structures. Différentes techniques de mesure ont été développées, dont certaines nécessitent l'installation de nombreux capteurs, ce qui peut perturber la réponse des structures. Les méthodes de mesures de champ par techniques optiques sans contact constituent donc une alternative très intéressante. Ces techniques offrent une bonne performance de mesure et peuvent être utilisées sur des structures légères et peu amorties avec des résultats comparables ou meilleurs que les méthodes traditionnelles. L'utilisation de la méthode de corrélation d'images (CIN) pose néanmoins la question de l'optimisation de la position de la caméra (ou des caméras) pour détecter au mieux certains modes de vibrations. De plus, lors de la mise en œuvre de la technique de CIN, diverses sources d'erreur peuvent affecter la précision des données mesurées.Lors de la mesure par corrélation dite « 2D », l'axe optique de la caméra est placé perpendiculairement à la surface observée, initialement plane, et la technique de mesure donne accès aux composantes de déplacement dans ce plan. Dans le cas de structures tridimensionnelles dont la géométrie et les sollicitations appliquées sont complexes, il n'est pas possible de satisfaire ces conditions en tout point de l'image et l'accès aux seules composantes planes peut s'avérer insuffisant. Une possible solution réside alors dans la mise en place d'un système de corrélation d'images en 3D, utilisant deux ou plusieurs caméras positionnées sous différents angles. Cependant, un tel système de stéréovision requiert un calibrage précis des caméras ce qui peut introduire de nouvelles sources d'erreur dans les champs de déplacement obtenus. La démarche que nous adoptons s'affranchit de cette calibration et des erreurs associées en se limitant à l'analyse des composantes apparentes de déplacement dans le plan de projection de chaque caméra. Néanmoins la non-optimalité de cette projection due à la nature tridimensionnelle des structures et mouvements observés induit des sources d'erreurs supplémentaires que nous analysons. La dégradation de la mesure théorique devant être prise en compte dans l'optimisation du positionnement, nous calculons tout d'abord les vues d'une structure modèle numérique à partir de toutes les configurations possibles de caméra dans l'espace 3D autour de la structure, en utilisant les équations de projection perspective. Un premier critère est ensuite développé pour apprécier la visibilité du mode par rapport à la position théorique de la caméra. Compte tenu de la finalité de ces simulations en termes d'application à la CIN et d'évaluation de ses performances métrologiques pour la caractérisation du comportement vibratoire, une attention particulière est accordée à la précision de mesure de chaque position de caméra. Dans cette optique, le critère développé est enrichi pour tenir compte de la détérioration de la mesure induite par des paramètres supplémentaires liés à l'observation d'une structure 3D avec une unique caméra (tels que la taille variable des taches du mouchetis, la profondeur de champ limitée, l'anisotropie de marquage et le déplacement hors-plan). Une validation expérimentale a été réalisée portant sur les trois premiers modes de vibration de la structure modèle et démontre la pertinence de la démarche proposée. Ces travaux visent à constituer une première étape dans le développement de techniques d'évaluation de l'endommagement des structures par méthodes vibratoires et corrélation d'images numériques
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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