低成本的原位2D数字图像相关（DIC）应用软件RealPi2dDIC

软件X 13（2021）100645原始软件出版物RealPi2dDIC：一种低成本、开源的原位2D数字图像相关（DIC）应用方法Partha Pratim Dasa，b， Muthu Ram Prabhu Elenchezhiana，b，Vamsee Vadlamudib，Kenneth Reifsnidera，b，Rassel Raihana，b，a德克萨斯大学阿灵顿分校机械和航空航天工程系，美国德克萨斯州阿灵顿76019b预测性能方法研究所，德克萨斯大学阿灵顿研究所，美国德克萨斯州沃思堡，76118ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年2020年12月4日收到修订版2020年12月7日接受保留字：数字图像相关（DIC）现场应变测量a b st ra ct在目前的工作中，一个开源的二维数字图像相关（DIC）工具，RealPi2dDIC，提出了在现场监测全场变形和应变响应的结构在加载过程中。该软件使用Python 3编码，使用Raspberry Pi作为计算，Pi相机作为成像设备。这种低成本的方法，在原位DIC分析，使其应用在广泛的研究领域和工业问题，其中二维应变场张量是研究的主要兴趣之一。此代码提供了一个交互式用户界面（UI），使其用户友好和易于使用。此外，RealPi2dDIC提供了一个简单的软件架构，可以采用，修改和扩展，以满足用户©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本0.0.1指向此代码版本所用代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00054Code Ocean compute capsulen/a法律代码许可证MIT使用的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用Python3、opencv、numpy、scipy、picamera、matplotlib编译要求，操作环境依赖Raspberry Pi，Raspbian OS，Pi camera module v2如果可用，链接到开发人员文档/手册https://utaresearch.github.io/RealPi2dDIC/docs.htmlhttps://utaresearch.github.io/RealPi2dDIC/sop.html如有疑问，请发送支持电子邮件至parthapratim. mavs.uta.edu1. 动机和意义当涉及到不同结构在负载（机械和热）下的开发和维护时，应变和变形是需要考虑的关键参数。在实验固体力学中，使用逐点应变计（如电阻应变计、引伸计）和使用测试设备的十字头运动来测量应变的单个标量值。但它认为菌株是同质的，这并不代表菌株的真实性质. 因此，已经发现这些方法在记录*通讯作者。电子邮件地址：parthapratim. mavs.uta.edu（Partha Pratim Das），mdrassel.uta.edu（Rassel Raihan）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100645测试材料的真实特性[1，2]。为了获得非均匀变形场的局部变形信息，开发并实现了几种非接触光学方法，包括散斑干涉法、莫尔干涉法、网格法和数字图像相关（DIC）[3在过去的几十年中，与其他技术相比，DIC已经发展成为从纳米级到宏观级表面测量的有效和灵活的工具[6]。在DIC技术中，捕获处于持续变形下的物体的一系列图像，并将其与未变形的参考图像。通常，将斑点状图案应用于样本的感兴趣区域（ROI），其用于使用适当的优化算法将图像和参考图像的图像坐标相关联[7]。因此，从坐标映射，全场应变为2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxPartha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006452计算。随着DIC技术的不断进步，已经开发了许多用于相关图像的算法，包括最常见的基于有限元的DIC方法（基于FE-based全局DIC）[8]，基于子集的多年来，DIC作为应变测量的后处理工具已被用于各个科学领域然而，在现实世界的应用中，应变发展的原位监测是非常期望的。NR算法的持续发展确保了采用该算法获得高精度DIC测量[10，11]，但NR算法的一个缺点是需要大量计算时间[12]。由于这种局限性，DIC在实时位移和应变测量中的应用仍然是一个正在进行的研究工作。近年来，已经探索了算法开发以最小化DIC测量的计算成本。Tao和Xia开发了一种实时测量系统，该系统需要高端CCD相机和两台独立的计算机来采集和处理数据，以提高计算速度[13]。Wu等人开发了一种新的整数像素搜索方案[14]，确保了DIC实时应用的更高计算速度该算法使用C++语言编写，对计算设备有很大的依赖性。虽然这些方法在结果中表现出高精度，但当考虑实际应用时，在移动性、简单性、精度和成本之间进行平衡仍然是一个挑战。商 业 DIC 软 件 ， 如 VIC-2D 、 GOM Correlate 、 LaV- isionStrainMaster（包括自己的成像系统）、MatchID-2D和开源软件，如nCorr [15]、ALDIC [16]、DICE [17]、Py 2DIC[18]，pydic[19]，µ DIC [20]，YADIC[22]第二十二话：现在可以使用。开源软件在学术界更受欢迎，因为它们适应修改的灵活性。然而，除了Py2DIC和µDIC之外，其他代码要么依赖于商业软件，要么以非常有限的文档形式制定为脚本[20]。此外，每个软件只能用作使用DIC进行变形和应变测量VIC-2D Gage和Dantec Systems DIC Solutions提供了一些用于变形和应变现场监测的DIC系统，但它们仅在商业上可用在这种前景下，RealPi2dDIC通过非常低的成本方法为2D全场应变的现场监测提供了解决方案。在该系统中，使用Pi相机模块v2作为图像捕获设备，并且使用Raspberry PI模型3B+作为计算设备，这显著降低了设备的成本，同时增加了移动性和简单性。它已经被编程在一个最容易和流行的编程语言-Python 3。为了优化整体处理速度，使用了一种非常成熟的光流技术-Lucas-Kanade为了将LK方法纳入程序中，使用了Python 3的开源计算机视觉库OpenCV[25]，这也提高了处理速度。为了快速阵列操作和插值，NumPy[26]和SciPy[27]库在该软件中使用。所有这些优化技术相结合，使RealPi2dDIC成为一个有效的系统，可以在室内应用（如实验室设置中的材料特性测试等）和室外应用（如梁和桥梁挠度监测等）中监测平面体上的原位应变。实施例中解释的实验步骤。2. 软件描述RealPi2dDIC是一个由一些高级类和函数组成的软件，用于利用Pi相机模块，生成用于图像相关、插值和数据后处理的数据。鉴于Pi相机模块的灵活性，该软件通过控制捕获参数使其在不同的照明条件下可用。初始相关方法包括使用关于在没有变形的情况下开始捕获的参考图像的感兴趣区域（ROI）内的每个点的局部子集（称为“相关窗口”）对点进行独立分析。ROI由用户通过交互式UI选择。通过将参考图像中的子集与变形后的后续图像中的对应子集进行映射来计算点的位移。该系统通过局部位移的插值[18]以及原始位移（没有任何插值）提供子像素精度。使用来自插值或原始位移的结果该系统生成的原始数据还提供了使用其他不同工具进行后处理的灵活性。2.1. 软件构架RealPi 2dDIC是在Python 3.6中使用一些外部软件包（主要是OpenCV ， NumPy ， SciPy ， Picamera[28] ， Mat- plotlib[29] ） 编 写的。实例中发生的简单流程RealPi2dDIC的计算结果如图所示。1.一、由于高度模块化，该软件由多个同时运行的过程组成：grid：一个包含非常重要的函数的类，用于启动所需的交互式UI，执行图像相关，以及处理和导出原始数据DIC_Run：它调用大多数重要函数，包括用于捕获图像、定义ROI、将原始图像数据和相关数据写入文本文件的函数。该软件的所有事件都包装在DIC_Run的循环中。raw_Data_Process：它调用一些函数，用于从生成的文本文件中读取原始图像数据和相关数据，然后执行数据插值并导出原始数据Plot：一个类，它包括计算应变场RealPi2dDIC软件结构包括主要组件及其功能如图所示。 二、2.2. 软件功能RealPi2dDIC的主要功能解释如下：2.2.1. 灵活的图像捕获操作RealPi2dDIC使用Raspberry Pi相机模块v2作为DIC的图像捕获设备。它允许用户控制图像捕获参数，例如亮度、对比度、曝光补偿、ISO、白平衡和曝光模式。对于所捕获的图像的共同曝光，优选“海滩”曝光模式。应根据所用光源的色温选择合适的相机白平衡。曝光模式和白平衡的不同选项可用，可以在picamera模块亮度、对比度、曝光补偿和ISO可以使用交互式UI进行控制（图1）。 3（a）），其允许基于照明布置选择这些关键参数的更大灵活性。····Partha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006453图1.一、 RealPi2dDIC在加 载 结 构 的 现场应变监测的 流 程 图 。图二、一个完整的 流水线显示Re a l P i 2 d D I C 的主要组件及其功能。2.2.2. 图像相关这是该软件的主要功能，其中使用LK光流算法[23]完成变形图像和参考图像之间的相关性。这是一种成熟的方法，广泛应用于计算机视觉领域[30]。LK算法假设像素的局部恒定运动，对像素邻域的位移进行最佳计算。灰度强度测量是LK算法的主要工具图图3（b）表示方形窗口，通过该窗口可以检测单个像素p的强度。在连续图像中，由于变形，像素的强度已经改变为q。该算法假设，当新的强度通过正方形窗口可见时，在x和y方向上都出现了像素。它导致了Eq的一般形成。（1）、Ix（x，y）·u+Iy（x，y）·v=-It（x，y）（1）其中，u和v是像素在两个方向上的位移Ix和Iy是（x，y）坐标处的每像素强度，It是强度的局部差（在现实生活中，Eq。（1）不能直接求解，因为变量比方程多。因此，在LK算法中，假设相邻像素具有相同的位移（u，v）。例如，如果考虑5× 5像素的子集，则将存在25个像素。Partha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006454我我我×××-是的⎥-是的 ⎥uεxx=δx+2IxIty y1δvδu具体而言，在RealPi2dDIC中，通过εyy=δy+2[客户端]uεxy=（+）（4d）X yy t图三. （ a）用于选择图像捕获参数的UI，（b）参考图像和变形图像的示意图，（c）中心像素和相关窗口。2个变量（u，v）的方程（Eq.（2））。2.2.4. 全场应变测量和可视化在RealPi2dDIC中，全场应变是根据Ix1Iy110x2y2.v1000万美元=−1000000（二）极化位移场，在多个DIC应用中实现有限应变理论[18，35，36]。菌株，因此，使用拉格朗日有限应变张量获得25Iy25mm2015年2月25日如Eq. （四）、[εxxε xy]=Eq.中的超定系统（2）使用最小二乘法求解解决方案（LSQ）原理如等式所示（3）：εεxyεyy（4a）⎡∑ ∑[]⎡∑⎤δu1（（δu）2（δv）2）δxΣII∑IIv= −∑II（3）（（）二δy（）2）δyOpenCV函数calcOpticalFlowPyrLK[25]。在实施LK方法的同时，它使用金字塔等级[31]，以获得更小和更大运动的计算精度在RealPi2dDIC中，使用最大为10的金字塔等级在更高一级的1δuδv2δy+δ x+δ xδ y其中，εxx，εyy和εxy是拉格朗日有限应变，δu，δv，δxδ x金字塔，小的运动被忽略，大的运动δu 和δv是位移梯度。位移梯度δyδ y被缩放到小的运动。当LK方法用于计算小位移时，金字塔等级的实现利用该算法来检测真实世界场景中的大运动[32]。在DIC分析中，窗口大小对位移测量的精度和速度有很大的影响，这也取决于散斑图案的类型。Pan等人对不同灰度分布的散斑图案的窗口大小选择进行了研究[33]。对于高对比度散斑图案，Pan等人观察到65 × 65至70 × 70像素的最小标准偏差（SD），此后，在该实施方式中，该参数保持为65 × 65像素的最佳值，以具有最小标准偏差和更高的计算速度。但是，用户也可以根据源代码中的散斑图案类型更改子集大小2.2.3. 位移插值在大多数DIC算法中，位移是以像素增量计算的，然而，测试样本不应该以像素增量移动。它导致伴随噪声的错误估计。为了解决这个问题，需要对位移场进行插值。RealPi2dDIC提供了带插值和不带插值的位移场计算。如果插值参数在 原始数据处理选择作为bivar_Spline，用于曲面拟合的二元B样条函数实现以使在每个所考虑的点的像素。根据Dierckx [34]的建议，使用SciPy库函数scipy.interpolate.bisplrep和scipy.interpolate.bisplev[27]实现了5阶样条函数。它处理丢失的数据，减少噪音和平滑位移场，尽可能高的精度。IxIxIxIyδx+（4b）δv（4c）+Partha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006455使用NumPy库函数进行数值微分计算。然后，使用matplotlib库函数可视化x和y方向的应变2.2.5. 导出原始数据除了全场应变可视化外，还可以获得相关位移和应变原始数据作为CSV（逗号分隔值）文件，便于使用任何其他工具进行后续可视化。要实现这一点，export_RAW的值在DIC_Run函数中，必须从ini-初始值为False，可确保更快的计算速度。3. 说明性示例RealPi2dDIC可用于测量加载过程中结构任意平面的作为一个说明性的例子，我们在这里演示了一个平面铝狗骨形试样的位移控制准静态试验的现场应变场测量。实验装置的示意图如图4所示。试样表面应具有良好的斑点状图案，这对于DIC分析的最佳性能是必需的[37]。用户必须按照随软件包提供的readme.md文件中的说明安装所有依赖项。该软件可以从Raspberry Pi命令行运行：$python RealPi2dDIC.py接口将要求提供一个目录名，图像和结果文件将被存储。然后，用户必须根据照明条件选择图像捕获参数，然后选择将进行DIC分析的ROI。之后，RealPi2dDIC开始捕获图像，Partha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006456表1图四、 与RealPi2dDIC系统耦 合 以监测原位应变场的准静态测试装置的示意图。• 监测铁路和公路桥梁的变形RealPi2dDIC和DICE DIC结果的统计数据比较• 土木工程结构中的裂缝开口，尤其是统计参数RealPi2dDIC DICE横向纵向横向纵向核工业这也有可能成为手动平均值−0.033 0.128−0.039 0.118大型土木工程结构的检测技术，标准差（SD）平均值的标准误差（SEM）2014年12月31日0.00041 0.00152 0.00043 0.00151建筑物、桥梁和发电基础设施。RealPi2dDIC 的开发高度重视通过交互式UI 简化输入参数。Raspberry Pi和Pi摄像头的使用为研究小组和小型到大型行业提供了一个具有成本效益的解决方案，DIC分析，并将结果可视化。图五、显示了在试验的不同时间，试样的纵向和横向真应变场。据观察，失效发生在应变最大的地方。验证结果，该测试的原始图像已被分析，开源DIC软件DICE[17]。从图A.6发现最大纵向应变为22.5%，最大横向应变为6.2%，均在点4处，这验证了应变数据（图5）。由RealPi2dDIC原位获取。对RealPi2dDIC和DICE的结果进行了统计分析，相同的图像集，并且已经发现，与DICE的结果相比，RealPi2dDIC的结果很好地遵循趋势（表1）。4. 影响数字图像相关技术是一种强大的工具，广泛应用于学术界和工业界，其易于使用的复杂操作，而不影响测量的准确性。RealPi2dDIC通过引入一种非常低成本的方法来监测结构在载荷下的现场全场变形和应变，从而推进了这一技术。这可以适用于广泛的 的研究领域和现实世界的问题，其中评估的结构变形的兴趣。该工具的应用包括但不限于：实验固体力学（例如，金属、聚合物和复合材料的机械测试和表征）机械或热负荷生物力学应用（例如软组织和硬组织的表征等）没有商业系统。由于系统的外形尺寸，该工具可用于任何室内和室外环境，并可远程控制Python3作为一种编程语言的广泛接受使其成为该工具的完美环境，使代码的持续开发成为可能，并增加了新的功能，可以以前所未有的方式帮助研究人员。更不用说，这个工具的开放性也促使用户采用、修改和扩展代码来服务于他们的目的。这种基于Raspberry Pi和Pi摄像头的系统也可以被其他功能强大的单板计算机系统（例如，NVidia Jetson、Intel NUC等）和成像设备（例如，数码单反相机等）以略高的经济投入为代价提高计算效率。此外，RealPi2dDIC是在MIT许可证下发布的，这使得该工具的商业应用变得容易。5. 结论RealPi2dDIC是一个开源软件，使用局部数字图像相关技术监测结构的现场全场变形和应变对于图像相关，采用基于计算机视觉的与商业CCD摄像头和典型的台式计算机设置不同，这种基于Raspberry Pi和Pi用户友好的UI允许用户控制相机和输入参数，并使其在各种应用程序中可用RealPi2dDIC是用Python3编写的，这使得它可以被广泛的用户群访问，从而激励用户调整代码以启用新功能。···Partha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006457图五. 在准静态试验的不同时刻，试件的原位真应变场（a。 横向应变，b. 纵向应变），c. 试样在应变最大的地方断裂。图A.6. a . 横向，和b。用DICE分析了试件六个不同点的纵向真应变和应变场竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作者感谢预测性能方法研究所和德克萨斯大学阿灵顿研究所的研究人员和工作人员，感谢他们在开发Partha Pratim Das，Muthu Ram Prabhu Elenchezhian，Vamsee Vadlamudi et al.软件X 13（2021）1006458想法出版。作者感谢Shaanal Al Mahmud Bhuiyan进行了有益的讨论和手稿校对。附录A在“说明性实施例”中描述的铝试样的准静态测试时捕获的原始图像已经使用开源DIC 软件DICE 进行了分析，并且在图1中示出了失效之前的结果。 A.6.在所考虑的6个点中，在点4处观察到最大横向和纵向应变，其类似于RealPi2dDIC采集的数据附录B. 标准操作规程RealPi2dDIC 的 标 准 操 作 规 程 （ SOP ） 可 在https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100645在线查阅。引用[1] 威尔逊EJ。第17章第一次见面Shock Vib Handb1988;11-7.[2] 放大图片作者：J.应变测量技术对结构钢力学性能的评价。Eng Sci TechnolInt J 2014;17：260-9. 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