научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛЯ НАПРАВЛЕНИЙ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИНТЕРФЕРОГРАММ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛЯ НАПРАВЛЕНИЙ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИНТЕРФЕРОГРАММ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ»

Оптические методы

УДК 535.41

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛЯ НАПРАВЛЕНИЙ ПРИ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИНТЕРФЕРОГРАММ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В. Ф. Рожковский, Н.В. Саган

Рассмотрены алгоритмы интерпретации (расшифровки) интерферограмм, построенные с помощью метода конечных элементов, в которых используют три метода построения поля направлений: комплексного усреднения, проекционно-дисперсионный и спектральный. Эффективность алгоритмов проверяется на смоделированных и реальных интерферограммах. Ключевые слова: интерферограмма, поле направлений, метод конечных элементов.

ВВЕДЕНИЕ

Интерферометрические методы измерения получили широкое распространение как в научных исследованиях, так и на практике. Их основное достоинство заключается в информативности интерферограмм. Однако полезная информация на интерферограмме представлена в скрытом (зашифрованном) виде, поэтому успешность ее извлечения в решающей степени зависит от способа интерпретации.

Освещенность в точке с координатами / и к интерферограммы можно представить формулой

Л}к = 0,5(0^ + Хк)[1 + со8ф(/, к)], (1)

где 0.к — освещенность изображения объекта в точке с координатами/ и к; Х.к — случайная величина, обусловленная когерентностью используемого при получении интерферограмм освещения, а также искажениями при формировании изображения; ф(/, к) — фаза световой волны. Поскольку интерферограмма представляет собой цифровое изображение, координаты / и к являются номерами строки и столбца матрицы для значения освещенности соответствующего пикселя. С другой стороны, фаза ф(/, к) обязана быть непрерывной и для этого координаты/ и к должны изменяться непрерывно.

Поисковой величиной является фаза, заданная в виде функции ф(/, к). Поскольку определение деформаций и напряжений связано с поиском производных, функция ф(/, к) должна быть определена аналитически. Форма поверхности, задаваемая функцией ф(/, к), может быть достаточно сложной (иметь много степеней свободы), поэтому для ее задания целесообразно использовать метод конечных элементов. Его идея заключается в том, что в нем область определения функции разбивается на большое количество подобластей, называемых конечными элементами, на каждом из которых функция ф(/, к) имеет простой вид, а ее сложность для всей области определения достигается за счет большого количества конечных элементов.

На основе метода конечных элементов разработано несколько способов интерпретации интерферограмм [1, с. 98—105]. В [2, с. 175—182] описан способ интерпретации интерферограмм, в котором вместе с методом конечных элементов используется метод комплексного усреднения для построения поля направлений. Под полем направлений понимается поле углов между направлением интерференционных полос и определенной осью.

Владимир Фаустович Рожковский, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории неразрушающего контроля и диагностики сложных систем Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара. Тел. (38056) 745-12-93. E-mail: rozhkowskij@yandex.ua

Наталья Васильевна Саган, аспирант кафедры РЭА Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара. Тел. (38056) 745-12-93. E-mail: natashasagan@mail.ru

Задача определения поля направлений для интерферограмм в условиях их зашумленности исследована в [3, с. 461—470, 487—491]. Для ее решения разработано множество способов, которые в [3, с. 469] сведены в 5 классов. Все эти способы исследованы на эффективность в условиях попиксельной обработки, когда направление интерференционной полосы вычисляли для каждого пикселя отдельно. При этом каждый способ использует для вычисления направления распределение освещенности в некотором окне на интерферограмме. Размер этого окна для каждого метода индивидуален. В методе же конечных элементов размер окна фиксирован и определяется размерами конечного элемента. Кроме того, вычисляются лишь параметры функции, задающей поле направлений в пределах конечного элемента. В этом случае оценка эффективности может измениться.

В данной статье исследованы методы определения поля направлений при интерпретации интерферограмм методом конечных элементов. Наиболее эффективные (по исследованиям в [3]) — методы усреднения, проекционно-дисперсионный и спектральный.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Необходимо осуществить адаптацию наиболее эффективных методов вычисления поля направлений (комплексного усреднения, спектрального и проекционно-дисперсионного) к методу конечных элементов, на примере тестовых интерферограмм оценить эффективность разработанных алгоритмов.

МЕТОД РЕШЕНИЯ

Метод комплексного усреднения формулируется следующим образом. Традиционное усреднение непосредственно не может быть применено к определению полей направлений. Это связано с особенностями арифметики направлений, которая является периодической по значениям с периодом, равным п. Проблема снимается с помощью использования комплексных чисел вида

= w>exP(г'2а,k), (2)

где а.к — вещественное значение направления (0 < а < п), угол между направлением интерференционной полосы и осью абсцисс для элемента матрицы направлений с координатами 1 и к; ^^ — вес, некоторое вещественное число (0 < w.k < 1), показывающее степень выраженности данного направления; 7 — мнимая единица.

Для окна среднее направление вычислено по формуле

• 1 ^ -

ас = N £ак, (3)

1 к

где ^ — сумма по точкам данного окна; N — количество пикселей в

1 ,к

данном окне.

Формула (3) может быть использована и для метода конечных элементов. Подробнее адаптация метода усреднений к методу конечных элементов описана в [2].

Проекционно-дисперсионный метод основан на преобразовании Радона. Оно заключается в том, что непрерывная функция /(х, у) преобразуется в функцию Я(!, а) путем интегрирования (сложения) значений/вдоль наклон-

ной линии АВ (рис. 1), заданной своим наклоном а и расстоянием I. Для области интерферограммы в виде прямоугольного конечного элемента СВЕ¥ функцию Я(/, а) можно представить в виде

Ь/ 2

Я(1, а) = | / ^д/ 12 + г2 со8 ^а + аг^г^ 12 + г2 8т ^

а + агс^у | (4)

где I — переменная, выражающая расстояние от заданного начала до линии, по которой ведется интегрирование; а — переменная, выражающая

угол ориентации прямоугольника относительно принятой системы координат; / — функция освещенности интерферограммы; г — переменная интегрирования, представляющая собой расстояние от оси до точки на изображении интерферограммы.

Функция (4) рассмотрена при фиксированном значении параметра а

Рис. 1. Линейное преобразование Радона.

Е

и значениях аргумента I е [-Ь/2, Ь/2] и измеряется разброс ее значений относительно среднего ("дисперсия")

Ь 2

Да) = |

- Ь 2

- Ь/2

Я ((, а)-- | Я (I, а)

Ь -Ь/ 2

(5)

Проведено сканирование изображения/(х, у) квадратной маской М*М и для каждого из ее положений сформировано 4 последовательности средних значений для отсчетов, расположенных вдоль линий, параллельных одному из четырех направлений: 0, 45, 90, 135°. За направление интерференционной полосы принимается либо одно из четырех указанных значений с максимальным значением величины Я(а), либо направление определяется путем синусоидальной интерполяции функции Я(а) по четырем указанным точкам и последующим нахождением максимума.

Для адаптации алгоритма к методу конечных элементов необходимо учесть следующее. Во-первых, квадратное окно при попиксельной обработке может быть ориентировано по осям системы координат. В методе конечных элементов обычно используют конечные элементы прямоугольной или треугольной формы с произвольной ориентацией. Во-вторых, метод конечных элементов предполагает задание направления в виде функции от координат. Это требует обобщения преобразования Радона на криволинейную систему координат.

Проведенная адаптация преобразования Радона для метода конечных элементов заключается в следующем. Предположим, направления интерференционных полос в точках каждого конечного элемента задаются с помощью функции у(у, к, аи, аъ, ..., ам), где у и к — координаты точки; 7 — номер конечного элемента; а17, а27, ..., а№ — определенные параметры. Направление интерференционных полос в каждой точке совпадает с касательной к линии уровня этой функции (рис. 2).

Линию уровня с номером m определим уравнением

m (w - w )

V т max т mm /

w(/, k, au, a2i, . aj =--, (6)

где Wmax, Wmin — максимальное и минимальное значения функции в конечном элементе соответственно; M — количество промежутков между wmax и wmin, определяющее требуемое количество линий уровня.

Построенные таким образом линии уровня делят конечный элемент на M частей. Номер m каждой из частей можно считать значением криволинейной координаты для всех точек этой части. Она для точки с координатами j и k вычисляется по формуле

f MWU k, aii, a2i, aN, )1 /r-j\

m = 1-(w - w)-f, (7)

max min

где фигурные скобки обозначают взятие целой части числа.

После того, как для всех точек, в которых заданы освещенности, определена их криволинейная координата, определим среднюю освещенность для точек с одинаковой координатой. Обозначим множество точек с заданными значениями освещенности, имеющих одинаковую координату m, через ßm, а количество таких точек — через Lm. Средние освещенности по областям образуют функцию R(m) и вычисляются по формуле

Щщ ai „ a2„ aJ = L- X A/k, (8)

ßm

где X — сумма для тех значений j и k, которые попадают в множество ßm.

ßm

По функции R(m, a1i, a2i, ..., aN,) можно оценить ее разброс

D^ a2i, .. aN) = X

1 M

R ( aii, a2i, aN, ) - M XR U aii, a2i, aN, )

iVi m_i

2

6 Дефектоскопия, № 6, 2014

Для решения поставленной задачи, то есть определения тех значений а а ..., а которые приводят к согласованной с экспериментом функции у, к, а а ..., а№), необходимо найти те значения а а ..., а которые максимизирУют функцию разброса 0(аи, а27, ..., а№).

Максимизацию функции (9) осуществляли численным методом симплексного спуска. Начальное значение выбирали из множества тех значений а1 а2 ..., а№, которые выпрямляют криволинейную координату. В качестве алгоритма для определения начальных значений исследовали дисперсионный с интер

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком