High-resolution three-dimensional (3D) shape reconstruction of objects has huge potential for applications in the field of design, security, entertainment, biomedicine, industrial quality control etc. Of the available techniques, optical methods have the distinctive advantage of facilitating non-contact and non-intrusive measurements. Of late, integration of optical measurement system with the computer based data processing has improved the quality of the results. Of the available techniques, structured-light illumination (Fringe Projection) is the most effective, owing its simplistic experimental architecture and analysis. Traditional Fringe Projection techniques function with the use of fringes generated using interferometric methods. With the advent of digital light projectors, digitally generated fringes have taken the place of interferometry based fringes. Despite the technological advances that this field has witnessed over last couple of decades, digital fringe projection technique still suffers from various shortcomings. This thesis presents a strategic solution to the challenges faced by the technique in its application to out-of-plane deformation measurement of objects under impact loading. First part of the thesis reports the developmental work on building an LED-Grating based optical projection system for implementation of linear-fringe projection profilometry. Successful use of the developed system in measuring out-of-plane deformation experienced by multiple targets under impact loading with a time sapling of 20,000 frames per second is re-ported. However, for performing ballistic impact measurements using the liner-fringe projection method, an order of magnitude higher time-sampling is needed. This is due to the disadvantages associated with linear fringe projection technique: (1) results in wrapped phase map (2p ambiguity) estimation, and (2) the deformation/shift of the recorded fringe pattern in the modulation direction sets a limit on unambiguously measurable whole-plane displacement. Typically, fringe pitch dictates the limit of maximum detectable displacement, and thus to be able to capture larger deformation from the earlier state, coarser fringe pitch is required to be projected; while this adversely affects the resolution of measurement system. Hence, there is a need to develop a fringe projection system which has capability for whole-plane displacement without affecting the resolution and/or necessitating higher temporal-sampling. Circular Fringe Projection (CFP) technique is proposed in the second part of the thesis as a novel solution to address the above issues. CFP technique offers additional advantage of relaxing the temporal resolution requirements of the imaging system by decoupling the maximum measurable deformation rate and the frame rate of camera. A new image analysis method is also developed to extract the underlying phase distribution of the recorded circular-fringe patterns, as the conventionally used single-frame linear-fringe analysis methods are incompetent at demodulating the circular fringes. Experimental results obtained in 3D shape measurement and whole-field out-of-plane displacement measurements of a deforming object reported in this thesis, not only confirms the ability of the proposed CFP technique in overcoming the shortcomings of the widely used linear-fringe projection technique, but also its suitability for deployment in ballistic-impact measurements.

Ce travail présente une méthodologie efficace pour mesurer le champ de déformation total en 3-D des tissus mous semi-transparents et diffusant la lumière, tels que la cornée de l'œil vertébré. Cela a été obtenu en utilisant la tomographie par cohérence optique couplée avec la corrélation volumique numérique sur des fantômes en caoutchouc de silicone et de la cornée porcine. Des tests de traction et des tests d'inflation postérieure ont été étudiés. Avant ces tests, l'effet du bruit et la décorrélation des speckles due à la déformation sont d'abord étudiés en utilisant des méthodes expérimentales et numériques. Le biais d'interpolation dans les résultats de déformation a été analysé. Deux approches efficaces ont été prises pour réduire le biais d'interpolation. Pour extraire les paramètres constitutifs des mesures de déformation 3-D, la méthode des champs virtuels a été étendue en 3-D. Les champs virtuels définis manuellement et les champs virtuels optimisés par morceaux ont été développés et comparés entre eux. Des efforts ont également été déployés pour corriger les distorsions induites par réfraction dans les reconstructions de la tomographie par cohérence optique. Des tests d'inclinaison des différents fantômes de silicone ont été introduits afin d’évaluer la performance de la méthode pour corriger les reconstructions distordues / This work presents an effective methodology for measuring the depth-resolved 3-D full-field deformation of semitransparent, light scattering soft tissues such as vertebrate eye cornea. This was obtained by performing digital volume correlation on optical coherence tomography volume reconstructions of silicone rubber phantoms and porcine cornea samples. Both the strip tensile tests and the posterior inflation tests have been studied. Prior to these tests, noise effect and strain induced speckle decorrelation were first studied using experimental and simulation methods. The interpolation bias in the strain results has also been analyzed. Two effective approaches have been introduced to reduce the interpolation bias. To extract material constitutive parameters from the 3-D full-field deformation measurements, the virtual fields method has been extended into 3-D. Both manually defined virtual fields and the optimized piecewise virtual fields have been developed and compared with each other. Efforts have also been made in developing a method to correct the refraction induced distortions in the optical coherence tomography reconstructions. Tilt tests of different silicone rubber phantoms have been implemented to evaluate the performance of the refraction correction method in correcting the distorted reconstructions

Verfahren der digitalen Nahbereichsphotogrammetrie ermöglichen eine dreidimensionale Erfassung von Objekten und stellen damit interessante Lösungsansätze für Messaufgaben im Bautechnischen Mess- und Versuchswesen dar. Ihr Einsatz bietet bei einer Vielzahl baumechanischer Untersuchungen die Voraussetzung für eine kontinuierliche, zeitsynchrone Objektoberflächenerfassung bei kurz- und langzeitigen Belastungsversuchen im Labor und in situ. Die daraus resultierenden Möglichkeiten der kontinuierlichen Erfassung von Verformungs-, Riss- und Schädigungsentwicklungen an Objektoberflächen stellen für viele experimentelle Untersuchungen im Bauingenieurwesen eine signifikante Qualitätssteigerung dar, die mit klassischen Messtechniken – wie z. B. Dehnmessstreifen oder induktiven Wegaufnehmern – nur bedingt bzw. nicht realisiert werden kann. Um das Potential der digitalen Nahbereichsphotogrammetrie zur kontinuierlichen Erfassung der Verformungs-, Riss- und Schädigungsentwicklung an Objektoberflächen bei baumechanischen Untersuchungen erfassen zu können, wurden – aufbauend auf den bekannten Grundlagen und Lösungsansätzen – systematische Untersuchungen durchgeführt. Diese bildeten den Ausgangspunkt für den Einsatz photogrammetrischer Verfahren bei experimentellen Untersuchungen in den verschiedenen Teildisziplinen des Bauingenieurwesens, z. B. im Holz-, Massiv-, Mauerwerks-, Stahl- und Straßenbau. Die photogrammetrisch zu erfassenden Versuchsobjekte – einschließlich ihrer Veränderungen bei den Belastungsversuchen – waren dabei u. a. kleinformatige Prüfkörper und Baukonstruktionen aus den verschiedensten Materialien bzw. Verbundmaterialien. Bei den anwendungsorientierten Untersuchungen musste beachtet werden, dass aufgrund der z. T. sehr heterogenen Anforderungen und der zahlreichen Möglichkeiten, die beim Einsatz photogrammetrischer Verfahren denkbar waren, die Notwendigkeit der Auswahl und ggf. einer Weiter- bzw. Neuentwicklung geeigneter Systeme, effizienter Verfahren und optimaler Auswertealgorithmen der digitalen Nahbereichsphotogrammetrie bestand. In diesem Zusammenhang wurde mit der systematischen Zusammenstellung und Untersuchung relevanter Einflussgrößen begonnen. Diese waren oftmals durch die jeweiligen photogrammetrischen Messprozesse und Messaufgaben beeinflusst. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die digitale Nahbereichsphotogrammetrie ein flexibel anwendbares Werkzeug für die Erfassung der Verformungs-, Riss- und Schädigungsentwicklung bei baumechanischen Untersuchungen darstellt. Spezielle Messaufgaben stellen im Bautechnischen Mess- und Versuchswesen oftmals sehr hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit, die Robustheit und das Messvolumen. Sie erfordern optimierte Verfahren und führten im Zusammenhang mit der vorliegenden Arbeit zu einer Reihe von Lösungen, wie beispielsweise der 2.5D-Objekterfassung auf Basis der Dynamischen Projektiven Transformation oder der Objekterfassung mittels Spiegelphotogrammetrie. Im Hinblick auf die Objektsignalisierung wurde eine intensitätsbasierte Messmarke entwickelt. Diese ermöglicht besonders bei sehr hochgenauen Deformations- bzw. Dehnungsmessungen ein großes Genauigkeitspotential im Sub-Pixelbereich, das im 1/100 eines Pixels liegt. In Bezug auf die photogrammetrischen Auswerteprozesse wurden optimierte Bildzuordnungsverfahren implementiert, die beispielsweise eine Punkteinmessung von bis zu 60.000 Punkten pro Sekunde ermöglichen und eine Grundlage für die flächenhafte Rissanalyse darstellen. In Bezug auf die qualitative und quantitative Risserfassung wurden verschiedene Verfahren entwickelt. Diese ermöglichen z. B. die lastabhängige Erfassung der Rissposition und -breite in Messprofilen. In einem Messbereich von 100 mm x 100 mm konnten beispielsweise Verformungen mit einer Genauigkeit bis 1 µm und Rissbreiten ab 3 µm erfasst werden. Im Zusammenhang mit den zahlreichen anwendungsbezogenen Untersuchungen entstanden immer wieder Fragen hinsichtlich der Faktoren, die einen Einfluss auf den photogrammetrischen Messprozess im Bautechnischen Mess- und Versuchswesen ausüben. Aufgrund der zahlreichen Einflussgrößen, die als Steuer- bzw. Störgrößen eine mögliche Wirkung auf bauspezifische photogrammetrische Messprozesse ausüben können, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit mit deren systematischer Zusammenstellung relevanter Einflussgrößen begonnen. Die Relevanz einzelner Einflussgrößen konnte durch Untersuchungen bereits bestätigt werden. Um eine ganzheitliche Bewertung aller relevanten Einflussgrößen aufgabenabhängig vornehmen zu können, wurde ein spezieller Versuchsstand entwickelt. Dieser ermöglicht eine vollautomatisierte systematische Untersuchung bauspezifischer photogrammetrischer Messprozesse unter definierten Versuchsbedingungen und dient dem systematischen Einsatz photogrammetrischer Verfahren im Bautechnischen Mess- und Versuchswesen hinsichtlich der Absicherung bestehender Messaufgaben, kann aber auch zu weiteren neuen und optimierten Messprozessen führen. / Methods of digital close range photogrammetry are a useful tool for the measurement of three-dimensional objects in civil engineering material testing. They are generally suitable for automatic measurements with chronological synchronism of object-surfaces during short and long time load tests in laboratories and in situ. The methods provide an opportunity for measuring deformations, cracks and damages at the object-surfaces during load tests in civil engineering material testing. These possibilities can present new results for a lot of applications in civil engineering material testing. Displacement and deformation measurements still rely on wire strain gauges or inductive displacement transducers. However, they are not suitable for a large number of measurement points or the detection of cracks during load tests. First of all, a number of systematic investigations was conducted. This was necessary to identify capable methods of the digital photogrammetry for the measuring of deformations, cracks and damages at object-surfaces during load tests in civil engineering material testing. These investigations laid the foundation for practical measurements during short and long time load tests of samples and constructions from different parts of the civil engineering (e.g. timber construction, solid structure, stell and road construction). The application-oriented research in civil engineering material testing demonstrates the wide range of demands on systems and methods of digital close range photogrammetry have to meet. Often the methods and systems of digital close range photogrammetry had to be modified or developed. In this context the systematic analysis of relevant determining factors was started.The results demonstrate that the methods and systems of digital close range photogrammetry are a suitable and flexible tool for the measurement of deformations, cracks and damages at the object-surfaces in civil engineering material testing. In addition, the special experiments in civil engineering material testing demonstrate the high requirements laid upon methods and systems of the digital closed range photogrammetry, for instance regarding with the measurement resolution/range and robustness processes. This was the motivation to optimize and to develop methods and systems for the special measurement tasks in civil engineering material testing, for instance a 2.5D measurement technique based on the Dynamic Projective Transformation (DPT) or the use of mirrors. Also a special measurement target was developed. This type of measurement target modifies intensities and is ideal for high deformation measurements (1/100 pixel). The large number of points in conjunction with area-based measurements require time-optimized methods for the analysis process. The modified and developed methods/programs enable fast analysis-processes, e.g. in conjunction with point-matching process 60.000 points per second.The developed crack-detection-methods allow area- and profile-based to analyze the load-dependent position and width of cracks, e.g. cracks > 3 µm (100 mm x 100 mm). A main target of this work was to compile all relevant determining factors regarding the application of the digital close range photogrammetry during load tests in civil engineering material testing. To a large extent, this target was reached. However, the compilation of all relevant determining factors requires a special experimental set-up. This experimental set-up was developed. In the future, it may enable the automatic research of all significant determining factors. The results can be used to qualify or optimize the established methods and processes. Also it's possible that the results generates new measurement processes.

Kubhörnsreflektorer används som måltavlor med kontinuerlig och identifierbar reflekterad signalstyrka vid fjärranalys, bland annat för tekniken ”interferometric synthetic aperture radar” [InSAR]. Kubhörnsreflektorer tillämpas exempelvis för bevakning av sättningar i jordytan och kalibrering av [SAR]-system (”synthetic aperture radar”). Hur starkt en kubhörnsreflektor reflekterar satellitsignaler anges med ”radar cross section” [RCS], som minskar vid deformationer såsom avvikelse från ortogonalitet mellan reflektorplåtar, buktighet och ytoregelbundenheter. Därmed är det viktigt att kunna mäta och analysera sådana deformationer. Studiens syfte var att undersöka hur väl fotobaserad skanning [FBS] och terrester laserskanning [TLS] kan användas för att göra deformationsmätningar på kubhörnsreflektorer. En problematik med kubhörnsreflektorer är att ytorna vanligtvis är reflekterande och texturlösa.  Skanningen genomfördes i fältmiljö och FBS gjordes med en systemkamera. FBS-tekniken som användes i studien är baserad på Structure-from-Motion [SfM], vilket automatiserar bildmatchning och 3D-modellering. TLS utfördes med en Leica C10 på kort avstånd, cirka 2 m, från kubhörnsreflektorerna. Insamlade punktmoln segmenterades till separata punktmoln motsvarande de enskilda reflektorplåtarna och referensplan skapades för dessa. Referensplanen användes för att mäta vinklar mellan reflektorplåtar i alla punktmoln, med uppmätta avvikelser från ortogonalitet på 0–0,8°. Buktighet mättes som avstånd mellan plåtarnas punktmoln och referensplan och varierade mycket mellan de två reflektorernas sidor och mellan TLS och FBS, i ett spann från 0 till 6 mm. Ytoregelbundenheter i form av popnitar med storlek 0,6 mm kunde mätas i FBS-punktmoln. Mätosäkerheten var generellt något lägre för deformationsmätningar utifrån TLS jämfört med FBS i studien. Både TLS och FBS har begränsningar vid skanning av kubhörnsreflektorer på grund av reflektorernas ytegenskaper. För FBS kan dessa problem minskas med åtgärder i fält, såsom extra fokuspunkter och artificiell yttextur. TLS-resultat påverkades av infallsvinkeln mot reflektorplåtarna vid skanningen, eftersom en stor infallsvinkel leder till få returer och för liten infallsvinkel riskerar att leda till returer med hög intensitet (och felaktig position). Uppmätt deformation i studien skulle motsvara som mest en förlust på strax över en fjärdedel av det maximala RCS-värdet för den studerade reflektortypen. Den största RCS-förlusten i den här studien berodde på uppmätt buktighet i bottenplåten, i kontrast med att RCS-värdet enligt tidigare studier anses mer känsligt för avvikelse från ortogonalitet mellan reflektorplåtar. / Corner reflectors are used as targets with a continuous and identifiable reflected signal in remote sensing, commonly used with interferometric synthetic aperture radar [InSAR]. Corner reflectors are applied for monitoring crustal changes and calibrating synthetic aperture radar [SAR]-systems. The strength of the reflected radar signal is measured with radar cross section [RCS]. The RCS decreases if the reflector has deformations, such as deviation from orthogonality of the reflector plates, the plate curvature and surface irregularities. Therefore, it is important to be able to measure and analyse these kinds of deformations. The aim of this study was to examine how well close-range photogrammetry [CRP] and terrestrial laser scanning [TLS] can be used to measure deformations of corner reflectors. A problematic aspect of corner reflectors are their surfaces, that usually are reflective and textureless.  Scanning was conducted in a field environment and CRP was performed with a digital camera. The CRP-technique used in this study is based on Structure-from-Motion [SfM], which automates the image matching and 3D-modeling. TLS was done with a Leica C10 at short range from the corner reflector, about 2 m. The point clouds were segmented into separate point clouds for each reflector plate and reference planes were fitted to them. The reference planes were used to measure angles between reflector plates, with measured deviations from orthogonality between 0-0,8°. Plate curvature was measured as the distance from the point cloud to the reference plane and varied between the reflector sides and between TLS and CRP, in an interval from 0 to 6 mm. Surface irregularities in the shape of pop rivets, 0,6 mm in size, could be measured in the CRP-point clouds. Measurement uncertainties were generally lower in measurements based on TLS compared to CRP. Both TLS and CRP have limitations when scanning corner reflectors, caused by surface properties of the corner reflector. These problems can be reduced for CRP with certain field measures, such as extra focus points and artificial surface texture. The TLS results were affected by the incident angle while scanning, since a large incident angle leads to few return pulses and a too small incident angle may lead to returns with high intensity (and incorrect position). Measured deformation in this study would be equivalent to a reduction of RCS slightly above one fourth of the maximum RCS-value for the studied corner reflector type. In contrast to earlier studies, which say that RCS is most sensitive to lack of orthogonality between the plates, the largest reduction of RCS in this study was caused by the measured plate curvature of the bottom plate.