Photogrammetrische Methoden gewinnen zunehmend an Bedeutung im bautechnischen Versuchswesen. Die Auswertung von Bildsequenzen ermöglicht eine kontaktlose, flächenhafte, hochaufgelöste und hochgenaue Veränderungsdetektion von Oberflächen in der Materialprüfung und Bauwerksüberwachung. Diese Arbeit behandelt einige Aspekte der Deformationsanalyse auf Basis von Bildsequenzen mit Hilfe triangulierter Verschiebungsfelder. Zunächst wird auf Untersuchungen zu Deformationen ebener Objektoberflächen, die mit monokularen Bildsequenzen beobachtet wurden, eingegangen. Im weiteren Verlauf wird auf Stereobildsequenzen übergegangen, die Deformationsmessungen für beliebige Oberflächen erlauben.
Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, wie Verschiebungsfelder in monokularen Bildsequenzen bestimmt werden können. Die Bildpunkte, an welche die Verschiebungen geknüpft sind, werden zu einem Dreiecksnetz trianguliert. Jedes einzelne Dreieck wird auf Änderungen zu der Referenzepoche, die als die erste Epoche ohne jegliche Deformation definiert ist, untersucht. Ein gängiges Verfahren zur Analyse solcher Veränderungen ist die Berechnung von Hauptdehnungen für jedes Dreieck. Schwellwerte können zur Erkennung deformierter Bereiche und die farbkodierte Darstellung der Hauptdehnungen für eine visuelle Betrachtung genutzt werden.
In den räumlich verteilten Hauptdehnungen sowie im zeitlichen Ablauf treten Rauscheffekte auf. Deshalb werden verschiedene Filtermethoden zur Rauschunterdrückung untersucht. Dabei kommt ein Filter zum Einsatz, der gleichzeitig in der räumlichen sowie der zeitlichen Dimension filtert. Es werden aber auch Filter untersucht, die in beiden Dimensionen getrennt filtern.
Aus den Hauptdehnungen können nicht direkt Rissbreiten abgeleitet werden. Diese spielen für die Materialprüfung im Bauwesen allerdings eine wichtige Rolle, weswegen sich diese Arbeit auch mit der Berechnung von Rissbreiten in Dreiecksnetzen befasst. Als deformierte Dreiecke werden diejenigen detektiert, deren Hauptdehnung einen Schwellwert überschreiten. Für diese Kandidaten werden im Folgenden Rissbreiten bestimmt. Drei verschiedene Verfahren für die Ermittlung von Rissbreiten werden vorgestellt und verglichen.
Die Dehnbarkeit faserbewehrter Komposite, die unter anderem zur Verstärkung von Mauern und anderen Bauwerken verwendet werden, wird bei Belastung durch die Bildung multipler Rissstrukturen gewährleistet. Auf Grund dessen widmet sich ein weiterer Teil der Dissertation der Auswertung multipler Rissstrukturen. Hierzu werden dichte Verschiebungsfelder berechnet. Dann wird zunächst eine Auswahl der verfolgten Punkte genutzt, um ein grobes Dreiecksnetz zu generieren. Deformierte Dreiecke der ausgedünnten triangulierten Punktmenge werden mit dem Betrag des relativen Translationsvektors, der als Deformationsmaß eingeführt wird, detektiert. Eine iterative Verdichtung des Dreiecknetzes in deformierten Bereichen ermöglicht die Auswertung enger Rissmuster. Zudem erlaubt eine Ausgleichung, dass nicht-triangulierte Punkte des dichten Verschiebungsfeldes in die Rissbreitenberechnung einbezogen werden können.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit ist die Betrachtung unebener Oberflächen, die mit Stereokamerasystemen beobachtet werden. Dazu werden die Algorithmen für die zweidimensionale Auswertung entsprechend übertragen und erweitert. Auf Basis von Verschiebungsfeldern dreidimensionaler Punkte wird auch hier ein Dreiecksnetz zur Änderungsdetektion genutzt.
So wird am Beispiel von dynamischen Dehnungstests an zylindrischen Probekörpern ein Algorithmus zur Rissbreitenmessung auf nicht ebenen Oberflächen vorgestellt. Dabei wird angenommen, dass die Deformationen ausschließlich tangential zur Oberfläche auftreten. Dies erlaubt die Transformation (Kongruenzabbildung) der Dreiecke in einen zweidimensionalen Raum und auch eine zweidimensionale Auswertung.
Außerdem wird eine Methode zur Berechnung des dreidimensionalen Rissöffnungsvektors präsentiert. Dieses Verfahren ist eine Erweiterung zum vorhergehenden Algorithmus und erlaubt zudem die Vermessung vertikaler Deformationen. Deformierte Dreiecke im triangulierten dreidimensionalen Verschiebungsfeld werden mit Hilfe des zweidimensionalen Relativtranslationsvektorbetrags der in den zweidimensionalen Raum transformierten Dreiecke detektiert. Anschließend folgt für alle deformierten Dreiecke durch Hinzunahme mindestens eines undeformierten Nachbardreiecks die Berechnung eines dreidimensionalen relativen Translationsvektors, mit Hilfe dessen die Komponenten des Rissöffnungsvektors ermittelt werden.:Kurzfassung iii
Abstract v
1. Einführung 1
1.1. Struktur der Arbeit 1
1.2. Motivation 2
1.3. Verwandte Arbeiten 4
1.4. Ziele der Arbeit 7
2. Photogrammetrische Deformationsmessung in monokularen Bildsequenzen 8
2.1. Filtermethoden in Dreiecksnetzen 9
2.2. Rissbreitenberechnung mit Hilfe von Dreiecksnetzen 19
2.3. Strategie zur Rissbreitenmessung für multiple Rissstrukturen 29
3. Photogrammetrische Deformationsmessung in Stereobildsequenzen 50
3.1. Rissbreitenberechnung für tangentiale Deformationen auf nicht ebenen
Oberflächen mit gegebenem 3D-Verschiebungsfeld 51
3.2. Berechnung des dreidimensionalen Rissöffnungsvektors bei gegebenem
3D-Verschiebungsfeld 59
4. Diskussion 70
5. Ausblick 77
5.1. Bestimmung der Anzahl der Risse 77
5.2. Rissspitzenbestimmung und -verfolgung 78
5.3. Anwendung der entwickelten Algorithmen auf Voxeldaten 78
5.4. Modellerweiterung durch Relativrotation 82
5.5. Genauigkeitssteigerungen für die Rissposition 82
5.6 Verbesserung der Rissnormalenschätzung 82
Literaturverzeichnis 83
Abkürzungsverzeichnis 89
Tabellenverzeichnis 90
Abbildungsverzeichnis 90 / Photogrammetric methods are gaining importance in civil engineering material testing and structural health monitoring. The analysis of image sequences ensures an extensive change detection of surfaces with a high spatial resolution and a high accuracy. This thesis deals with some aspects of deformation analysis based on image sequences and triangulated displacement fields. At the beginning, the examination of planar surfaces of specimens observed with monocular image sequences is considered. Later, a transition to stereo image sequences is given because they allow a deformation measurement of arbitrary surfaces.
The first part of the thesis shows how to derive displacement fields from monocular image sequences. The matching points corresponding to the displacements are triangulated into a mesh. Each triangle is compared to the reference epoch which is defined as the first time epoch under zero load without any deformation. As a current method, principal strains are used to detect deformations. Thresholds can be used to find deformed areas. In addition, color-coded maps of the principal strains are helpful for a visual detection.
In the field of the principal strains, noise effects appear in the spatial as well as in the temporal domain. Therefore, different filter methods are applied to reduce noise. In addition to filter techniques that are applied independently in the time and the spatial domain, a combined spatio-temporal filter is tested.
Crack widths cannot be derived directly from principal strains but crack widths are an important issue in civil engineering material testing. For this reason, this thesis also gives attention to the computation of crack widths in triangle meshes. The principal strains of the triangles are tested for exceeding a threshold to detect deformed triangles. For the deformed triangles, crack widths are computed. Three different methods for the crack width determination are presented and compared.
Multiple cracking ensures the ductility of loaded fiber-reinforced composites used to strengthen walls among other things. Therefore, another part of the dissertation deals with the photogrammetric analysis of multiple crack patterns. Herein, dense displacement fields are computed. Then, a thinned-out set of points is triangulated into a mesh. For each triangle, the norm of the relative translations vector defined as a new quantity to detect deformations is determined and used to find cracked triangles. The mesh is densified iteratively in deformed areas to ensure an analysis of narrow crack structures. In addition, a least squares algorithm is presented which allows that points of the displacement field, that are not part of the mesh, can be included in the crack width computation.
A further part of the dissertation deals with non-planar surfaces observed with stereo camera systems. The algorithms of the two dimensional analysis are adapted and extended to use them for these applications. These methods are based on three dimensional displacement fields and also use triangle meshes to detect deformed areas.
One algorithm concentrates on the crack width measurement of non-planar surfaces with deformations that are only tangential to the surface. The method is applied on a cylindrical specimen in a dynamic tension test. The assumption that deformations are tangential to the surface allows the transformation of the triangles in the two dimensional space and also a two dimensional analysis.
In addition, an algorithm for the computation of the three dimensional crack opening vectors is presented. This method is an extension to the foregoing algorithm and is capable of measuring vertical deformations. To find deformed triangles in the triangulated three dimensional displacement field, the triangles are transformed in the two dimensional space in a first step. In a second step, the norm of the two dimensional relative translation vector is determined and tested if it exceeds a threshold. In the following, for each deformed triangle, the three dimensional relative translation vector is computed using a undeformed neighbor triangle. At the end, the three dimensional relative translation vectors can be transformed to the crack opening vectors.:Kurzfassung iii
Abstract v
1. Einführung 1
1.1. Struktur der Arbeit 1
1.2. Motivation 2
1.3. Verwandte Arbeiten 4
1.4. Ziele der Arbeit 7
2. Photogrammetrische Deformationsmessung in monokularen Bildsequenzen 8
2.1. Filtermethoden in Dreiecksnetzen 9
2.2. Rissbreitenberechnung mit Hilfe von Dreiecksnetzen 19
2.3. Strategie zur Rissbreitenmessung für multiple Rissstrukturen 29
3. Photogrammetrische Deformationsmessung in Stereobildsequenzen 50
3.1. Rissbreitenberechnung für tangentiale Deformationen auf nicht ebenen
Oberflächen mit gegebenem 3D-Verschiebungsfeld 51
3.2. Berechnung des dreidimensionalen Rissöffnungsvektors bei gegebenem
3D-Verschiebungsfeld 59
4. Diskussion 70
5. Ausblick 77
5.1. Bestimmung der Anzahl der Risse 77
5.2. Rissspitzenbestimmung und -verfolgung 78
5.3. Anwendung der entwickelten Algorithmen auf Voxeldaten 78
5.4. Modellerweiterung durch Relativrotation 82
5.5. Genauigkeitssteigerungen für die Rissposition 82
5.6 Verbesserung der Rissnormalenschätzung 82
Literaturverzeichnis 83
Abkürzungsverzeichnis 89
Tabellenverzeichnis 90
Abbildungsverzeichnis 90
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:73398 |
| Date | 20 January 2021 |
| Creators | Liebold, Frank |
| Contributors | Maas, Hans-Gerd, Möser, Michael, Lange, Johannes, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2015.10.013, 0924-2716, https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-2-193-2018, 2194-9042, https://doi.org/10.1007/s41064-020-00103-2, 2512-2789, https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W18-107-2019, 1682-1750, https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2020.03.019, 0924-2716, info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Graduiertenkolleg 2250/287321140//Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite/GRK 2250, info:eu-repo/grantAgreement/Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung/Zukunft Bau/SF - 10.08.18.7-11.34//Entwicklung und Erprobung von Versuchsgrenzlastindikatoren bei dre experimentellen Tragfähigkeitsanalyse bestehender Hochbaukonstruktionen mit geringem Ankündigungsverhalten - Folgeantrag/Versuchsgrenzlastindikatoren bei Belastungsversuchen II |
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