Optical measurements : high-speed imaging for the analysis of the

Optical measurements : high-speed imaging for the analysis of the
dynamic behaviour of materials
Transparents du cours de M2 MAGIS, février 2011
High-speed imaging on internet…
http://www.2fast4u.ipressl.at/
“Slow motion”…
What interest for mechanical engineering ?
(and in particular the study of dynamic behavior of materials…)
2
High-speed imaging for science !
One indicator :
In Experimental Mechanics (IF 1.469 (2008))
High-speed camera
(engineering)
1960-69
(materials)
1970-79
High-speed photography
(engineering)
1980-89
1990-99
(materials)
2000-09
3
The magic of high-speed imaging
See what cannot be seen…
1’000’000 fps
Website Cordin
125’000 fps
“High-speed photographic methods serve as
extension of our eye-sight” (Edgerton)
http://www.cordin.com/images.html
4
The limitations of human sight
rods and cones
Rods : 120 millions (on retina),
Highly sensitive
in adapted conditions
B&W only
Cones : 7 millions (highest density
on macula),
Color perception
The eye -> perception of light intensity = light power x integration time
Persistence of vision : 50 ms
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vision/rodcone.html
5
The role of the brain
The brain… needs time for image construction, and memorization of a sequence
The brain causes some weird effects…
(optical illusions)
Aims for science : SEE and MEMORIZE.
6
High-speed imaging
= image(s) of an object in fast motion
Fast moving object
high to compensate
small light intensity
Image on a sensitive sensor
Light intensity = integration x light power
Image on a sensitive sensor
…
small to avoid blur
high to compensate
Memorization of one
or successive images
7
Difficulties of high-speed imaging
Fast moving object
high to compensate
small light intensity
Image on a sensitive sensor
Light intensity = integration x light power
Image on a sensitive sensor
+ contrast
…
small to avoid blur
high to compensate
Memorization of one
or successive images
8
History of high-speed imaging
A partir de 1850
1852 : William Henry Fox Talbot, grand inventeur pour la photographie,
s’essaie à la prise de vue d’objets animés.
L’idée : se baser sur le flash (grosse intensité, très brève)
Toepler (1860) : invention of Schlieren technique
EJ Muybridge (1878) : précurseur de la photographie de séquence animée
(déclenchement synchronisé de plusieurs appareils photos)
High Speed Photography and Photonics, Sidney Ray, 1997
http://www.highspeedimaging.com/university_101-high-speed_imaging_history.com
9
History of high-speed imaging
Development during WWII
1930 : HE Edgerton (MIT) : technique stroboscopique
WWII : Schardin : analyses de schlieren (shadowgraphs)
1980 : Kodak lance la SP2000, 12’000 fps en résolution réduite (140’000 $)
1991 : Photron lance la 4550, 12’000 fps en résolution réduite (140’000 $)
1994 : Redlake lance les premières caméras rapides bon marché
…
http://www.fen-net.de/walter.preiss/e/wp_frame.html
http://web.mit.edu/edgerton/main.html
10
Difficulties of high-speed imaging
1
Fast moving object
high to compensate
small light intensity
Image on a sensitive sensor
5
Light intensity = integration x light power
Image on a sensitive sensor
+ contrast
…
4
2
small to avoid blur
high to compensate
3
Memorization of one
or successive images
11
Schlieren and shadowgraphy
Effect of density gradient on refraction of light…
(Hooke 1665, Toepler 1864, Mach, Schardin)
Schlieren (ou strioscopie)
caustic
shadowgram
Schardin, H.(1942)
in Leine et al., Shock Waves, 17 (5), 29008.
http://www.aerolab.com/Display_Pages/Schlieren.html
12
Schlieren and shadowgraphy
Direct shadowgraphy
Schlieren techniques (different layouts)
http://www.aerolab.com/Display_Pages/Schlieren.html
13
Schlieren and shadowgraphy
shadowgraph
schlieren
Courtesy John Field
14
First cameras…
Principe mécanique d’une caméra cinématographique
Imprimer le film pendant que l’obturateur est ouvert
Déplacer le film pendant que l’obturateur est fermé
La croix de Malte
15
First cameras…
Caméra à prisme tournant
Dérouler le film en continu..
16
Rotating mirror or rotating drum
Principe de Miller
L’image imprimée ne dépend pas de l’angle de rotation du miroir.
17
Rotating mirror or rotating drum
Principe mécanique d’une caméra ultra rapide
Renvoyer le flot optique sur différents capteurs “rigides”
Miroir tournant < 20.103 tr/s
N Capteurs
CCD
 Très hautes cadences
 Nombre limité d’images
 Capteurs différents donc qualités différentes
http://www.cordin.com/productsfilm.html#RD
18
Rotating mirror or rotating drum
Courtesy John Field
19
Caméra à photocathode (gated cameras)
Gated cameras, image converters
Conversion du flot optique en flots d’électrons, déviation, reconversion et projection sur
un film photosensible
Essai de compression sur SiC
(650’000 fps, film, 100ns)
 image déformée
 coût
0us
4.5us
1.5us
3us
6us
10.5us
7.5us
9us
 peu d’images disponibles
Forquin et al, 2003
http://sales.hamamatsu.com
20
Denoual et al. in Appl. Mech 2000
Essai d’impact sur la tranche sur SiC
(20’000’000 fps, film, 10ns)
 Moiré method for quantitative analysis
21
Fastest imaging camera (gated)
Imacon
http://www.itronx.com/DRS_IMACON_200%20_high-speed_slow-motion_cameras.htm
 CCD sensors (gated)
 < 200’000’000 fps
 1360 x 1024 pix
 shutter 5 ns
22
Caméras “tout électronique”
Principle : reduct time for transfer
(1024x1024)pixx(10’000)fpsx(12)bits ~= 126 Gbps (Gbits/s)
USB2 : 480 Mbps
Eth. Giga : 1 Gbps
memory is into the camera
Sensor CMOS
Possibilité de lecture
partielle du capteur
CMOS : complementary metal oxide semiconductor
(Photron SA5)
23
Tout électronique
Caméras électroniques
horloge
alimentation
capteur
CAD
Brevet Shimadzu
 Parallélisation des “actions”
On electronics of high-speed cameras : These Jérome Dubois
24
Summary : several technologies
Principe mécanique
Cordin, Cranz-Schardin…
(photocathode)
Hadland, Hamamatsu…
Principe électronique
Photron, Phantom, Redlake, Shimadzu…
http://encyclopedia.jrank.org/articles/pages/1138/High-Speed-Cinematography.html
25
Memorization
Sensor :
From cinematographic film to digital sensors…
Film 35 mm
Très bonne résolution spatiale
Numérisation nécessaire (quant.)
Information numérique
Moindre qualité…
Il faut stocker !
26
Spécificité Shimadzu
On chip pixel storage
Résolution (pixels)
10,000,000
 Un capteur CCD fixe
 Mémoire tournant
CCD : charge-coupled device
1,000,000
Phantom V12.1
100,000
SHIMADZU HPV-2
10,000
1,000
100
1,000
10,000
100,000
Nombre d’images par seconde
1,000,000
27
The shutter
Principe
Imprimer l’image en un temps “adapté” (temps d’intégration).
Ici : Empêcher le flou (tmini) tout en imprimant l’image (tsuff)
Obturateur électronique
Obturateur mécanique
Thèse J. Dubois
Shutter : besoin d’un shutter global pour éviter la déformation de l’image
28
Parameters of a sequence capture
Frame rate
Number of images per second (fps)
Temporal resolution
If V=10 m/s and “blur” of 1 mm/f -> 10’000 fps
But if V=1000 m/s and “blur” of 1mm/f -> 1 Mfps
Behavior % fracture
Shutter speed
To avoid motion blur
Integration time (s, ms ou us)
If pixel size is 0.1 mm/px
At tint=100 us, if V=10 m/s At tint=1 us, if V=1000 m/s
Then blur of 10 px/f
29
The sensor
Principle
Sensitivity (10’000 ISO) : dépend du taux de remplissage du pixel, de la technologie…
30
L’éclairage (hors laser…)
C’est la base de l’imagerie rapide :
Image visible : énergie lumineuse = temps d’intégration x puissance lumineuse
En continu
Flash
Flash pyrotechnique
explosif
L’éclairage doit assurer :
la conservation du flot optique
aucun effet sur le comportement
zone non
choquée
front
d’onde :
zone ionisée
zone
choquée
(G. Besnard, LMT/CEA)
31
Summary : high speed imaging
On parlera ici d’images
visible (≠ IR ou autre)
digital (≠ analogical or film)
taken with high-speed electronic cameras (Photron / Shimadzu)
(> 16 to 24 frames/sec (film), 25 frames/sec (PAL, SECAM) ou 30 frames/sec (NTSC), etc…)
32
On parlera ici d’images
Digital image
visible (≠ IR ou autre)
digital (≠ analogical or film)
taken with high-speed electronic cameras (Photron / Shimadzu)
(> 16 to 24 frames/sec (film), 25 frames/sec (PAL, SECAM) ou 30 frames/sec (NTSC), etc…)
From X’000 fps
to 1’000’000 fps
33
Definition : one image
Une image numérique noir et blanc
contient une matrice M x N (définition ou “résolution”)
dont les composantes (pixels=picture element) sont des niveaux de gris
Essai ecaillage sur microbéton (120 /s)
(500’000 fps 312x260[?mm] 1us)
Zoom (pixels)
Valeurs (8 bits)
11210073 68 64
98 64 61 52 49
67 60 53 50 49
zoom
54 49 44 47 48
34
The “dynamic range” of a digital image
La dynamique définit la “profondeur effective” de l’image
Souvent : assimilée à la profondeur p du capteur (niveaux de gris par pixel)
Capteur 8 bits : 28 = 256 ou 16 bits : 216 = 65’536 niveaux de gris par pixel
Rigoureusement : amplitude des niveaux de gris “utiles”
Sur une image
IM(:,:)
Dynamique
d=max(IM(:))-min(IM(:))
Histogramme
Dynamique : 130 (~7bits)
(c’est noir)
Sur une image .tiff 16 bits !!
Pas assez souvent : le bruit du capteur affecte sa dynamique
35
And Trigger…
Trigger
synchronisation
if 1024x1024 pixels (8 bits)
alors 1 Go=1 ms Buffer memory allows
2.6 GB
BEGIN
2.6 GB
Mémoire tournante
2.6 GB
END
2.6 GB
Multiple cameras : synchronization
With rotating mirror cameras…
No buffer memory, and trigger is less convenient…
36
Summary…
Image capture procedure
Trigger of several cameras synchronized
37
Limitations
E vent
Man walking
Automobile cras h
Moving machine
parts
S ound waves in air
Cracks in Glass
S hocks in solids ,
detonations
E vents governed by
the velocity of light
S peed (m s -1)
required
~1
F rame rate
(frame s -1)
~16
~30
~500
~500—1000
1000—2000
~300
~5 x 103
~1500
>105
F ew 103—104
>106
3 x 108
~109
John Field
38
Outline
1. Eléments de technologie
2. L’imagerie qualitative
3. L’imagerie quantitative
4. Conclusions
L’essai SHPB
Les barres de Hokpinson
Un instrument de mesure de la contrainte et de la vitesse pour l’identification
Matériau cellulaire
σ1D
ε1D
ε1D
1m5
4m
2m
40
Compression of ductile polymer (PC)
Essai SHPB sur PC
(20 m/s, 1500 /s)
(63’000 fps 256x112[10mm] 7us)
PC
 Compression ductile
 Barrelling
 Elastic unloading
41
Compression of a quasi-brittle material
Essai SHPB sur TA6V
(15 m/s, 3000 /s)
(75’000 fps 128x112[10mm] 10us)
 Brittle fracture
 Ejection of lubricant
 “Re”loading
42
Compression of cancellous bone
Essai SHPB sur os spongieux (XX m/s, NN /s)
(37’500 fps 128x272[50mm] 16.5us)
 Déformation non homogène
sur le plateau
Os
Essorage : oui non
Collaboration LBM, ENSAM Paristech
Laporte et al., en cours de soumission
Laporte et al., DYMAT 2009
43
Multiaxial : Compression/shear
On Honeycomb
Essai SHPB/CS sur un nid d’abeille (15 m/s, 400 /s)
(42’000 fps 256x176[55mm] 5us)
θ=50°
θ=30°
 Cinématique de la déformation
 Déformation près des parois
Bing et al., en cours de soumission
Bing et al., DYMAT 2009
44
The inversed perforation experiment
Elnasri et al. IJIE 2007
dynamic
Measurement of the perforation curve
45 m/s
static
45
fracture process (post-mortem)
static
1 macrocrack
or several branched
dynamic
Crater
Fragmentation
…
46
Essai de perforation directe
Fracture process (in situ)
Essai de perforation sur du Twintex (45 m/s)
(30’000 fps 256x256[70mm] 16.5us)
 Fisuration par fragmentation
des torons au cours de la perforation
(30’000 fps)
Tsitsiris, Pattofatto, Zhao, to be submitted
Pattofatto et al., DYMAT 2009
47
Sometimes some problems may occur…
Oups…
Essai de perforation sur du Twintex (45 m/s)
(30’000 fps 256x256[70mm] 16.5us)
48
Hokpinson bars for tension experiments
Un essai SHTB
What relevance of such a test without DIC ?
49
Tension of a ductile material
Lors d’essais dynamiques (1 ms) : voir est un “plus”
Essai SHTB sur aluminium série 5 (3 m/s, 150 /s)
(31’500 fps 896x96[4mm] 16.5us)
 Initiation of striction 50
Dynamic fracture of Twintex
Essai SHTB sur un composite Twintex (2 m/s, 50 /s)
(63’000 fps 896x96[4mm] 6.5us)
 progressive fracture
 one macrocrack propagates
51
Voir ce qui ne peut être vu
Lors d’essais dynamiques (1 ms) : voir est un “plus”
Essai sur ligament de lapin
(15 m/s, 3000 /s)
(45’000 fps 128x112[10mm] 10us)
 essai sur “structure”
52
Fracture in a PMMA plate
Visualisation au cours de l’essai
Essai impact sur la tranche PMMA (50 m/s)
(500’000 fps 312x260[150mm] 1us)
 Visualisation du lieu d’amorçage  Visualisation de la propagation/arrêt des fissures
Thèse LPMM
Nasraoui et al., DYMAT 2009
53
Conclusion sur imagerie qualitative
Essais de dynamique transitoire : voir apporte toujours de l’information
Description temporelle complémentaire à des essais interrompus coûteux
Aussi adapté pour des essais statiques montrant des phénomènes dynamiques
Cela reste de l’imagerie donc :
informations en surface uniquement (pas près de changer sauf photoélasticité)
ne remplace pas les essais interrompus
54
Outline
1. Eléments de technologie
2. L’imagerie qualitative
3. L’imagerie quantitative
4. Conclusions
La corrélation d’images numériques
Principe de CorreliQ4
(cours F. Hild jour 1)
Permet des mesures de
champ de déplacement,
avec une précision subpixel
Conservation du flot optique
Décomposition sur base EF
Minimisation de l’erreur η
56
Application à des images “rapides” ?
Spécificités des images prises en imagerie rapide (monocapteur)
Dynamique moins bonne
Faible résolution
60’000 fps -> 900x100
30’000 -> 250x250
Incertitude…
-> discrétisation spatiale fine, ex: 4x4 pixels
Grands déplacements
-> stratégie de corrélation multiéchelle
-> actualisation de l’image de référence
Fluctuation parasite des niveaux de gris
update
57
Ex : Front de choc dans une mousse
Aux grandes vitesses, propagation d’une discontinuité
Alporas
Saut de contrainte
Vitesse du front de choc (compaction)
Pattofatto et al., JMPS, 2007
Tan et al., IJIE, 1997
Et pour les vitesses intermédiaires ? 58
Front de choc dans une mousse
Mesures complémentaires aux mesures de barres
Elnasri et al., JMPS, 2007 ; Pattofatto et al., JMPS, 2007
Essai de compression SHPB sur mousse Alporas (47 m/s)
(20’000 fps 256x384[70mm] 16.5us)
29m/s
Impossible d'afficher l'image. Votre
ordinateur manque peut-être de mémoire
pour ouvrir l'image ou l'image est
endommagée. Redémarrez l'ordinateur,
puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x
rouge est toujours affiché, vous devrez
peut-être supprimer l'image avant de la
réinsérer.
Impossible d'afficher l'image. Votre
ordinateur manque peut-être de mémoire
pour ouvrir l'image ou l'image est
endommagée. Redémarrez l'ordinateur,
puis ouvrez à nouveau le fichier. Si le x
rouge est toujours affiché, vous devrez
peut-être supprimer l'image avant de la
réinsérer.
DIC
47m/s
 La zone compactée se propage depuis la face d’impact 59
Front de choc dans une mousse
Mesures complémentaires aux mesures de barres
Elnasri et al., JMPS, 2007 ; Pattofatto et al., JMPS, 2007
70 m/s
Mesure des niveaux de déformation axiale devant et derrière le front
au cours de l’écrasement
Mesure de la vitesse de propagation du front
Le modèle de front de choc est correct même aux vitesses intermédiaires
60
Ex : Compression d’un polymère (PC)
Cas de faibles résolutions
Essai de compression SHPB sur un PC(XX m/s, NN /s)
(63’000 fps 256x112[9mm] 10us)
 Problème de gestion des bords (perte d’éléments)
 Les déplacements hors plans ne sont pas pris en compte
 Stratégie de corrélation espace-temps
 Stéréo-corrélation
61
Ex : Compression d’un polymère (PC)
Stéréo-corrélation
Essai de compression SHPB sur un PC(XX m/s, NN /s)
(63’000 fps 256x112[9mm] 10us)
62
Ex : Ecaillage dans un béton
Mesures de déplacement à haute cadence
Erzar and Forquin, Exp. Mech. 2009
Essai d’écaillage sur un béton standard
(500’000 fps 312x260[145mm] 1us)
 sans DIC les fissures sont détectées 100 us trop tard !…
 DIC subpixel : détection des fissures
63
Ecaillage dans un béton
Mesures de déplacement à haute cadence
Erzar and Forquin, Exp. Mech. 2009
(microns)
Mesure de la vitesse des fragments
Fissures dues à de la fragmentation dynamique et non pas à des réflexions
64
Algorithme spatio-temporel
Bien adapté aux images de faible résolution, très haute cadence
Besnard, Guérard, Roux et Hild, submitted for publication
Essai de compression SHPB sur un PC(25 m/s, 1600 /s)
(100’000 fps 256x48[4mm] 5us)
62 images
4x4 pixels
8x8 pixels
16x16 pixels
 algorithme spatio-temporel
faible résolution spatiale
65
Le spatio-temporel
Principe de construction de l’image (x,t)
62 images
Image des trajectoires
66
Le spatio-temporel
Principe du calcul
Besnard, Guérard, Roux et Hild, submitted for publication
D. Grégoire, Thèse INSA Lyon
Recherche d’une solution en vitesse
Par minimisation de l’erreur globale
Solution cherchée sous la forme
Image spatio-temporelle
Champ de déplacements
67
Conclusion sur l’imagerie quantitative
Les outils existants (DIC, stéréo-corrélation) peuvent être adaptés/déclinés pour
mesurer des champs de déplacement
Mesure adaptée à de la détection de fissure
Des algorithmes spécifiques sont développés (spatio-temporel par Hild, Roux)
pour mesurer des champs de vitesse
L’expérimentation en dynamique rapide est très souvent affectée d’une erreur plus
grande (perturbations)
68