ひずみ解析システム DIC（デジタル画像相関法）

ひずみ解析 DIC（デジタル画像相関法）とは？

DIC(Digital Image Correlation：デジタル画像相関法)解析とは、デジタルカメラで撮影した変形前後の画像を使用し、ひずみを可視化解析する手法です。
一般的なひずみ計測に使用されるひずみゲージと異なり、非接触で計測可能になります。
DICによる解析は新製品の開発や、落下・衝撃・引張による耐久性の試験など様々な研究で活用されています。

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ひずみ解析 DICとは
DICに必要なもの
撮影の流れ
DIC計測の6つのポイント
おすすめ機種

DICで画像からひずみを算出する原理

DIC（デジタル画像相関法）は、デジタル画像相関法と呼ばれる画像解析手法です。

金属の表面や、コンクリートのざらつき模様や、計測対象物表面にスプレー塗料等で塗布したスペックルパターンと呼ばれるランダムパターンを用いて、そのパターンがどの様に変化したのか画像相関解析を行い、その変位量からひずみ量を算出します。

ハイスピードカメラを使用することにより、高速ひずみ現象を詳細に解析可能です。

従来のひずみ計測との違い

従来のひずみ計測に用いられてきたひずみゲージと比べると、DICは非接触かつ面で計測できることが最大の違いです。
カラーマップで表示されるため、CAEと照らし合わせることでシミュレーションとの差異を簡単に比較できます。
カメラで撮影するので非接触計測ができ、実験物への影響を抑えることができます。

ひずみ解析DICの利点・欠点

ひずみ解析にDICを用いることの利点欠点は以下のとおりです。

利点

非接触で計測ができる
面で計測できる
再現性がある
3次元での計測も可能

欠点

スペックルパターンを塗布する必要がある
カメラに写らない部分は計測ができない

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ひずみ解析DICに必要なもの

DIC解析には、以下の物が必要です。

デジタルカメラ
ひずみ解析ソフトウェア
PC

カメラ

お客様のご要望に応じて選定いたします。
ゆっくり変形するものであれば産業用カメラ、破断や衝突などの高速な現象を計測する場合はハイスピードカメラが必要です。
解像度が高いほど細かく相関を見られるため、精度が高まります。

ひずみ解析ソフトウェア Mercury RT

デジタルカメラで撮影した画像を処理するのがひずみ解析ソフトウェアです。
変形前後の画像を使用しパターン群の変形を捜索、演算解析を行い、ひずみを可視化解析します。
解析したデータはcsv、動画、画像で出力可能です。

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解析用PC

ひずみ解析ソフトウェアを動かすPCが必要になります。
【推奨スペック】
CPU：Intel Core i7 以上
メモリ：32GB 以上
グラフィックボード：NVIDIA GeForce GTX1650 4GB 以上

ひずみ解析DICの撮影から解析までの流れ

本項目では、当社取扱のハイスピードカメラPhantomを用いて、ヘルメットを叩く瞬間のひずみを例に流れを解説します。
ほかのDICでも基本的には以下の流れでDICを行います。

計測対象にスペックルパターンを塗布する
ハイスピードカメラで変形の様子を撮影する
ひずみ解析ソフトウェアで変形前後の画像を解析する

①ひずみの計測対象にスペックルパターンを塗布する

上の画像では、スプレーを使用してスペックルパターンを塗布しています。
粒子を均一に塗布するために、エアブラシ等を使うこともあります。
光沢がある物体では、その部分が白飛びしたり反射することを避けるためにスプレーでマットなベースを塗ってからスペックルパターンを塗布します。

②ハイスピードカメラで変形の様子を撮影する

次は変形の様子の撮影です。
撮影の際には、物体が動いたときに影ができないように均一に照明を照射します。
狭小エリアであればリング型の照明を用いたり、大きな物体であれば多方面から照明を当てることで影を減らします。

③ひずみ解析ソフトウェアで変形前後の画像を解析する

撮影した映像をDICソフトに読み込ませ、解析を行います。
計測しないエリアのマスキングや表示するパラメータを設定して解析映像を出力します。

本撮影ではカメラ2台で多角的に計測する3次元DICをおこなったので、ひずみを立体的に解析できました。
CAEソフトと同じように様々な角度から見れるので、より詳細に現象を解析したい場合に最適です。

解析した映像は以下のとおりです。

ひずみ解析DIC 6つのポイント

DICは画像解析なので、綺麗な映像が撮影できるかが大きなポイントとなります。
特に以下の6つが重要なポイントです。

撮影速度（フレームレート）
画素数
センサーノイズ
スペックルパターンの塗布
2次元・3次元DICの選択
解析項目
解析項目

撮影速度（フレームレート）

破断や落下の瞬間など、現象が速い場合には撮影速度が必要になります。
ハイスピードカメラを使用することで、瞬間的な変形を計測することが可能になります。
自由落下や衝突、引張試験による破断時のひずみは非常に高速であり、比較的柔らかいゴムなどの軟質材で数千～数万コマ/秒、金属やカーボンなどの硬質では数十万コマ/秒程度での撮影が必要になります。
また、ハイスピードカメラは露光時間も細く設定できるので、ブレのない映像を撮影することができます。

画素数

高解像度なカメラを使用することで、局所的な変位も解析することが可能になります。
また、1ピクセルを処理でさらに分割して細かいピクセルとするサブピクセル処理を行えば、実質的な空間分解能が上がります。
以下の画像は、940万画素と100万画素のカメラで比較したものです。
特にヘッドランプの内側の細かい部分や、ランプとフレームのエッジがなめらかに出ていることがわかります。

センサーノイズ

DIC解析では輝度情報が重要になるため、ノイズに埋もれてしまうと精度が低くなってしまいます。
低ノイズなセンサーを搭載したカメラを使用することでノイズによる誤ベクトルの検出を抑えることができます。
センサーノイズを減らすには、画像などのソフトウェア処理と、センサーそのものを冷却するなどのハードウェア処理の2つがあります。