Motion blur compensation to improve the accuracy of Digital Image Correlation measurements

130 Pages·2017·4.95 MB·Italian

by  Simone Turrisi

POLITECNICO DI MILANO
Master of Science in Mechanical Engineering

MOTION BLUR COMPENSATION TO IMPROVE THE
ACCURACY OF DIGITAL IMAGE CORRELATION
MEASUREMENTS

Relatore: Prof. Emanuele Zappa
Tesi di laurea di:
Simone Turrisi
Matr. 853822

Anno accademico 2016/2017
II
“Let your joy be in your journey, not in some distant goal”
Tim Cook

III
IV
Contents
MOTION BLUR COMPENSATION TO IMPROVE THE ACCURACY OF DIGITAL
IMAGE CORRELATION MEASUREMENTS .......................................................................... I
CONTENTS........................................................................................................................................ V
RINGRAZIAMENTI ..................................................................................................................... IX
ABSTRACT ...................................................................................................................................... XI
SOMMARIO ................................................................................................................................. XIII
LIST OF FIGURES ....................................................................................................................... XV
LIST OF TABLES.........................................................................................................................XIX
CHAPTER 1 DIGITAL IMAGE CORRELATION AND MOTION BLUR ...................... 1
1.1 FULL-FIELD MEASUREMENTS AND DIGITAL IMAGE CORRELATION ............................................. 1
1.2 TWO-DIMENSIONAL DIC .............................................................................................................. 3
1.3 DIC UNCERTAINTY IN DYNAMIC APPLICATIONS ............................................................................ 8
1.4 EFFECT OF MOTION BLUR ON DIC UNCERTAINTY ........................................................................ 9
1.4.1 MIG and SSSIG indexes ................................................................................................... 11
1.4.2 Blur simulation in case of constant velocity motion ................................................... 12
CHAPTER 2 IMAGE DECONVOLUTION AND COMPLEX CEPSTRUM ................. 15
2.1 INTRODUCTION TO IMAGE DECONVOLUTION .............................................................................. 15
2.1.1 Image blur model .............................................................................................................. 17
2.1.2 Wiener filter ...................................................................................................................... 19
2.2 BASIC THEORY OF CEPSTRUM ..................................................................................................... 20
2.2.1 Applications of cepstrum ................................................................................................. 21
CHAPTER 3 MOTION BLUR ESTIMATION ...................................................................... 23
3.1 DETECT MOTION BLUR AND NET DISPLACEMENT USING COMPLEX CEPSTRUM .......................... 23
3.2 ESTIMATE MOTION BLUR AND NET DISPLACEMENT ................................................................... 26
V
3.2.1 Sinc fitting method ........................................................................................................... 26
3.2.2 First estimate method ..................................................................................................... 29
3.3 ERROR OF ESTIMATION FOR DIFFERENT REFERENCE IMAGES ................................................... 31
3.3.1 Case 1: Realistic DIC speckle .......................................................................................... 31
3.3.2 Case 2: ‘Sample 3b’ from DIC challenge ...................................................................... 34
3.3.3 Case 3: Sample 7 from DIC challenge .......................................................................... 36
3.4 COMPARISON AND ANALYSIS ...................................................................................................... 38
3.4.1 Influence of noise on motion blur estimation .............................................................. 38
3.4.2 Influence of image type on motion blur estimation ................................................... 40
CHAPTER 4 MOTION BLUR COMPENSATION .............................................................. 43
4.1 DECONVOLUTION ALGORITHM USING COMPLEX CEPSTRUM ...................................................... 43
4.2 BLUR COMPENSATION FOR DIFFERENT REFERENCE IMAGES ..................................................... 44
4.2.1 Case 1: Regular DIC speckle (‘Fullspeckle’) .................................................................. 45
4.2.2 Case 2: ‘Sample 3b’ from DIC challenge ...................................................................... 46
4.2.3 Case 3: ‘Sample 7’ from DIC challenge ......................................................................... 48
4.3 COMPARISON AND RESULTS ....................................................................................................... 49
4.4 INFLUENCE OF NOISE ................................................................................................................. 51
4.5 DECONVOLUTION WITH WIENER FILTER................................................................................... 53
4.5.1 NSR definition .................................................................................................................. 53
4.5.2 Applicative example of Wiener filter ............................................................................ 55
CHAPTER 5 BLUR COMPENSATION FOR DIC UNCERTAINTY REDUCTION . 58
5.1 DIC ANALYSIS ON IMAGES WITH MOTION EFFECT ...................................................................... 58
5.1.1 Effect of adding Gaussian noise to images with motion blur .................................... 60
5.2 DIC UNCERTAINTY AFTER BLUR COMPENSATION USING COMPLEX CEPSTRUM ......................... 61
5.3 DIC UNCERTAINTY AFTER BLUR COMPENSATION USING WIENER FILTER ................................ 67
CHAPTER 6 EXPERIMENTAL VALIDATION .................................................................. 73
6.1 EXPERIMENTAL SETUP ............................................................................................................... 73
6.2 DYNAMIC CHARACTERIZATION OF THE BEAM ............................................................................ 75
6.3 SPECKLE PATTERN REALIZATION ............................................................................................... 77
6.4 SPECKLE PATTERN DESIGN ......................................................................................................... 79
6.5 EXPERIMENTAL ACTIVITY .......................................................................................................... 81
6.5.1 Motion blur estimation using complex cepstrum ....................................................... 83
6.5.2 Motion blur removal using Wiener filter ..................................................................... 88
6.5.3 DIC analysis after blur compensation ......................................................................... 93
REMARKS AND CONCLUSIONS ............................................................................................ 99
VI
REFERENCES ............................................................................................................................... 103

VII
VIII
Ringraziamenti
La tesi che andrete a leggere rappresenta il risultato di un lungo lavoro, iniziato in data 24
marzo 2017. È stato un periodo molto intenso, durante il quale non sono mai mancate nuove
sfide e difficoltà, ma anche grosse soddisfazioni. Al tempo stesso è stato un momento di forte
accrescimento sia dal punto di vista professionale che personale, e che per questo difficilmente
dimenticherò.
Giunto alla conclusione di questo lavoro, un primo ringraziamento va sicuramente al professor
Emanuele Zappa, per l’aiuto sempre puntuale ed attento che ha saputo darmi, per la
competenza con cui ha saputo indirizzarmi nelle occasioni di dubbio e per la passione verso il
mondo della ricerca che ha saputo trasmettermi.
Ringrazio anche Alberto e Nicola, per aver collaborato con me durante tutta l’attività
sperimentale, e il gruppo di ricerca di Misure e Tecniche Sperimentali del Politecnico di
Milano, per l’efficiente supporto logistico e personale.
Un ringraziamento di cuore va a tutta la mia famiglia, a cui dedico questo lavoro, per il
continuo impegno mostrato nel crescermi e nel formarmi, e per essere stata sempre al mio
fianco, non facendomi mai mancare sia il sostegno morale che quello economico.
Un grosso grazie anche ai miei amici Gio, Mare, Rava, Dona, Bolo, Azza, Batti, Cina, Geki e
Cire, che, attraverso parole, gesti, messaggi e risate hanno sempre trovato l’occasione per
sostenermi ed incoraggiarmi.
Un ultimo ringraziamento va infine a me stesso, per aver raggiunto il traguardo in cui ho
fortemente creduto con dedizione e sacrificio. Esso rappresenta un punto di arrivo, ma al
tempo stesso l’inizio di una nuova avventura, che sarò pronto ad affrontare con lo stesso
impegno e con la stessa determinazione.

IX
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