- AutorIn
- Laura Camila Duran Vergara Technische Universität Dresden, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung
- Titel
- Photogrammetric Techniques for Longitudinal Wave Propagation Analysis in Concrete Impact Deformation Tests Using Ultrahigh-Speed Imaging Systems
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-973903
- Übersetzter Titel (DE)
- Photogrammetrische Verfahren zur Analyse der Longitudinalwellenausbreitung bei Impaktverformungsversuchen auf Beton unter Verwendung von Ultrahochgeschwindigkeits-Bildgebungssystemen
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 13.09.2024
- Datum der Verteidigung
- 26.11.2024
- Abstract (DE)
- Hochgeschwindigkeitskamerasysteme (HSC) und in zunehmendem Maße auch Ultrahochgeschwindigkeitskamerasysteme (UHSC) werden im Bauingenieurwesen häufig eingesetzt, um das dynamische Verhalten von Betonstrukturen zu beurteilen und ihre Impaktfestigkeit zu bewerten. Diese hochentwickelten Kameras gestatten die Erfassung von Verformungen, die in den kurzen Zeitintervallen auftreten, bevor die Strukturen versagen. HSCs mit Bildraten von mehr als 10 kfps ermöglichen die Beobachtung der gesamten Betonverformung und der Rissverteilung. UHSCs mit Bildraten von mehr als 1 Mfps ermöglichen die Untersuchung von Verformungen unmittelbar nach dem Impakt und die Erfassung der Ausbreitung von Betonteilchen, die von verschiedenen Wellenarten beeinflusst werden. Von besonderem Interesse ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen, die für das Verständnis der Reaktion des Betons auf hohe Stoßbelastungen von grundlegender Bedeutung ist, da sie direkt mit der Festigkeit und Elastizität des Materials zusammenhängt. Die extrem kurzen Belichtungszeiten, die zur Erfassung dieser schnellen Verformungen erforderlich sind, können jedoch die Bildqualität beeinträchtigen, sodass eine Bewertung des Messpotenzials dieser Kamerasysteme erforderlich ist, um eine zuverlässige Materialanalyse zu gewährleisten. Diese Arbeit zielt darauf ab, diese Hindernisse in Zukunft zu überwinden und Methoden bereitzustellen, um diese Zuverlässigkeit zu erreichen. Durch die Verwendung photogrammetrischer Verfahren lässt sich aus den aufgenommenen Bildsequenzen die Oberflächengeometrie von Betonstrukturen, die mit kontrastreichen Fleckenmustern bedeckt sind, rekonstruieren und über die Zeit verfolgen. Diese Rekonstruktion dient nicht nur der Ableitung von Materialeigenschaften, die das Verformungsverhalten charakterisieren, sondern auch einer Stabilitätsanalyse der von verschiedenen Kameras erfassten Oberflächengeometrie und der Bewertung des Kameramesspotenzials. Zu diesem Zweck wird die relative Genauigkeit von auf Starrkörperbewegungen basierenden Szenarien, ob in Ruhe oder in Bewegung, mit Hilfe von ebenen und räumlichen Ahnlichkeitstransformationen bewertet. Abbildungsfehler aus diesen relativen Genauigkeitsauswertungen dienen als Indikatoren für die Konfiguration eines effizienten Stereo HSC Systems für präzise 3D Messungen (Kapitel 3) und für die Bewertung der Sensorempfindlichkeit verschiedener monokularer UHSC Systeme (Sektion 4.3.2.2). Diese Analysen, kombiniert mit Bewertungen der Bildqualität und des geometrischen Potenzials für die Untersuchung der Betonverformung vor und nach Rissbildung, dienen als Grundlage für die Auswahl eines geeigneten UHSC Systems (Kapitel 4). Durch die richtige Handhabung von Bildqualitätsproblemen in den erhaltenen Ultrahochgeschwindigkeits-Bildsequenzen und die Anwendung der eindimensionalen Wellentheorie mittels bildbasierter Ansätze zur Identifizierung von spannungswelleninduzierten Bewegungsoberflächenteilchen werden erfolgreiche Analysen der Ausbreitung von Longitudinalwellen erreicht (Kapitel 5). Wie die Testergebnisse zeigen, weisen die relativen Genauigkeitsanalysen von ruhenden Objekten darauf hin, dass Kameras mit herkömmlicher CMOS Sensortechnologie (Complementary Metal-Oxide Semi-conductor) eine höhere Leistungsstabilität aufweisen als Kameras mit ISIS Architektur (In-Situ Storage Image Sensor). Bei der Analyse von bewegten Objekten wird deutlich, dass die Messstabilität durch Unschärfe bei niedrigen Bildraten und ein abnehmendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bei hohen Bildraten beeinträchtigt wird. Obwohl CMOS Sensoren eine höhere Leistung zeigen, nimmt die Bildgröße mit steigender Bildrate erheblich ab. Dieser Nachteil wird von ISIS Sensoren überwunden, die auch bei sehr hohen Bildraten eine konstante Bildgröße beibehalten. Folglich können Schätzungen von Rissausbreitungsgeschwindigkeiten und Analysen der Bewegung von Betonteilchen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung durchgeführt werden. ISIS Sensoren haben jedoch ihre eigenen Probleme, wie z. B. die begrenzte Speicherkapazität und die geringere Bildqualität aufgrund der sensorinternen oder pixelinternen Signalspeicherung. Dennoch deuten die experimentellen Ergebnisse darauf hin, dass eine höhere Auflösung für die Erfassung schneller Verformungen wichtiger ist als die Bildqualität. Um das Bildrauschen des bevorzugten Sensors abzuschwächen, werden die Messungen mit Hilfe der Bézier-Filterung effektiv geglättet. Durch Anwendung dieser Filterung auf Bilder zylindrischer Proben unter einachsigem Druck in einem Split-Hopkinson-bar-Versuchsaufbau werden Schätzungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen für gewöhnlichen Beton ermittelt. Obwohl die experimentellen Werte von den theoretischen Vorhersagen abweichen, werden die induzierten Längsverformungen anhand der etablierten Dehnungsmessstreifen-Technik validiert, die im Split-Hopkinson-Bar-Versuchsaufbau für Materialprüfung verwendet wird. Diese Ergebnisse sind für Wissenschaftler, die mit HSC oder UHSC Systemen an verformungsbasierten Materialanalysen arbeiten, von Bedeutung. Der relative Genauigkeitsansatz erweist sich als eine praktische und zuverlässige Methode zur Maximierung des Messpotenzials des konfigurierten Systems. Darüber hinaus kann der Ansatz zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen zur Analyse des Verhaltens verschiedener verstärkter Betonzusammensetzungen verwendet werden. Hierdurch können Einblicke in das mechanische Verhalten von Materialien, die unterschiedlichen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, gewonnen und gleichzeitig die wiederkehrenden Kosten für In-situ-Sensoren vermieden werden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit das Potenzial von Ultrahochgeschwindigkeits-Bildgebungssystemen für die hochdynamische Materialanalyse durch Optimierung ihrer Messleistung und Anwendung geeigneter Materialverformungsmodelle auf die photogrammetrischen Messungen.
- Abstract (EN)
- High-speed camera (HSC) systems and, increasingly, ultrahigh-speed camera (UHSC) systems are widely used in civil engineering to assess the dynamic behavior of concrete structures and evaluate their impact resistance. These advanced cameras allow the capture of deformations that occur during the short time intervals before the structures fail. HSCs, with frame rates exceeding 10 kfps, allow for observation of overall concrete deformation and crack distribution. UHSCs, operating at frame rates exceeding 1 Mfps, enable the examination of deformations immediately after impact and capture the propagation of concrete particles influenced by various types of waves. Of particular interest is the longitudinal wave propagation velocity, which is fundamental for understanding the concrete’s response to high-impact loads, as it is directly related to the material’s strength and elasticity. However, the extremely short exposure times required to capture these rapid deformations can affect image quality, necessitating an assessment of the measurement potential of these camera systems to ensure reliable material analysis. This work is aiming to overcome these obstacles in the future and to provide methods to achieve said reliability. Using photogrammetric techniques on the captured image sequences, the surface geometry of concrete structures covered with well-contrasted speckle patterns can be reconstructed and tracked over time. This reconstruction is employed not only to derive material properties that characterize deformation behavior but also to conduct stability analysis of the surface geometry captured by different cameras, assessing their measurement potential. To this end, the relative accuracy of rigid-body motion-based scenarios, whether at rest or in motion, is evaluated using plane and spatial similarity transformations. Mapping errors from these relative accuracy evaluations serve as indicators for configuring an efficient stereo high-speed camera (HSC) system for precise 3D measurements (Chapter 3) and for assessing the sensor sensitivity of different monocular UHSC systems (Section 4.3.2.2). These analyses, combined with evaluations of image performance and assessments of geometrical potential for analyzing concrete deformation in both pre- and post-cracking stages, guide the selection of a suitable UHSC (Chapter 4). By properly addressing image quality issues in the obtained ultrahigh-speed image sequences and applying one-dimensional wave theory through image-based approaches to identify stress-wave-induced motion surface particles, successful longitudinal wave propagation analyses are achieved (Chapter 5). As the testing results show, the relative accuracy analyses of objects at rest indicate that cameras equipped with traditional complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) sensor technology provide greater performance stability than those with in-situ storage image sensor (ISIS) architectures. When analyzing objects in motion, it becomes evident that measurement stability is compromised by blurring due to low frame rates and a decreasing signal-to-noise ratio (SNR) at high frame rates. Although CMOS sensors demonstrate superior performance, they suffer from a significant decrease in image size as the frame rate increases. This drawback is overcome by ISIS sensors, which maintain a constant image size even at very high frame rates. Consequently, estimations of crack propagation velocities and analyses of concrete particle motion can be achieved with high spatio-temporal resolution. However, ISIS sensors present their own challenges, such as limited recording capacity and reduced image quality due to in-sensor or in-pixel signal storage. Nevertheless, the experimental results suggest that higher resolution is more crucial for capturing fast deformations than image quality. To mitigate image lag noise from the preferred sensor, measurements are effectively smoothed using Bézier fitting filtering. By applying this filtering to images of cylindrical specimens under uniaxial compression in a split Hopkinson bar setup, longitudinal wave propagation velocity estimations for common concrete are obtained. Although the experimental values differ from theoretical predictions, the induced longitudinal deformations are validated against the established strain gauge technique used in split Hopkinson bar for material testing analysis. These results are significant for experimenters involved in impact material analysis using HSC or UHSC systems. The relative accuracy approach proves to be a practical and reliable method for maximizing the measurement potential of the configured system. Moreover, the approach for measuring longitudinal wave propagation velocity can be applied to analyze the response of various reinforced concrete compositions, providing insights into the mechanical behavior of materials subjected to different dynamic loads and simultaneously avoiding the recurring cost of in-situ-sensors. In summary, this work demonstrates the potential of ultrahigh-speed image sequences for high dynamic material analysis by optimizing their measurement performance and applying appropriate material deformation models to the photogrammetric measurements.
- Verweis
- Analysis of the accuracy potential of a stereo high-speed camera system in 3D measurements in highly dynamic experiments
Link: https://www.mdpi.com/1424-8220/23/4/2158
DOI: 10.3390/s23042158 - Ultrahigh-speed imaging for high-impact concrete deformation analysis in pre- and post-cracking stages
Link: https://opg.optica.org/ao/fulltext.cfm?uri=ao-63-2-467&id=545419
DOI: 10.1364/AO.506701 - Longitudinal wave propagation determination in concrete specimen under impact loading by ultrahigh-speed camera image sequence and strain gauge data analysis
Link: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6501/adb16f
DOI: 10.1088/1361-6501/adb16f - Forschungsdatenverweis
- Longitudinal Concrete Analysis Data
DOI: 10.25532/OPARA-655
Link: https://opara.zih.tu-dresden.de/items/8a5c42cf-51d6-48b4-a6dd-8a730c0fdb87 - Freie Schlagwörter (DE)
- High- und Ultrahochgeschwindigkeits-Bildgebungssysteme, Impaktbelastung, Genauigkeit, Starrkörpertransformationen, Wellenausbreitungstheorie.
- Freie Schlagwörter (EN)
- high and ultrahigh-speed imaging systems, impact loading, accuracy, rigid-body transformations, wave theory
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- ZI 9510
- ZI 4500
- ZI 4950
- GutachterIn
- Prof. Dr. Hans-Gerd Maas
- Prof. Dr. Thomas Luhmann
- Prof. Dr. Danilo Schneider
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Hans-Gerd Maas
- BetreuerIn - externe Einrichtung
- Prof. Dr. Thomas Luhmann
- Prof. Dr. Danilo Schneider
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Förder- / Projektangaben
- Deutsche Forschungsgemeinschaft Graduiertenkolleg 2250
Mineral-bonded composites for enhanced structural impact safety
(GRK 2250)
ID: 287321140 - Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-973903
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 11.06.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-SA 4.0- Inhaltsverzeichnis
Abstract III Zusammenfassung V 1 Introduction 1 1.1 Motivation 2 1.2 Thesis Structure 5 1.3 High-Speed Imaging 6 1.3.1 Modern High-Speed Imaging 7 1.3.2 Categorization and Market Survey 8 1.4 Surface Measurements 10 1.4.1 Camera System Calibration 10 1.4.2 Digital Image Correlation 11 1.4.3 Surface Reconstruction and Material Property Derivation 12 2 Foundations, Methods, and RelatedWork 15 2.1 Accuracy Potential of High-Speed Measurements 15 2.1.1 Absolute Accuracy 17 2.1.1.1 Review of Measurement Validation 17 2.1.1.2 Review of Conventional Devices 17 2.1.1.3 Tailored Setup for High-Impact Validation 18 2.1.1.4 Concluding Remarks 20 2.1.2 Internal Accuracy 20 2.1.3 Relative Accuracy 22 2.1.4 Practical Use Case 23 2.2 High-Speed Imaging in Impact Loading Applications 25 2.2.1 Digital Image Correlation in Impact Applications 26 2.2.2 Broader Use of High-Speed Imaging Techniques 27 2.2.3 Technical Evaluation of High-Speed Imaging Acquisition 28 2.2.3.1 Camera Triggering 28 2.2.3.2 Sensor Operation Characteristics Influencing Image Quality 30 2.2.3.3 Performance of High-Speed Imaging Systems Using Various Sensor Technologies 31 2.3 Exploring Ultrahigh-Speed Imaging for Dynamic Material Analysis 34 2.3.1 Temporal Capture of Deformation Stages 34 2.3.2 Potential of Spatio-Temporal Image Filtering Techniques 35 2.3.3 From Ultrahigh-Speed Imaging to Longitudinal Wave Velocity Estimation 38 3 Analyzing the Accuracy Potential of 3D High-Speed Camera Measurements 39 3.0 Abstract 40 3.1 Introduction 40 3.1.1 General Background 40 3.1.2 Research Problem Analysis 41 3.1.3 Structure 42 3.2 Experimental Setup 42 3.3 Methodology 45 3.3.1 Rigid-Body Transformation 47 3.3.2 Relative Measurements Analysis 48 3.4 Experimental Results 49 3.4.1 Rigid-Body Transformations 49 3.4.2 Relative 3D Measurements 54 3.4.2.1 Temporal Measurement Stability 55 3.4.2.2 Geometrical Measurement Stability 56 3.5 Discussion 58 3.6 Conclusions 59 3.7 Appendix A. Influence of Camera Calibration on Static Measurements 61 3.8 Appendix B. Image Performance of Static and Dynamic Recordings 62 3.9 References 65 4 Ultrahigh-speed Imaging for High-Impact Concrete Deformation Analysis 67 4.0 Abstract 68 4.1 Introduction 68 4.1.1 State of the Art 69 4.2 Experimental Setups 70 4.3 Camera Characterization 71 4.3.1 Sensor Operation 71 4.3.2 Image Acquisition Challenges 73 4.3.2.1 Recording Capacity 73 4.3.2.2 Sensor Sensitivity 73 4.3.2.3 Image Lag 74 4.3.2.4 Fixed Pattern Noise 75 4.4 High-Impact Load Applications 76 4.4.1 Surface Particle Propagation 76 4.4.2 Crack Propagation Velocity 79 4.5 Discussion 81 4.6 Conclusions and Outlook 82 4.7 References 82 5 LongitudinalWave Propagation Velocity and Longitudinal Deformations in Concrete 85 5.0 Abstract 86 5.1 Introduction 87 5.1.1 High-frequency measuring devices 87 5.1.2 Impact-induced wave propagation 88 5.1.3 Techniques goals and structure of the work 89 5.2 One-dimensional wave theory 89 5.3 Experimental setup 90 5.3.1 Ultrahigh-speed optical measurements 91 5.3.2 Strain gauge measurements 92 5.3.3 Test configuration 92 5.4 Methodology 93 5.4.1 Direct material analysis 93 5.4.1.1 Image-sequence-based evaluation 94 5.4.1.2 Bézier image fitting filtering 94 5.4.1.3 Selection of stress-wave-induced motion points 96 5.4.2 Indirect material analysis 97 5.4.2.1 Strain gauge evaluation 97 5.4.2.2 Velocity and deformation 98 5.4.2.3 Strain strain Rate and strain Acceleration 98 5.4.2.4 Stress and its corrections 98 5.4.2.5 Incident energy 99 5.5 Validation of the results 99 5.5.1 Longitudinal wave propagation velocity 99 5.5.1.1 Base wave propagation velocities 99 5.5.1.2 Corrected wave propagation velocities 102 5.5.1.3 Wave amplitude 103 5.5.2 Accordance of direct and indirect material analysis 103 5.5.2.1 Bilateral complementarity 103 5.5.2.2 Correlations and discrepancies 104 5.6 Discussion 106 5.6.1 Direct measurement of the specimen deformation 106 5.6.2 Determination of the longitudinal wave propagation velocity in concrete 106 5.6.3 Assessment of measuring techniques for material analysis 107 5.7 Conclusion and outlook 108 5.8 References 109 6 Synthesis 111 6.1 Performance Analysis of High-Speed Imaging Systems 111 6.2 Evaluation of Ultrahigh-Speed Image Sequences 113 6.3 Determination and Validation of Longitudinal Wave Propagation Velocity and Induced Deformations 115 6.4 Conclusions 117 6.5 Outlook 118 6.5.1 Measuring Potential of Ultrahigh-Speed Measurements 118 6.5.2 Increasing Image Filtering Performance 119 6.5.3 Enhanced Longitudinal Wave Propagation Analysis 120 6.5.4 Longitudinal Wave Propagation Analysis in Large-Scale Concrete Structures 120 6.5.5 Surface and Transverse Wave Propagation Analysis 121 6.5.6 Concluding Outlook 122 References 123 List of Tables 129 List of Figures 131 List of Abbreviations 133