本研究利用魚眼鏡頭結合CCD相機擷取圓管型試片之內壁魚眼影像，再根據座標轉換及鏡頭投射幾何關係，利用影像處理技術將圓管內壁之魚眼影像展開為圓管內壁之全景影像，藉此增加傳統數位影像相關(Digital Image Correlation, DIC)法之分析範圍，此創新的方法簡稱為魚眼DIC法。
本研究首先進行剛體平移及旋轉實驗搭配魚眼DIC法對碳纖維複材圓管試片(以下簡稱圓管試片)進行檢測，藉由比對魚眼DIC法之分析結果與實際位移量驗證了魚眼DIC法用於位移分析之可行性。
本研究亦藉由扭矩實驗檢測圓管試片中之缺陷位置及尺寸。在扭矩實驗中利用魚眼DIC法及三維(Three-Dimensional, 3D)DIC法對埋入與未埋入人工缺陷之圓管試片進行分析，並將魚眼DIC法及3D-DIC法之分析結果相互比對及驗證，檢測出圓管試片中之人工缺陷尺寸，並探討埋入與未埋入人工缺陷之圓管試片受扭矩負載下各方向位移及應變分布情形。

By using a CCD camera and a fisheye lens, interior wall image of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) circular tubes (hereinafter called circular tube) was captured in thisw thesis. Based on the coordinate transformation and the geometric relation of the projection type of fisheye lens, the panoramic image of the interior wall of the circular tubes can be obtained by the image processing technique. Thus the size of the region can be analyzed by the original digital image correlation (DIC) method is significantly enlarged. This innovative method is called the fisheye-DIC method.
The rigid body translation and rotation experiments were performed on the circular tubes to verify the feasibility of the proposed fisheye-DIC method. The accuracy of the fisheye-DIC method was confirmed by comparing the real displacement values and the experimental results analyzed by the fisheye-DIC method.
The fisheye-DIC method was used to investigate the deformation behavior of circular tubes under torsion. The displacement fields and strain distributions of circular tubes with and without artificial defect under torsion were investigated. By comparing the results analyzed by the fisheye-DIC method and the traditional three dimensional DIC method, the location and dimensions of artificial defects of circular tubes were obtained.

目錄
目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 XIV
一、簡介 1
二、文獻回顧 5
2.1 數位影像相關法 5
2.2 全景影像 9
三、實驗原理 12
3.1 數位影像相關法 12
3.2 變形與位移 13
3.3 相關函數 15
3.4 數值方法 17
3.4.1 粗-細法 18
3.4.2 牛頓-拉福森 21
3.5 影像重建 25
3.5.1 雙線性內插法(Bilinear Interpolation Method) 25
3.5.2 雙立方內插法(Bicubic Interpolation Method) 26
3.5.3 雙立方樣條內插法(Bicubic Spline Intepolation) 27
3.6 三維影像相關法 29
3.7 全景影像轉換 33
3.7.1 座標轉換 35
3.7.2 入射光與魚眼影像成像點之對應關係 35
四、實驗裝置與試片 40
4.1 實驗裝置 40
4.2 實驗試片 46
4.2.1 碳纖維複材圓管試片 46
4.2.2 人工缺陷規劃與製作 47
五、實驗程序 50
5.1 DIC法分析步驟 50
5.2 全景影像展開程序 51
5.3 剛體平移及旋轉實驗 53
5.4 圓管試片扭矩實驗程序 55
六、實驗結果與討論 57
6.1 全景影像展開 57
6.2 剛體平移及旋轉實驗 57
6.3 圓管試片扭矩實驗 64
6.3.1未埋入人工缺陷圓管試片之實驗結果 65
6.3.2 埋入人工缺陷試片實驗結果 68
6.3.3 3D-DIC法及魚眼DIC法量測缺陷尺寸之準確度探討 73
七、結論與未來展望 79
7.1 結論 79
7.2 未來展望 82
八、參考文獻 86
附錄A：全景影像展開程式碼 169

 
圖目錄
圖3.1 典型隨機斑點圖紋影像 89
圖3.2 變形前後斑點相對位置示意圖 89
圖3.3 變形前後之相對位置 90
圖3.4 變形參數向量與灰階值分佈關係 90
圖3.5 數位影像之離散性 91
圖3.6 雙線性內插法示意圖 91
圖3.7 經雙線性內插法重建之影像曲面 92
圖3.8 雙立方內插法示意圖 92
圖3.9 三種影像內插法比較 93
圖3.10 三維影像相關法立體幾何模型 93
圖3.11 相機取像時轉換座標流程圖 94
圖3.12 鏡頭畸變與相機模型 94
圖3.13 全周魚眼影像與全幅魚眼影像之比較 95
(a) 全周魚眼影像 95
(b) 全幅魚眼影像 95
圖 3.14 鏡頭成像圈及CCD感光元件示意圖 96
圖3.15 影像轉換示意圖 96
圖3.16 中心透視鏡頭與魚眼鏡頭投射方式示意圖 97
(a) 中心透視鏡頭投射方式示意圖 97
(b) 魚眼鏡頭投射方式示意圖 97
圖3.17 魚眼鏡頭投射種類 98
(a) 等距投射 98
(b) 等角投射 98
(c) 正投射 99
(d) 球極平面投射 99
圖3.18 入射角與圓柱高度關係示意圖 100
圖4.1 Marlin F-201B CCD相機 101
圖4.2 1.9/35鏡頭 101
圖4.3 R-105光源 102
圖4.4 VCC-G60FV11 GE CCD相機 103
圖4.5 FE185C057HA-1魚眼鏡頭 103
圖4.6 P866CS8XXW環形光源與控制器 104
圖4.7 網路介面卡 104
圖4.8 圓管夾具 105
圖4.9 支撐桿與套筒 105
圖4.10 三軸旋轉平臺 106
圖4.11 三軸位移平臺 106
圖4.12 扭矩施載機構 107
圖4.13 內襯零件及外部夾持具 108
圖4.14 Newport垂直升降臺 108
圖4.15 高溫爐 109
圖4.16 研磨機 109
圖4.17 LED環型燈條 110
圖4.18 電源供應器 110
圖4.19 模具組 111
圖4.20 複合材料圓管 111
圖4.21 裁剪好之預浸材 112
圖4.22 噴灑(右)與未噴灑(左)高溫漆之預浸材比較圖 112
圖4.23 包覆完成之預浸材 113
圖4.24 外模具安裝實體圖 113
圖4.25 烘烤好之碳纖維複材圓管 114
圖4.26 膠袋密封型缺陷 114
圖4.27 氣泡型缺陷I 115
圖4.28 氣泡型缺陷II 115
圖4.29 碳纖維複材圓管層數示意圖 116
圖5.1 2D-DIC系統架設與分析流程圖 117
圖5.2 3D-DIC系統架設與分析流程圖 117
圖5.3 關注區域與種子點之示意圖 118
圖5.4 剛體平移及旋轉實驗架設圖 119
圖5.5 十字輔助線 120
圖5.6 圓管之空間座標及內壁全景影像相對應座標 120
圖5.7 碳纖維複材圓管扭矩實驗流程圖 121
圖5.8 魚眼DIC法搭配扭矩實驗架設圖 122
圖5.9 3D-DIC法搭配扭矩負載實驗架設圖 123
圖6.1 圓管內壁之全周魚眼影像 124
圖6.2 受畸變影響之全景影像 124
圖6.3 實際尺寸之全景影像 124
圖6.4 魚眼DIC法所分析區域示意圖 125
圖6.5 剛體平移1mm之DIC法位移分析結果 126
(a) 方向之位移場分佈圖 126
(b) 方向之位移場分佈圖 126
圖6.6 剛體平移2mm之DIC法位移分析結果 127
(a) 方向之位移場分佈圖 127
(b) 方向之位移場分佈圖 127
圖6.7 剛體平移3mm之DIC法位移分析結果 128
(a) 方向之位移場分佈圖 128
(b) 方向之位移場分佈圖 128
圖6.8 剛體平移4mm之DIC法位移分析結果 129
(a) 方向之位移場分佈圖 129
(b) 方向之位移場分佈圖 129
圖6.9 剛體旋轉 之DIC法位移分析結果 130
(a) 方向之位移場分佈圖 130
(b) 方向之位移場分佈圖 130
圖6.10 剛體旋轉 之DIC法位移分析結果 131
(a) 方向之位移場分佈圖 131
(b) 方向之位移場分佈圖 131
圖6.11 剛體旋轉 之DIC法位移分析結果 132
(a) 方向之位移場分佈圖 132
(b) 方向之位移場分佈圖 132
圖6.12 3D-DIC法所分析區域 133
圖6.13 未埋入人工缺陷圓管試片受扭矩負載之3D-DIC法分析 結果 134
(a) 方向之位移場分佈圖 134
(b) 方向之位移場分佈圖 134
(c) 面外位移場分佈圖 135
(d) 方向之應變場分佈圖 135
(e) 方向之應變場分佈圖 136
(f) 剪應變場分佈圖 136
圖6.14 圓管試片表面剪應力示意圖 137
圖6.15 扭矩負載下面外位移模擬結果 137
圖6.16 面外位移誤判示意圖 138
圖6.17 未埋入人工缺陷圓管試片受扭矩負載之魚眼DIC法分析 結果 139
(a) 方向之位移場分佈圖 139
(b) 方向之位移場分布圖 139
(c) 方向之應變場分布圖 140
(d) 方向之應變場分布圖 140
(e) 剪應變場分布圖 141
圖6.18 Tape-1(25S)試片受扭矩負載之3D-DIC法分析結果 142
(a) 方向之位移場分佈圖 142
(b) 方向之位移場分佈圖 142
(c) 面外位移場分佈圖 143
(d) 方向之應變場分佈圖 143
(e) 方向之應變場分佈圖 144
(f) 剪應變場分佈圖 144
圖6.19 Tape-1(25S)試片受扭矩負載之魚眼DIC法分析結果 145
(a) 方向之位移場分佈圖 145
(b) 方向之位移場分佈圖 145
(c) 方向之應變場分佈圖 146
(d) 方向之應變場分佈圖 146
(e) 剪應變場分佈圖 147
圖6.20 Tape-1(25S)試片缺陷尺寸量測之3D-DIC法分析結果 148
(a) 方向之應變場分佈圖 148
(b) Line-A之應變分佈曲線 148
(c) Line-B之應變分佈曲線 149
(d) Line-C之應變分佈曲線 149
(e) Line-D之應變分佈曲線 150
圖6.21 Tape-1(25S)試片缺陷尺寸量測之魚眼DIC法分析結果 151
(a) 方向之應變場分佈圖 151
(b) Line-A之應變分佈曲線 151
(c) Line-B之應變分佈曲線 152
(d) Line-C之應變分佈曲線 152
(e) Line-D之應變分佈曲線 153
圖6.22 Tape-2(25S)試片缺陷尺寸量測之3D-DIC法分析結果 154
(a) 方向之應變場分佈圖 154
(b) Line-A之應變分佈曲線 154
(c) Line-B之應變分佈曲線 155
(d) Line-C之應變分佈曲線 155
(e) Line-D之應變分佈曲線 156
圖6.23 Tape-2(25S)試片缺陷尺寸量測之魚眼DIC法分析結果 157
(a) 方向之應變場分佈圖 157
(b) Line-A之應變分佈曲線 157
(c) Line-B之應變分佈曲線 158
(d) Line-C之應變分佈曲線 158
(e) Line-D之應變分佈曲線 159
圖6.24 Tape-3(25S)試片缺陷尺寸量測之3D-DIC法分析結果 160
(a) 方向之應變場分佈圖 160
(b) Line-A之應變分佈曲線 160
(c) Line-B之應變分佈曲線 161
(d) Line-C之應變分佈曲線 161
(e) Line-D之應變分佈曲線 162
圖6.25 Tape-3(25S)試片缺陷尺寸量測之魚眼DIC法分析結果 163
(a) 方向之應變場分佈圖 163
(b) Line-A之應變分佈曲線 163
(c) Line-B之應變分佈曲線 164
(d) Line-C之應變分佈曲線 164
(e) Line-D之應變分佈曲線 165
圖7.1 使用圓錐形反射鏡提高光源均勻度 166

 
表目錄
表6.1 剛體平移1mm之魚眼DIC法分析結果 167
表6.2 剛體平移2mm之魚眼DIC法分析結果 167
表6.3 剛體平移3mm之魚眼DIC法分析結果 167
表6.4 剛體平移4mm之魚眼DIC法分析結果 167
表6.5 剛體旋轉 之魚眼DIC法分析結果 167
表6.6 剛體旋轉 之魚眼DIC法分析結果 167
表6.7 剛體旋轉 之魚眼DIC法分析結果 167
表6.8 3D-DIC法所量測之人工缺陷尺寸與實際尺寸之比較 168
表6.9魚眼DIC法所量測之人工缺陷尺寸與實際尺寸之比較 168

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