Marker-free optical-flow-based automatic fatigue crack assessment in metallic structures under periodic excitation

Abstract

W rozprawie przedstawiono metodę automatycznej oceny pęknięć zmęczeniowych w strukturach metalowych poddanych wymuszeniu periodycznemu. Zaproponowane podejście jest oparte na wizji komputerowej i nie wymaga znaczników. Przepływ optyczny przekształcany jest do dziedziny częstotliwości, umożliwiając wizualizację wzorców ruchu związanych z cyklicznym otwieraniem się i zamykaniem pęknięcia i dalej automatyczne określenie położenia wierzchołka pęknięcia. Metryka LOI (ang. Local Orientation Inconsistency) ocenia spójność kierunku estymowanego ruchu, maskuje niepewne obszary i wspomaga wybór regionu analizy. Zbadano również wpływ wzmacniania ruchu, wykazując jego przydatność przy niskiej amplitudzie wymuszenia. Metodę zweryfikowano eksperymentalnie na trzech obiektach: kompresorze, belce wspornikowej i próbce lotniczej będącej strukturą płytową, rejestrowanych różnymi kamerami, w tym smartfonem. Wyniki potwierdziły poprawne działanie dla różnych etapów propagacji pęknięcia i konfiguracji pomiarowych. Średni błąd bezwzględny lokalizacji wierzchołka pęknięcia był w większości przypadków mniejszy lub zbliżony do rozdzielczości pomiaru ręcznego wynoszącej jeden milimetr. Metoda ogranicza udział operatora, nie wymaga precyzyjnego doboru parametrów i może być stosowana z użyciem sprzętu amatorskiego, co sprzyja jej integracji z procesami monitoringu strukturalnego i badań nieniszczących.

This dissertation presents a marker-free computer-vision workflow for automatic fatigue-crack assessment in metallic structures under periodic excitation. The method exploits the crack-breathing phenomenon by converting dense optical flow time series into frequency-domain amplitude maps, on which a scoring procedure automatically localizes the crack tip. The Local Orientation Inconsistency (LOI) metric quantifies directional coherence of estimated motion, enabling masking of unreliable regions and guiding region of interest selection. The impact of phase-based motion magnification is also investigated, demonstrating its usefulness for amplitude maps generation in certain low- excitation cases. The workflow is validated on multiple experimental specimens, including a compressor, a cantilever beam, and a plate-like aircraft-grade specimen, recorded with various cameras, including a smartphone. Results demonstrate consistent performance across crack-growth stages and setups, with the mean absolute error of crack¬tip localization in most cases below, or very close to, the resolution of manual assessment, which is one millimeter. The approach reduces operator input, requires no precise parameter tuning, and remains compatible with consumer¬grade hardware, supporting practical deployment in nondestructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM).