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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Druckmessung
und insbesondere ein Verfahren zur Druckbestimmung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
meisten Techniken zur Druckmessung bestimmen den Druck an einem
Punkt. Das liefert eingeschränkte
Informationen bei Windkanalanwendungen, bei denen der Druck an allen
Punkten auf der Oberfläche
des Modells bekannt sein sollte. Es sind druckempfindliche Farben
entwickelt worden, um diese Beschränkung zu überwinden. Die druckempfindliche
Farbe wird an dem Modell aufgebracht und dann von einer Anregungslichtquelle
belichtet. Die druckempfindliche Farbe leuchtet nach, wenn sie von
der Lichtquelle belichtet wird. Wenn ein Druck auf die druckempfindliche
Farbe ausgeübt
wird, ändert
sich die Intensität
des Nachleuchtens von Punkt zu Punkt anhand des Betrags der Kraft,
die auf jeden Punkt ausgeübt
wird. Die Beziehung zwischen der Nachleuchtintensität und dem
Druck ist derart, dass die Intensität zur ausgeübten Kraft umgekehrt proportional
ist. Um den tatsächlichen
Betrag des Drucks an jedem Punkt zu bestimmen, ist es erforderlich,
die mathematische Beziehung zwischen der Intensität und dem
ausgeübten
Druck zu ermitteln. Vorhandene Techniken verwenden das Verhältnis zwischen
einem Bild, bei dem kein Druck ausgeübt wird (Referenzbild) und
einem Bild, bei dem Druck ausgeübt
wird (Prüfbild).
Dieses Verhältnis
der Intensitäten
wird dann mit tatsächlichen
Drücken
korreliert. Dieses Verfahren besitzt eine Reihe von Ungenauigkeiten
und Unzulänglichkeiten.
Bei Verfahren des Standes der Technik erfolgt z. B. keine Einstellung
auf die Änderung
der Intensität
der Farbe, die infolge von Änderungen
der Oberflächentemperatur zwischen
dem Prüfbild
und dem Referenzbild auftritt. Am wichtigsten ist, dass Verfahren
des Standes der Technik lediglich zweidimensionale Druckinformationen
für dreidimensionale
Modelle, die geprüft
werden, liefern. Dadurch wird die Brauchbarkeit der erhaltenen Informationen
wesentlich eingeschränkt.
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V.
Borovoy u. a. erläuterten
in ihrer Schrift "Pressure
Sensitive Paint Application in Shock Wind Tunnel", die u. a. 1995 in International Congress
on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities, Wright-Patterson
AFB, Ohio, USA (ISBN: 0-7803-2088-3) veröffentlicht wurde, die Verwendung
von druckempfindlicher Farbe auf einem zylindrischen Modell in einem
Stoßwellenkanal.
Diese Schrift zeigt jedoch nicht, wie eine Bewegung oder eine Verzerrung
des Modells zu korrigieren ist und ermöglicht keine Abbildung von
zweidimensionalen Bildern auf ein dreidimensionales Modell.
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R.
H. Engler erläutert
in seiner Schrift "Further
Developments of Pressure Sensitive Paint (OPMS) for Non Flat Models
in Steady Transonic Flow and Unsteady Conditions", die 1995 u. a. in International Congress
on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities, Wright-Patterson
AFB, Ohio, USA (ISBN: 0-7803-2088-3) veröffentlicht wurde, die Kalibrierung
eines mit druckempfindlicher Farbe bedeckten Modells in einem Windkanal
unter Verwendung eines Verfahrens zur pixelweisen Kalibrierung.
Um das zu realisieren, ist es bei Engler erforderlich, dass die
Bilder genau überlagert
werden, er beschreibt jedoch nicht, wie das erreicht wird. Darüber hinaus
beschreibt Engler nicht, wie die Bewegung des Modells berücksichtigt
werden soll.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Realisierung der Aufgabe der
Verwendung einer druckempfindlichen Farbe bei der Druckbestimmung über der
gesamten Oberfläche
eines Windkanalmodells mit einer hohen Genauigkeit.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur
Druckbestimmung die folgenden Schritte:
- (a)
Abdecken einer dreidimensionalen Oberfläche mit einer druckempfindlichen
Beschichtung;
- (b) Erfassen eines Rohbildes ohne Druck und eines Rohbildes
mit Druck der dreidimensionalen Oberfläche; und
- (c) Einstellen des Rohbildes ohne Druck und des Rohbildes mit
Druck für
ein dunkles Bild, eine Veränderung
der Pixelausbeute und eine Belichtungszeit, um ein eingestelltes
Bild ohne Druck und ein eingestelltes Bild mit Druck zu erzeugen;
und
gekennzeichnet durch:
- (d) Korrigieren des eingestellten Bildes ohne Druck und des
eingestellten Bildes mit Druck für eine
sphärische
Aberration, um ein bedingtes Bild ohne Druck und ein bedingtes Bild
mit Druck zu erzeugen;
- (e) Bestimmen des Ortes mehrerer Targets für das bedingte Bild ohne Druck
und das bedingte Bild mit Druck;
- (f) Abbilden des bedingten Bildes ohne Druck und des bedingten
Bildes mit Druck von einer zweidimensionalen Oberfläche auf
ein dreidimensionales Modell der dreidimensionalen Oberfläche, um ein
dreidimensionales Modell ohne Druck und ein dreidimensionales Modell
mit Druck zu erzeugen;
- (g) Bestimmen einer Verhältnisintensität für jede von
mehreren Oberflächen,
die das dreidimensionale Modell bilden, aus dem dreidimensionalen Modell
ohne Druck und dem dreidimensionalen Modell mit Druck; und
- (h) Bestimmen eines Drucks für
jede der mehreren Oberflächen
in dem Verhältnisbild.
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Der
Schritt (e) umfasst vorzugsweise das Bestimmen eines Schwerpunkts
für jedes
der mehreren Targets und der Schritt (h) umfasst die folgenden Schritte:
- (h1) Vergleichen eines Sensordrucks auf mehrere Sensorpunkte
mit der Verhältnisintensität in der Nähe der mehreren
Sensorpunkte, um eine Umsetzungsskala zu erzeugen; und
- (h2) Anwenden der Umsetzungsskala, um den Druck für jede der
mehreren Oberflächen
in dem Verhältnisbild
zu bestimmen. Alternativ umfasst der Schritt (h) die folgenden Schritte:
- (h1) Verwenden eines Kupons, um eine Kalibrierungskurve zu erzeugen,
die den Druck mit der Luminanzintensität der druckempfindlichen Beschichtung
in Beziehung setzt; und
- (h2) Anwenden der Kalibrierungskurve, um den Druck für jede der
mehreren Oberflächen
in dem Verhältnisbild
zu bestimmen.
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Das
Verfahren enthält
vorteilhaft ferner den Schritt zum Bestimmen einer Kraft auf jeder
der mehreren Oberflächen,
um mehrere Oberflächenkräfte zu bilden.
Unter Verwendung der mehreren Oberflächenkräfte können dann die Last auf einem
Teil des dreidimensionalen Modells sowie das Moment um einen Punkt
bestimmt werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein computerlesbares Speichermedium
geschaffen, das computerlesbare Befehle für die Ausführung der oben genannten Schritte
(b) bis (h) sowie vorzugsweise für
die Ausführung der
Schritte 5, 6 und 7 enthält.
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Bei
dem Verfahren zur Druckbestimmung ist es deswegen typischerweise
erforderlich, dass eine dreidimensionale Oberfläche eines Objekts mit einer druckempfindlichen
Beschichtung abgedeckt wird. Anschließend wird ein erstes Rohbild
erfasst, während
das Objekt geprüft
wird. Das erste Rohbild und das zweite Rohbild werden für ein dunkles
Bild eingestellt, um ein erstes eingestelltes Bild und ein zweites eingestelltes
Bild zu erzeugen. Das erste eingestellte Bild und das zweite eingestellte
Bild werden von einer zweidimensionalen Darstellung auf ein dreidimensionales
Modell abgebildet, um ein erstes Modell und ein zweites Modell zu
erzeugen. Schließlich
wird für
jede Oberfläche,
die das dreidimensionale Modell bildet, ein Druck bestimmt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
ein Blockschaltplan eines Systems zur Druckbestimmung;
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2 ist
ein Ablaufplan einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Druckbestimmung;
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3 ist
ein Ablaufplan einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Druckbestimmung;
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4 ist
eine schematische Darstellung der Drücke auf den Oberflächen, die
einen Teil des dreidimensionalen Modells bilden; und
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5 ist
ein Ablaufplan einer Ausführungsform
eines Verfahrens zur Druckbestimmung.
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Genaue Beschreibung
der Zeichnung
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Ein
System 10 zum Bestimmen des vollständigen Felddrucks eines Modells
ist in 1 gezeigt. Das System 10 enthält einen
Computer (Steuereinheit) 12, der so programmiert werden
kann, dass er die Schritte ausführt,
die zum Bestimmen des Drucks an einem Modell erforderlich sind.
Der Computer 12 hat ein Plattenlaufwerk 16 zum
Aufnehmen eines computerlesbaren Spei chermediums (Computerplatte) 18,
das computerlesbare Befehle enthält,
die zum Implementieren des hier beschriebenen Verfahrens zur Druckbestimmung
verwendet werden.
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Das
System 10 ist so gezeigt, dass es in einem Windkanal implementiert
ist. Der Wind wird durch ein Gebläse 20 erzeugt, das
auf das Modell 14 bläst.
Das Modell 14 weist mehrere Druckabgriffstellen (mehrere
Sensorpunkte) 22 auf, die jeweils ein Signal an den Computer
senden, das den Druck (Sensordruck) an der Abgriffstelle angibt.
In einer Ausführungsform
sind mehrere Temperatursensoren 24 neben den Druckabgriffstellen 22 angeordnet.
Die Temperatursensoren 24 senden ein Signal, das die Oberflächentemperatur
angibt, an den Computer 12 zurück. In einer Ausführungsform
enthält
das System einen Kupon 26, der zur Kalibrierung verwendet
wird und eine Druckabgriffstelle 22 und einen Temperatursensor 24 aufweist.
Das Modell 14 und der Kupon 26 sind mit einer
druckempfindlichen Beschichtung abgedeckt. Mehrere Anregungsleuchten 28 werden verwendet,
um die Beschichtung zum Fluoreszieren anzuregen. Mehrere Kamera 30 nehmen
die Intensität
des Leuchtens von dem Modell 14 und dem Kupon 26 auf.
Mehrere Targets 32, die an dem Modell 14 angebracht
sind, werden beim Lokalisieren der Position der Kameras 30 verwendet.
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2 ist
ein Ablaufplan eines Prozesses, der von dem System von 1 zum
Bestimmen des Drucks an einem Modell verwendet wird. Der Prozess
beginnt im Schritt 50 mit dem Bedecken des Objekts (Modell,
dreidimensionale Oberfläche)
mit einer druckempfindlichen Beschichtung 52. Anschließend wird
ein Bild des Modells aufgenommen, wobei das Gebläse ausgeschaltet ist (d. h.
ein Rohbild ohne Druck). Dann wird im Schritt 54 ein Bild
des Modells aufgenommen, wobei das Gebläse eingeschaltet ist (ein Rohbild
mit Druck). Die Rohbilder werden im Schritt 56 für das dunkle
Bild, eine Veränderung
der Pixelausbeute und eine Belichtungszeit eingestellt. Dadurch
werden ein eingestelltes Bild ohne Druck und ein eingestelltes Bild
mit Druck erzeugt. Das dunkle Bild ist das Bild, das von einer elektronischen Kamera
erzeugt wird, wobei der Shutter geschlossen ist. Dieses Bild repräsentiert
einen Vorspannungspegel an jedem Pixel in dem Bild. Elektronische
Kameras weisen eine Vielzahl von Pixeln auf und jedes Pixel misst
die Intensität
des Lichts. Leider ändert
sich die Pixelausbeute bei der Umsetzung des Lichts in eine elektrische Ladung
von Pixel zu Pixel. Das Einstellen dieser Änderung ist wichtig für eine genaue Bestimmung
der empfangenen Lichtintensität
und somit des Drucks. Außerdem
haben Änderungen
der Belichtungszeit Änderungen
bei den Pixelladungspegeln zur Folge. Das Einstellen dieser Änderungen
ist erforderlich, um die Drücke
an dem Modell genau zu bestimmen.
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Die
sphärische
Aberration wird im Schritt 58 korrigiert. Dadurch werden
ein bedingtes Bild mit Druck und ein bedingtes Bild ohne Druck erzeugt.
Die sphärische
Aberration ergibt sich aus den Linsen, die verwendet werden, um
das Bild des Modells in der Kamera zu fokussieren. Sphärische Aberrationen verzerren
das Bild und verzerren somit das Bild der Drücke, die auf das Modell ausgeübt werden.
Ein Verhältnis
der Intensitäten
(Verhältnisintensität) zwischen
den zwei Bildern für
jedes einzelne Pixel wird im Schritt 60 erhalten, um ein
Verhältnisbild
zu erzeugen. Der Schritt 62 beinhaltet das Kalibrieren
der Verhältnisintensitäten in der
Nähe der
Druckabgriffstellen (neben diesen) mit den Drücken, die von den Druckabgriffstellen
gemessen werden. Eine Polynomkurve wird an die bekannten Punkte
angepasst und diese bildet eine Kalibrierungskurve. In einer Ausführungsform
wird außerdem
der Eingang von den Temperatursensoren in die Polynomkurve gewichtet.
In einer weiteren Ausführungsform
wird der Kupon verwendet, um Datenpunkte bei mehreren Drücken (und
Temperaturen) aufzunehmen. Eine Polynomkurve wird durch diese Punkte
angepasst und die resultierende Kurve setzt die Druckpegel mit den Intensitätspegeln
in Beziehung. Wenn die Temperatur betrachtet wird, ergibt sich eine
Oberfläche,
die bekannte Intensitätspegel
und Temperaturpegel mit Druckpegeln in Beziehung setzt. In einer
weiteren Ausführungsform
werden die Druckabgriffstellen des Modells (Temperatursensoren)
verwendet, um die Kalibrierungskurve, die unter Verwendung des Kupons
bestimmt wurde, einzustellen. Nachdem die Kalibrierungskurve (Umsetzungsskala)
festgelegt wurde, wird sie verwendet, um im Schritt 64 die
bekannten Intensitätspegel
für jedes
Pixel in dem Bild in Druckpegel umzusetzen. Damit endet der Prozess
im Schritt 66.
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3 ist
eine weitere Ausführungsform
des Prozesses zur Druckbestimmung. Der Prozess beginnt im Schritt 70,
indem das Objekt im Schritt 72 mit einer druckempfindlichen
Beschichtung bestrichen wird. Anschließend werden im Schritt 74 ein
erstes Rohbild und ein zweites Rohbild erfasst. Das erste Roh bild
entspricht einem Bild, das erfasst wird, wenn das Objekt nicht geprüft wird.
Das zweite Rohbild entspricht einem Bild, das erfasst wird, wenn
das Objekt geprüft
wird. Im Schritt 76 wird das dunkle Bild von den Bildern
subtrahiert, um ein erstes eingestelltes Bild und ein zweites eingestelltes
Bild zu erzeugen. Die Bilder (zweidimensionale Oberfläche) werden dann
im Schritt 78 auf ein dreidimensionales Modell (Computermodell)
abgebildet. Dadurch werden ein erstes Modell und ein zweites Modell
erzeugt. Das erfordert die Kenntnis der Beziehung zwischen dem Modell
und der Kamera. Da das Modell sich häufig bewegt, wenn der Wind
daran angreift, müssen
die Kamerapositionen aus den Bildern berechnet werden. Mehrere Targets
werden verwendet, um die Position der Kamera zu bestimmen. Die Targets
werden genau lokalisiert, indem der Schwerpunkt jedes Targets in
einem Bild bestimmt wird. Wenn die Position der Kamera bekannt ist,
können
die Bilddaten auf das dreidimensionale Modell abgebildet werden.
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Das
dreidimensionale Modell ist genormtes Berechnungsmodell der Dynamik
flüssiger
Körper und
enthält
mehrere ebene Oberflächen.
Das Verhältnis
der Intensitätspegel
für die
zwei Modelle wird im Schritt 80 für jede Oberfläche des
dreidimensionalen Modells bestimmt, um ein Verhältnismodell zu erzeugen. Im
Schritt 82 werden die Druckpegel unter Verwendung von einem
der drei Verfahren, die in Bezug auf 2 erwähnt wurden,
mit den Intensitätspegeln
kalibriert. Die Intensitätspegel
werden im Schritt 84 für
jede der mehreren Oberflächen
an dem dreidimensionalen Modell in Druckpegel umgesetzt. Da die zweidimensionalen
Bilder auf ein dreidimensionales Modell abgebildet werden, können die
Druckpegel über
jede der mehreren Oberflächen
integriert werden, um im Schritt 86 eine Vielzahl von Oberflächenkräften zu
bestimmen. Die Kräfte
können
addiert werden, um im Schritt 86 eine Last an einem Teil
des Modells zu bestimmen. Es ist z. B. möglich, die Last an einem Flügel eines
Flugzeugmodells zu bestimmen. Unter Verwendung dieser Lasten (oder
Kräfte)
kann im Schritt 86 das Moment um einen Punkt bestimmt werden.
Es kann z. B. das Moment des Flügels
um einen Punkt, an dem der Flügel
an dem Körper
des Flugzeugs angebracht ist, berechnet werden. Damit endet der
Prozess im Schritt 88.
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4 zeigt
die Kräfte 90 als
Vektoren für jede
der Oberflächen 92,
die das dreidimensionale Modell bilden. Diese Kräfte können summiert werden, um Lasten
an verschiedenen Teilen des Modells zu bestimmen. Außerdem können die
Lasten verwendet werden, um das Moment um einen Punkt zu bestimmen.
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5 ist
ein genauerer Ablaufplan einer Ausführungsform eines Prozesses
zur Druckbestimmung. Der Prozess wird grob in drei Abschnitte unterteilt.
Der erste Abschnitt ist die Bildkorrektur und Konditionierung 100.
Der zweite Abschnitt ist die Bildverarbeitung 102 und der
dritte Abschnitt ist die Datenreduzierung 104. Der Prozess
beginnt im Schritt 106 mit dem Erfassen eines Referenzbildes
und eines Laufbildes des Modells. Im Schritt 110 wird ein
dunkles Bild 108 von den Bildern subtrahiert und die Bilder werden
für Kamerabelichtungszeiten
korrigiert. Die Bilder werden dann im Schritt 112 für die Änderungen der
Pixelausbeute eingestellt. Eine zuvor gespeicherte Linsenkalibrierung 114 wird
verwendet, um im Schritt 116 die Verzerrung des Bildes
infolge der Optik zu eliminieren. Der Ausgang des ersten Abschnitts 100 ist
ein Paar bedingter Ausgangsbilder 118.
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Ein
dreidimensionales Computermodell 120 des Objekts wird verwendet,
um im Schritt 122 ein Berechnungsmodell der Dynamik flüssiger Körper zu erzeugen.
Außerdem
werden im Schritt 124 die Orte der Targets an dem dreidimensionalen
Modell lokalisiert. Die Schwerpunkte der Targets in den Bildern werden
verwendet, um im Schritt 126 das dreidimensionale Modell
auf die bedingten Ausgangsbilder auszurichten. Die Position der
Kamera relativ zu dem Modell wird im Schritt 128 bestimmt.
Oberflächen,
die für
die Kamera nicht sichtbar sind, werden im Schritt 130 entfernt.
Die Daten (Intensitätspegel)
werden im Schritt 132 für
jedes Bild auf die Oberflächen
des dreidimensionalen Modells abgebildet.
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Im
dritten Abschnitt 104 des Prozesses wird im Schritt 134 ein
Verhältnis
der Intensitätspegel
für die
dreidimensionalen Lauf- und Referenzbilder bestimmt. Die Intensitätspegel
des dreidimensionalen Verhältnismodells
werden im Schritt 136 durch Anwenden einer Kalibrierungskurve
in Druckpegel umgesetzt. Die Kalibrierungskurve kann bestimmt werden,
indem entweder Daten 138 der Druckabgriffstellen oder eine
Farbkalibrierung von einem Kupon 140 oder eine Kombination
von beiden verwendet werden. Das Verhältnisbild wird dann im Schritt 146 für Effekte 142 der
Oberflächentemperatur
und Änderungen
in der Anregungsbeleuchtung 144 an unterschiedlichen Punkten
des Mo dells korrigiert. Die Intensität der Farbe ändert sich
mit der Temperatur der Farbe und das wird im Schritt 146 korrigiert.
Da die Anregungsleuchten nicht alle Punkte des Modells gleichmäßig beleuchten
können,
wird die Intensität des
Leuchtens allein aus diesem Grund variieren. Diese Änderung
muss berücksichtigt
werden, um für jede
Oberfläche
des Modells genaue Drücke
zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform
wird diese Änderung
korrigiert, indem ein Filter vor der Kamera angeordnet wird, wenn
die Bilder erfasst werden. Das Filter wird verwendet, um die Effekte
der ungleichmäßigen Beleuchtung
auszugleichen. Der Ausgang der dritten Stufe 148 ist das
verarbeitete Modell, das die Drücke
für jede
Oberfläche
des verarbeiteten Modells enthält.
Das verarbeitete Modell wird dann verwendet, um Lasten und Momente
für das
Modell zu bestimmen.
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Unter
Verwendung des hier beschriebenen Prozesses wird der Druck über das
Modell für
die Verzerrung der Kameralinse und die Ungleichförmigkeit der Pixel in einer
CCD oder in anderen elektronischen Erfassungsmitteln genau eingestellt.
Der Prozess setzt die zweidimensionale Druckdarstellung in ein dreidimensionales
Modell um. Dadurch können Bauingenieure
die spezifischen Parameter bestimmen, an denen sie wirklich interessiert
sind, wie etwa die Lasten an verschiedenen Teilen des Modells und die
Momente, die um verschiedene Punkte des Modells wirken.