Білинський, Й.Й. Методи обробки зображень в комп’ютеризованих оптико-електронних системах: монографія

Подождите немного. Документ загружается.

Таким чином, знаходження третьої координати дозволяє сфор-

мувати 3D зображення. Таке перетворення можна виконати при умові

відомої базової відстані, а також відстані до площини, на якій знахо-

диться об’єкт дослідження. Залежність глибини від зміни положення

точки для одновимірного випадку при

0,001y м

для декі-

лькох значень базової відстані B наведена на рис. 5.32.

Рис. 5.32. Залежність глибини від величини зміни положення

З графіка видно, що характеристика носить лінійний характер і

на чутливість перетворення суттєвий вплив має базова відстань В.

Оскільки величина шуканої зміни положення точки визначається в

мікронах, то актуальним є застосування

субпікселних методів визна-

чення положення максимуму інтенсивності світлової плями.

Координата в площині y-z деякої точки визначається

. (5.38)

Незначній зміні z відповідає зсув зображення точки в площині

аналізу на Δx. Чутливість при зміні відстані вздовж осі z складе

yzdy

dd d

==−

. (5.39)

З урахуванням кута α, який визначає орієнтацію світлової плями

передавальною системою, отримаємо

(

)tg

=−

. (5.40)

Це означає, що при збільшенні базової відстані В чутливість

зростає при певному діапазоні зміни кута. Цей кут є величиною змін-

ною, вибирається з урахуванням базової відстані В таким чином, щоб

210

у відомому діапазоні

d забезпечити номінальну чутливість, й знахо-

диться в діапазоні 50

– 60

Для відновлення 3D зображення досліджуваної поверхні необ-

хідно визначити координати глибини сцени згідно з (5.37) [308, 309,

315]. При цьому постає питання як фікувати шука-

ні точки на зображенні та яким чином з мінімальними програмно-

апаратними затратами отримати 3D зображення.

отримати та іденти

Для досягнення поставленої мети запропоновано використати

два взаємно перпендикулярні бінарні патерни з визначеною шириною

смуг [284–288]. Це дає змогу в результаті попередньої обробки зобра-

ження отримати набір ліній горизонтальних і вертикальних з відоми-

ми координатами. При цьому попередня обробка передбачає виділен-

ня ліній, усунення розривів і виконання інтерполяційних операцій.

Спільні точки вертикальних і горизонтальних ліній внаслідок накла-

дання патернів і є шуканими координатними точками.

Такий підхід дозволяє ідентифікувати кожну двовимірну точку

патерна на площині та на об’єкті відповідно та визначити положен-

ня в просторі.

С,

структ

її

Для реалізації вищепоставленої задачі розроблено КОЕ

урна схема якої наведена на рис. 5.33 [290].

Рис. 5.33. Структурна схема КОЕС постави тіла

КОЕС містить проекційну систем

під’єдн

у та відеокамеру, які

ані до комп’ютера. Проекційна система дає змогу створити

канал далекометрування для знаходження відстані

до площини, на

якій знаходиться об’єкт, за допомогою лазера та два вимірювальних

211

канали за допомогою системи формування патернів. Робота таких ка-

налів рознесена в часі для знімання картини ліній горизонтального та

вертик

урахуванням (5.35)

ального патернів. Блок виділення ліній патернів (БВЛП) оциф-

ровує положення лінії кожного патерна.

У випадку однакової базової відстані для каналу далекометруван-

ня та активного каналу визначення глибини зображення, тобто при

bB=

величина третьої координати (5.37) визначається з

22 22 2

121

()()

()

xB dk y y

kByk

+−

=−−

−

. (5.41)

Попередня обробка зображення має вирішальне значення й

суттєво впливає на якість отриманих результатів, а також на якість

відновлюваного 3D зображення, тому з цією метою був застосований

метод виділення контуру за допомогою ізотропного детектора, описа-

ний у розділі 3. На рис. 5.34а наведено зображення з накладеним біна-

рним в

а) б)

Рис. 5.34. Зображення об’єкта:

а – з накладеним бінарним патерном; б – в результаті обробки

Таким чином, для відновлення 3D зображення за допомогою

запропонованої системи достатньо встановити відстань від оптичної

системи до площини, на якій знаходиться об’єкт дослідження, та ви-

значит ати точок перетину патернів. Перевагою викорис-

тання патернів х роз-

несене забезпечує

ертикальним патерном, отримане за допомогою КОЕС, на рис.

5.34б – зображення, обробка якого виконана за допомогою ізотроп-

ного детектора.

и координ

горизонтального та вертикального, знімання яки

в часі, точне знаходження точки перетину внаслідок

виділення лінії за допомогою детектора виділення контуру, оскільки

відсутні розриви, які мають місце при виділенні Т або X-контурів.

212

5.3.3. Аналіз статичних метрологічних похибок

комп’ютеризованої оптико-електронної системи постави тіла

Формула (5.37) є функцією перетворення та може бути викори-

стана для оцінювання основних статистичних метрологічних характе-

ристик

знаходження глибини зображення.

Рівняння перетворення (5.37) можна подати у вигляді [202]

(, ,,,)

fyyBdk=

де

– вихідна величина; – вхідні величини;

величини.

,yy

,,dk

– впливні

Розкладемо функцію перетворення в ряд Тейлора і виведемо

аналітичні залежності для оцінювання впливу на процес перетворення

визначення глибини

від неінформативних параметрів, а саме –

отримаємо ряд залежностей.

Розрахунок адитивних похибок перетворення в умовах зміни

впливних величин, а також похибки нелінійності номінальної функції

перетворення і чутливості проводився за допомогою пакета символь-

ної математики Maple 7. На рис. 5.35–5.40 наведені результати моде-

лювання похибок перетворення в умовах зміни базової відстані, відс-

тан від площини, на якій знаходиться об’єкт, до оптичної системи,

відстані від оптичної осі до центра зображення світлової плями, а та-

кож координат досліджуваної точки, побудованих в середовищі симво-

льної математики Maple 7 [136].

Рис. 5.35. Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

координат досліджуваної точки

(, )

Рис. 5.36. Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

бази та координати

досліджуваної точки

(, )

213

Встановлено, що найбільше впливає на адитивні похибки зміна

відстані до площини реєстрації, а також базова відстань. Похибка змі-

ни відстані до центра світлової плями, яка виникає внаслідок неліній-

ності оптичної системи, носить нелінійний характер і є визначальною

для такої системи. Номінальний коефіцієнт перетворення або чутли-

вість є остійною і

не змінюється в діапазоні перетворення.

Рис. 5.37. Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

відстані до центра світлової

плями та координати

досліджуваної точки

(

Рис. 5.38. Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

відстані від площини до оптич-

ної системи та координати

досліджуваної точки

(, )

, )ky

Рис. 5.39. Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

координат досліджуваної точки

Рис. 5.40.

Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

координат досліджуваної точки

(, )

(,)

214

РОЗДІЛ 6

АПАРАТНО

-ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ

ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

ОМП’ЮТЕРИЗОВАНИХ ОПТИКО

-ЕЛЕКТРОННИХ

СИСТЕМ

Будь-яке технічне рішення повинно бути підкріплене відпові-

дною ехнічною реалізацією та експериментальними дослідженнями.

На основі проведених теоретичних досліджень, результати

яких наведено в попередніх розділах, побудовао конкретні засоби та

КОЕС, а також проведено їх експериментальні дослідження.

6.1. Аналіз похибок методу крайового детектування

на основі застосування плоскопаралельних

мір довжини

Для оцінки методичної похибки визначення та виділення кон-

туру проведено метрологічні дослідження розроблених КОЕС за до-

помогою плоскопаралельних кінцевих мір довжини.

Кінцеві міри призначені для безпосереднього вимірювання лі-

нійни розмірів промислових виробів, а також як зразкові міри для

передачі розміру одиниці довжини від первинного еталона кінцевим

мірам точності та для перевірки та градуювання вимірюваль-

них приладів [207, 208]. Для експериментальних досліджень викорис-

овувалися кінцеві міри довжини, виготовлені з твердого сплаву за

-м робочим класом точності.

Досліджувані плоскопаралельні міри, а також їх контурні зо-

браження, отримані за допомогою градієнтного детектора, наведе-

ні на рис. 6.1.

Оскільки на результат вимірювання суттєвий вплив має оптич-

на та

меншої

фотоприймальна система, а також умови знімання об’єкта, то

для проведення експерименту використовувався набір плоскопарале-

льних мір різної ширини з відомими розмірами, які розташовувалися

впритул одна до одної. Це дало змогу виконати вимірювання шири-

ни кожної міри та порівняти отримані результати між собою.

215

На рис. 6.2а наведено осцилограму інтенсивностей одного ряд-

ка матрично онання ни-

зькочастот , що від-

повід

го фотоприймача, виділеного у результаті вик

ної фільтрації, яка містить спільні точки перетину

ають крайовим точкам плоскопаралельних мір.

а б

Рис. 6.1. Плоскопаралельні міри:

а – вхідні зображення; б – виділені контури

На рис. 6.2б наведено осцилограму того ж рядка матриці вхід-

ного та контурного зображення досліджуваних мір.

Рис. 6.2. Осцилограми рядка матриці досліджуваних мір:

а – в результаті низькочастотної фільтрації;

б – в результаті контурного виділення

216

їх з відношенням

ширин зображень мір. Розбіжність отриманих результатів не пере-

вищує 0,8 %. Це означає, що похибка знаходження крайової точки ві-

дповідає тому ж порядку. У результаті проведення одноразового ви-

мірювання розмірів зразкового об’єкта визначено відносне довірче

значення інструментальної похибки, яке становить

сцилограми наочно показують, що крайові точки, тобто точки

перетину фільтрованих зображень мір і виділені краї збігаються.

Оскільки ширина кожної міри була відомою, то це дало змогу

отримати відношення ширини цих мір та порівняти

()

(

)

,0.9

exp

-3

,0.9

exp

2,4 10

Σ=

==⋅

6.2. Експериментальні дослідження методу крайового

детектування на основі використання

рефракт тлотіні

Різноманітні ка заломлення та

поглинання п властивості

мають

ня світлових про-

менів, ловним із яких є критичний. Критичний кут можна визначати

у двох випадках: у відбитому та заломленому світлі. В обох випадках

спостерігається межа світлотіні, яка відповідає граничному куту. По-

хибка вимірювання таких оптичних систем складає 10

-3

–10

-4

від пока-

зника заломлення [146,180–184].

Зображення критичного кута являє собою досить розмиту, не чіт-

ку межу, що ускладнює подальшу цифрову обробку та візуальне сприй-

няття, а при застосуванні збільшувальної оптичної системи, роздільна

здатність сприйняття змінюється обернено пропорційно кратності збі-

льшення, що не дозволяє підвищити точність вимірювання. Залежність

відбивної R здатності від кута

Θ падіння наведена на рис. 6.3а.

Тіньові зображення об’єктів можна вважати бінарними, коли не

враховувати впливу передавальних характеристик оптичного каналу.

Якщо об’єкт освітлюється сколімованим світловим пучком, то безпо-

середн рний

просторовий кцією Хеві-

сайда, як було у

ометричної межі сві

сть методів вимірювання показни

ов’язана з великою кількістю явищ, де ці

вирішальне значення. Основним з них є рефрактометричний

метод, який зводиться до визначення кута відхилен

го

ьо за площиною розташування об’єкта формується біна

оптичний сигнал, краї якого описуються фун

же сказано в 2 розділі.

217

а б

Рис. 6.3. Залежність відбитого світла від кута падіння

а –теоретична; б – експериментальна

ження межі світлотіні, що відповідає Для знаход критичному ку-

ту, запропоновано

туван

ціни шкали 10

-3

та граничною похиб-

кою п

застосувати субпікселний метод крайового детек-

ня на основі низькочастотної фільтрації [185]. З іншої сторони

використання зображення світлотіні рефрактометра дає змогу провес-

ти експериментальні дослідження запропонованого субпікселного ме-

тоду. З цією метою використовувався промисловий рефрактометр Аб-

бе типу ИРФ-454, принцип дії якого оснований на явищі повного вну-

трішнього відбиття внаслідок проходження світлом межі поділу двох

середовищ з різними показниками заломлення. На такому рефракто-

метрі можна досліджувати речовини з показником заломлення від 1,2

до 1,7, з мінімальною поділкою

оказника заломлення ±2·10

-4

При цьому всі вимірювання про-

водять в білому світлі. Отримане зображення на виході зорової труби

наведено на рис. 6.4.

Положення світлотіні при цьому відповідає променю, який ви-

ходить із призми під критичним кутом, а показник заломлення визна-

чається згідно з формулою:

sin sin cos cosnN

βαβ

=−+

де

N – показник заломлення вимірювальної призми;

– кут виходу

променів із вимірювальної призми;

– кут заломлення вимірюваль-

ної призми.

218

Для спостереження за межею світлотіні використовувалася віде-

окамера типу VGA 1/3 дюйма 640×480, з розміром піксела 8×8 мкм та

міжпіксельним простором 8 мкм, яка кріпилась на зоровій трубі та

під’єднувалась до комп’ютера за допомогою стандартного інтерфейсу.

Програмне забезпечення дозволило сформувати зображення сві-

тлотіні на екрані монітора, яке наведено на рис. 6.4а, виділити фраг-

мент примежової кривої, в якій знаходиться край, а також визначити

субпікселне положення згідно з (2.31). Виділення області, в якій зна-

ходиться межа, наведено на рис. 6.4б, виконувалося за допомогою

градієнтного детектора міжпікселном прос-

торі визначалася субп і низькочастотної фі-

льтрації

Процедура полягає в наве-

денні за допомогою маховика перехрестя оптичної системи на межу

світло

. Координата світлотіні в

ікселним методом на основ

, який наведений на рис. 6.4в.

вимірювання такого рефрактометра

тіні і за шкалою показника заломлення визначається результат

вимірювання. При цьому індексом для відліку служить нерухомий ве-

ртикальний штрих призми АР-90

На практиці рефрактометр використовує концентрації розчинів

не нижче 3 %. Таким чином, програма експерименту передбачала

створення розчинів, які мали концентрації меншу 3 %, що є нижче по-

рога чутливості. При цьому результати вимірювання таких концент-

рацій за шкалою показника заломлення рефрактометра залишаються в

межах однієї поділки. Розраховані значення показників заломлення

приготовлених проб були відомими, оскільки для більшості водяних

розчинів, у яких міститься одна розчинена речовина, залежність пока-

зника заломлення від величини концентрації виражається такою фор-

мулою [180]

()/CnnF

−

де

центрації розчину на 1 %.

ля проведення досліджень використовувалася дистильована

вода та розчини етилового спирту. Отримані зображення межі світло-

с-

десяти проб в межах 1 % зміни концентрації.

– показники заломлення розчину та розчинника; F – фактор

показника заломлення, що показує величину приросту показника за-

ломлення при збільшенні кон

тіні оброблялися субпікселним методом крайового детектування та

визначалася субпікселна координата положення, яка дозволяла обчи

лити критичний кут, а отже й показник заломлення. При цьому бра

лося більше

219