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

Подождите немного. Документ загружается.

Ри

ня

с. 6.4. Знаходження субпікселної координати межі світлотіні:

а – зображення світлотіні та осцилограма примежової кривої;

б – виділення зони границі світлотіні та її осцилограма на основі

градієнтного оператора;

в – зображення світлотіні внаслідок

фільтрації та спільна точка на

осцилограмі вхідного та

відфільтрованого зображен

220

В результаті проведення експериментальних досліджень встано-

влено що використанння субпікселного методу крайового детекту-

вання дає змогу відслідкувати положення межі світлотіні з розділь-

ною здатністю 0,1 міжпікселної ширини для розчинів з концентрація-

ми меншими 3 % і підвищити роздільну здатність стандартного ре-

фрактометра до рівня 10

-5

показника заломлення.

6.3. Практична реалізація КОЕС вимірювання

поверхневого натягу

На основі розробленого методу лежачої краплі в електричному

полі та алгоритму визначення поверхневого натягу розроблено експе-

риментальний зразок КОЕС поверхневого натягу, зовнішній вигляд

якого оказаний на рис. 6.5 [239, 240, 245].

Рис. 6.5. Експериментальний зразок КОЕС поверхневого натягу

(О -

дів ,

блоки

поперед

До складу вимірювача ПН рідин входить освітлювальна систем

С) 1, блок зняття зображення об’єкта (БЗЗО) 2, екран 3, блок електро

(БЕ) 4, між якими знаходиться кювета 5 і які закріплені на основі 6

постійної напруги 7, 8, цифро-аналоговий перетворювача (ЦАП)

помножувач 10, персональний комп’ютер (ПК) 11, який містить блок

ньої обробки та мікропроцесорну систему керування.

221

Кювета 5 розміщувалась на нижньому електроді блока елект-

родів 4. Електроди виконані у вигляді пластинок із кварцового скла

розміром 20×20×2,2 мм з нанесеним на верхню та нижню поверхні

провідним шаром SnO

та закріплені на основі 6, що забезпечує мож-

ливість вертикального переміщення електродів. Електроди, кювета та

основа складають блок електродів, зображених на рис. 6.6 [240].

Рис. 6.6. Блок електродів

Між електродами ворювалось однорідне електричне поле.

Напрям електричного пол перпендикулярний площині електродів і

паралельний осі симетрії меніска. Керування електричним полем здій-

ювалось за допомогою напруги, що подається на електроди. Почат-

кова напруга задавалась блоком постійної напруги 8, керуванням яким

та синхронізацією знімання здійснювалося за допомогою мікропроце-

сорної системи керування.

Освітлювальна система 1 формує світловий колімований потік,

який має рівномірний зподіл інтенсивності по всій апертурі. В кю-

веті 5 формується лежача крапля. Мікропроцесорна система керуван-

ня с-

аючу напругу, що подається на електроди. Це призводить до зміни

електр

ст

сн

ро

за допомогою ЦАП 9 та помножувача 10 формує покроково зро

ичного поля між електродами, а отже до зміни форми меніска,

яка реєструється блоком зняття зображення об’єкта 2. Таким чином

отримують зображення краплі при заданому значенні напруги, яке

передається в ПК 11 [ 241].

222

При кожному кроці зміни напруги, що подається на електроди,

відбувається реєстрація зображення та визначення ординати

омбілі-

чної точки (вершини), та виконується порівняння цієї координати з

попереднім значенням (крім першого зареєстрованого зображення).

При

i+1

відбувається подальше збільшення напруги. Вимірювання

може відбуватися як в реальному масштабі часу, так і з накопиченням

та подальшою обробкою зображення краплі.

Для реєстрації зображення використовувалась фотокамера

Fujifilm FinePix S5500 з роздільною здатністю 4,2 мегапікселів, яка

розміщувалась на штативі для зняття профільного зображення краплі.

Штатив забезпечував статичне положення фотокамери, а отже, точне

наведення на різкість зображення. За допомогою гвинтів штативу мо-

жна регулювати положення фотокамери у вертикальному і горизонта-

льному напрямах, а також змінювати кут нахилу камери у площині,

перпендикулярній до оптичної осі приладу.

Умовою отримання контрастного зображення краплі є рівномір-

не освітлення джерелом світла поверхні досліджуваного об’єкта. При

цьому живлення джер атися стабілізованим

остійним струмом, що зумовлено безінерційністю матриці ПЗЗ. Зміна

яскраво

систему джерела світла.

танню нестійкого стану, та має екстрема-

льні геометричні параметри. Обробка зображення полягає у фільтрації

ела світла повинно здійснюв

сті джерела світла впродовж періоду вимірювання викликатиме

неоднорідність освітленості окремих кадрів зображення, що небажано з

метрологічної точки зору. За освітлювальну систему 1 обрано лампу

розжарювання, яка розташовувалась паралельно головній осі фотока-

мери. Створення паралельного пучка променів здійснювалось за допо-

могою коліматора та матового світлофільтра, які приєднувались до

джерела світла 1 і складали оптичну

Оброблення зображень здійснюється за допомогою блока зна-

ходження субпікселних координат, а розрахунок поверхневого натягу

– за допомого ПК 11.

Для вимірювання поверхневого натягу розроблено спеціальне

програмне забезпечення, що реалізує алгоритм знаходження поверх-

невого натягу. На рис. 6.7 наведено блок-схему алгоритму визначення

поверхневого натягу методом лежачої краплі в електричному полі.

Алгоритм реалізує обробку зображення краплі, яке реєструєть-

ся в момент, що передує нас

223

з використанням комбінованого фільтра, підвищенні контрасту шля-

хом нормалізації гістограми, бінаризації та виділенні контуру методом

низькочастотної фільтрації.

Рис. 6.7. Блок схема алгоритму визначення поверхневого натягу

У результаті проведення комп’ютерної обробки формується

масив субпікселних координат контуру краплі, який дозволяє визна-

чити аналітичний вираз функції

)z(fx

і визначити геометричні

розмір

ієнт деформації для кожної з ділянок, та знахо-

дилось

ра-

хунок

и з урахуванням збільшення оптичної системи (5.17). З виразів

(5.19) і (5.20) розраховується об’єм і площа поверхні краплі над кром-

кою кювети та коефіц

їх середнє значення. Шукане значення поверхневого натягу

рідини розраховують з виразу (5.23).

Використання цього алгоритму дозволило автоматизувати про-

цес вимірювання поверхневого натягу, підвищити його точність за

визначення екстремальних геометричних параметрів краплі в

момент, що передує настанню нестійкого стану

. Інтерфейс користува-

ча дозволяє відкрити нове зображення; задати такі параметри: напру-

224

женість електричного поля, внутрішній радіус кювети, діелектричну

проникність рідини, поріг яскравості для виділення контуру, ступінь

поліному для апроксимації; зберегти результати розрахунків у файл,

роздрукувати дані з можливістю попереднього перегляду результатів.

Програма для визначення поверхневого натягу реалізована мо-

вою програмування Visual С++ та займає 18 Мбайт. Особливістю да-

ної програми є можливість економії об’єму пам’яті, яка передбачає

створення віртуального буфера, в якому зберігається останнє зобра-

ження, всі інші кадри видаляються з буфера. Розроблене програмне

забезпечення може працювати під керівництвом операційної системи

Windows. Для роботи програмного забезпечення необхідна ЕОМ з та-

кою мінімальною конфігурацією: Celeron 1 ГГц, DDR 128 МБ, HDD

10 ГБ.

6.4. Експериментальні дослідження КОЕС вимірювання

поверхневого натягу

До основних характеристик КОЕС, які необхідно експеримен-

тально перевірити, відносяться такі:

– похибка вимірювань 1,4 %;

– діапазон вимірювання поверхневого натягу 10…100 мН/м.

такі розчини ПАР: етиловий спирт, неонол АФ9-12, який є неіоноген-

ною П

й натяг. С

дає можливість зробити висно-

вок про

При проведенні експериментальних досліджень використан

АР, алкилбензолсульфокислоту (АБС-кислота), яка є аніонною

ПАР. Також на прикладі розчину NaCl досліджувались негативні

ПАР, які підвищують поверхневи тупінь деформації краплі

характеризує висота краплі h [243, 244].

На рис. 6.8 наведено теоретичну та експериментальну залеж-

ності висоти краплі від поверхневого натягу.

Як видно з рисунка відхилення експериментальної залежності

від теоретичної не перевищує 6 %, що

високу збіжність проведених результатів досліджень.

Для оцінювання похибки визначення геометричних параметрів

були проведені вимірювання тестової кулі, яка виготовлена з пластма-

си. Розміри кулі відповідали реальним розмірам краплі рідини у про-

цесі її росту, в цьому випадку 6 мм. Тестову кулю розміщували у міс-

225

ці утворення лежачої краплі. В результаті проведення вимірювань лі-

нійних геометричних параметрів тестової кулі (екваторіального діаме-

тра, висоти) встановлено, що абсолютна похибка не перевищує 1 мкм.

h, м

0,0012

0,0017

0,0022

0,0027

0,0032

20 30 40 50 60 70 80 90 100

теорет.

експер.

σ, мН/м

Рис. 6.8. Теоретична та експериментальна залежності

ля розрахунку поверхневого натягу рідин визначено такі ге-

ометри

висоти краплі від поверхневого натягу

чні параметри: висоту, площу поверхні та об’єм краплі над

кромкою кювети, тому

VShгеом

VSh

σΔ

∂

, (6.1)

де

, ,

VSh

– абсолютні похибки визначення висоти, площі пове-

рхні та об’єму краплі;

h∂

∂

– «вага» кожної часткової похиб-

ки, що визначається в результаті диференціювання (5.23).

Відносна похибка [206]

∂

∑

∂

геом

. (6.2)

Значення поверхневого натягу рідини на межі поділу

рідина –

повітря знаходиться згідно з формулою (5.23). За стандартною мето-

дикою оцінювання похибок результату опосередкованого вимірюван-

ня відносна похибка визначення поверхневого натягу як функції декі-

226

лькох величин, похибки яких незалежні, знаходиться згідно з [202,

204,316]

222

εσ

δδδδ

++=

Uгеом

, (6.3)

де – відносні похибки

визначення геометричних параме-

трів краплі, напруги, що подається на електроди, та діелектричної

проникності.

У результаті проведення серії з 200 вимірювань для дистильо-

ваної води знайдено СКВ похибки вимірювання висоти, площі повер-

хні, об’єму краплі, діелектричної проникності, напруги, що подається

на електроди:

δδδ

, ,

геом

=5,1·10

-7

]

[

=1,75·10

-9

]

[

]

[

=1,02·10

-11

]

[

22,05,

]

[

=0,1. СКВ похибки вимірювання поверх

урахуванням (6.1, 6.2)

= нево о

натягу з

[] [] [] [] [] []

222

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

εσ

σσ

(6.4)

Вага» кожної часткової

похибки становить

∂

=943,68,

V∂

σ∂

=0,42417·10

-7

∂

=0,229·10

-7

∂

S∂

σ∂

= -2468,89122, =

ів розрахун

0,0018. Про-

в ши ки за формулою (6.4), отримаємо

]

[

=0,00051142

Н/м. За значенням нор ан функції Лапласа

мов ої

P)z(Ф

для ймо-

валу становлять

вірності

Р=0,95 значення =2,0 [202]. Тоді інтер-

z границі довірчого

⋅

±= ][z ±2,0·0,00051142=1,0229

мН/м. Ре-

зультат опосередкованого вимірювання поверхневого натягу σ:

(72,569±1,0229) мН/м;

Р=0,95.

Максимальна зведена охибка

max

100 %

norm

γ=1,2 %

⋅

не перевищує

У таблиці 6.1 наведені порівняльні характеристики розробле-

ного вимірювача поверхневого натягу методом лежачої краплі в елек-

тричному полі та відомих вимірювачів.

227

В результаті порівняння вимірювачів поверхневого натягу ме-

тодом лежачої краплі – DVT 30 фірми Kruss виробництва Німеччини,

ППНЛ-1, розробленого в Івано-Франківському національному техні-

[223] та запропон

вимірювача

поверхневого натягу з існуючими аналогами

чному університеті нафти й газу ованого, встановле-

но, що характеристики запропонованого вищі.

Таблиця 6.1

Порівняльний аналіз розробленого вимірювача

Характеристики

Вимірювач поверхневого натягу

запропонованим

методом

D ППНЛ-1VT 30

1. Діапазон вимірювань,

/м

10–100 0,05–100 15–75

мН

2. Чутливість, мН/м 0,1 0,15 –

3. Похибка вимірювань,

1,4 1,5 1,5

вимірювальних рідин, С

0– –90

Діапазон температур

10–90 1 -90 10

5. Час вимірювання, с 3–180 5–9999 –

6. , грн. 4500–5500 10000 Вартість 40 000

6.5. Практична реалізація КОЕС параме людини

(«PodPro»)

На підставі теоретичних викладок, наведених в розділі 5, а а-

кож використовуючи методи п

трів стопи

опередньої обробки, наведені в розділі

3, розроблено експериментальний зразок ОЕС стопи людини, зовніш-

ній виг [257–259].

дослідження параметрів стопи складаєть-

в керування напругою, блоків вмикання та

розмик

відеокамера, що реєст-

рує зображення стопи.

ляд якого показаний

на рис. 6.9

Конструктивно ОЕС

ся з ламп освітлення, блокі

ання системи освітлення, яка під’єднана до персонального

комп’ютера за допомогою стандартного порту USB [260]. За допомо-

гою такого ж порту до комп’ютера під’єднана

228

Якість сприйнятого зображення стопи багато в чому визнача-

ється якістю формування зображення локалізованої ділянки, яка гене-

рує первинну інформацію. При цьому суттєвий вплив на зображення,

яке формується у відбитому світлі, має розсіювання, що утворюється

за рахунок відбиття від поверхонь, а також величини зовнішнього сві-

тлового фону.

топу людиРис. 6.9. ОЕС розподілу навантаження на с ни

(зовнішній )

ористовуєт комп’ютерна

нь з допомогою КОЕС параметрів стопи,

ений на .10.

вигляд

Для усунення цих недоліків вик ься

обробка отриманих зображе

дзовнішній вигляд якої наве рис. 6

Рис. 6.10. КОЕС геометричних параметрів стопи людини

229