СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

CONTACTLESS MEASUREMENT SYSTEMS

Kabylbekov Dauren Erkinovich

master student, Pavlodar State University. S.M. Toraigyrov

Kazakhstan, Pavlodar

АННОТАЦИЯ

Состояние вопроса измерений на основе обработки изображений в системах бесконтактных оптических измерений и постановке цели и задач исследования. Описана организация эксперимента, проведено практическое исследование влияния калибровки и компонентов опти­ческой системы на систематические и случайные погрешности измерений.

ABSTRACT

State of the issue of measurements based on image processing in systems of contactless optical measurements and setting the goal and objectives of the study. The organization of the experiment is described, a practical study of the effect of calibration and components of the optical system on systematic and random measurement errors has been carried out.

Ключевые слова: погрешность, система, измерения, фотограм­метрии, объектив.

Keywords: error, system, measurement, photogrammetry, lens.

B последние годы системы бесконтактных оптических измерений получили широкое применение. В промышленности использование измерительных систем на основе ПЗС матриц позволяет производить бесконтактные измерения множества признаков большого количества деталей за кратчайшее время с точностью порядка 1 микрометрам Бесконтактные измерения являются необходимым требованием в работе с хрупкими объектами, которые могут быть повреждены при исполь­зовании контактных методов.

Изображения, получаемые с помощью оптических систем являются геометрическим отображением измеряемого объекта, размеры которого уточняются- средствами компьютерных технологий. Изображения всегда являются искаженными, что-существенно снижает точность измерений. Для повышения точности измерений необходимо производить предвари­тельную обработку изображений. В настоящее время существует ряд методов и программных продуктов для корректировки изображений, но они нацелены в основном на решение задач фотограмметрии и улучшение эстетических характеристик и не адаптированы, для исполь­зования в прецизионной измерительной технике.

В промышленности для измерения геометрических величин используются системы с монохроматическими камерами, системы с цветными камерами, как. правило, не применяются из-за хроматических, аберраций и технических трудностей согласования каналов, снижающих точность измерений, хотя цветные изображения содержат больше информации. Проблема применения систем с цветными камерами; для измерения геометрических величин относится к разряду- актуальных, равно как и использование систем с монохроматическими камерами.

Основными компонентами исследуемых измерительных систем являются камера, объектив, освещение, конструкция установки и прог­раммное обеспечение для обработки изображений (рис. 1). Процесс изме­рения при использовании данных систем включает в себя два основных этапа: получение изображения измеряемого объекта и обработка изображений для определения необходимых геометрических величин.

Основным элементом камеры является сенсор, который регистри­рует определенный вид энергии, исходящей от измеряемого объекта. Существуют различные виды сенсоров. Наиболее распространенным является светочувствительная матрица, которая регистрирует видимый диапазон. Существуют сенсоры для регистрации гамма-излучения, рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного, микроволнового или радиоволнового диапазона, также обрабатываются акустические изображения и изображения, электронной микроскопии. Различные виды сенсоров позволяют получать изображения, по которым осуществляется анализ и измерения в областях, где другие методы недоступны.

Рисунок 1. Система бесконтактных оптических измерений

Основным элементом камеры является сенсор, который регистри­рует определенный вид энергии, исходящей от измеряемого объекта. Существуют различные виды сенсоров. Наиболее распространенным является светочувствительная матрица, которая регистрирует видимый диапазон. Существуют сенсоры для регистрации гамма-излучения, рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного, микроволнового или радиоволнового диапазона, также обрабатываются акустические изображения и изображения, электронной микроскопии. Различные виды сенсоров позволяют получать изображения, по которым осущест­вляется анализ и измерения в областях, где другие методы недоступны

Следующим компонентом рассматриваемых систем бесконтактных оптических измерений является освещение. Для измерений, как правило, используется телецентрическое освещение со строго параллельным пучком лучей, которое позволяет увеличить контраст и улучшить качество изображения. Существуют системы, в которых используется проходящий или падающий свет, или их комбинация. Выбор используемого освещения зависит от поставленной задачи и области применения. Для различных видов освещения существуют предпочти­тельные методы обработки изображений.

Конструкция установки определяет расположение измеряемого объекта перед измерительной системой и расположение компонентов измерительной системы друг относительно друга. Например, незначи­тельное смещение матрицы камеры относительно оптической оси объектива приводит к искажению изображения измеряемого объекта. Ошибочное расположение измеряемого объекта относительно измери­тельной системы приводит к тому, что на матрицу камеры проецируется неправильная проекция измеряемого объекта, что приведет к снижению точности измерений.

Следующим компонентом измерительной системы является прог­раммное обеспечение для обработки изображений. Существуют различные уровни обработки изображений. К процессам низкого уровня относятся операции, в которых на входе и выходе присутствуют изображения (уменьшение шума, улучшение резкости, повышение контраста и т. д.). К процессам среднего уровня относятся операции, в которых на входе присутствует изображение, а на выходе признаки (разделение изображения на области и выделение в них объектов, распознавание и т. д.). К процессам высокого уровня относятся операции, связанные с анализом распознанных объектов.

Процесс измерения с использованием систем обработки изобра­жений основывается на нахождении по изображению измеряемого объекта необходимых геометрических величин. Для этого на монохрома­тических изображениях находятся границы объектов по определенному уровню яркости. Если используются методы определения границы объекта с точностью одного пикселя, то точность измерений зависит от того, находилась ли реальная граница в середине пикселя или нет. Если реальная граница находится в середине пикселя, то ошибка мини­мальна. Максимальная ошибка находится при смещении +/- 0,5 пикселя. Погрешность измерений определяется количеством пикселей, поэтому при их увеличении, уменьшается погрешность измерений. Т. к. невоз­можно бесконечно уменьшать размеры пикселей матрицы, то такой способ увеличения точности технически ограничен.

В современных условиях постоянно возрастают требования к соблюдению метрологических правил и норм для повышения точности измерений, их надежности и производительности. От качества изме­рений зависят научные открытия, технологии, экономия ресурсов, техническая и экономическая диагностика. Оптимальность измерений определяется предельно допустимой точностью при минимальных затратах. Превышение необходимой точности приводит к значительным затратам, а недостаток - к ошибочным результатам и браку.

Точность результатов измерений — это характеристика качества измерений, которая отражает близость к нулю погрешности результата.

Погрешность измерения - это интервал, в который с определенной вероятностью попадает отступление измеренного значения от его истинной величины.

Погрешность в общем случае представляется в виде:

А= Д_м + Д_и + Д_у + Д_в + Д_л

где:   Д_м – методическая;

Д_и – инструментальная;

Д_у – установочная;

Д_в –вычислительная;

Д_л -личная.

Важными качествами метода и средства измерения являются надежность, стабильность, оперативность, воспроизводимость и повто­ряемость результатов, а также простота и экономические характеристики.

По характеру и способам выявления и устранения погрешности разделяются на систематические, случайные и грубые.

Систематическая погрешность — это погрешность, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же измеряемой величины.

Случайная погрешность - это погрешность, которая изменяется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Грубая погрешность - это погрешность, которая существенно превышает ожидаемую погрешность при данных условиях.

В качестве истинного значения измеряемой величины, как правило, используется среднее арифметическое полученных результатов изме­рений.

Средняя квадратическая погрешность измерений является характе­ристикой степени концентрации отдельных измерений относительно среднего арифметического и определяет точность метода и средства измерения.

Размах результатов измерений является оценкой рассеяния резуль­татов единичных измерений. Размах рассчитывается как разность между наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины.

Класс точности является основной метрологической характерис­тикой прибора, которая определяет допустимые по стандарту значения погрешностей, влияющих на точность измерений. На территории Российской Федерации метрологическая аттестация средств измере­ний осуществляется на основе государственных стандартов ГОСТ. В Германии, где на базе Технического университета Ильменау, прово­дилась часть исследований, метрологическая аттестация оборудования осуществляется на основе стандартов ISO.

Основными компонентами исследуемых систем бесконтактных оптических измерений являются: камера, объектив, освещение, конструкция установки и программное обеспечение по обработке изображений. Любой из компонентов системы и их расположение друг относительно друга влияет на погрешности измерений.

Список литературы:

1. Анисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин. В.К., Распознавание и цифровая обработка изображений. Высшая школа, 1983. 295 с.
2. Бугаенко E.И., Труфанов M.И. Пат. 2351091 РФ. Способ автоматического определения и коррекции радиальной дисторсии на цифровом изображении / Курский государственный технический университет. Заяв. 04.12.2006. Опубл. 27.03.2009. Бугаенко E.И., Труфанов M.И. Пат. 2351091 РФ. Способ автоматического определения и коррекции радиальной дисторсии на цифровом изображении / Курский государственный технический университет. Заяв. 04.12.2006. Опубл. 27.03.2009.
3. Демидов В.М. Методы и средства цифровой коррекции изображения в оптико-электронных системах визуализации. Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.11.07. -М., 2008.
4. Ежова К.В. Автоматизация коррекции фотограмметрической дисторсии проекционных оптических систем. Дис... канд. техн. наук: 05.11.07. - СПб., 2007. 122 с.
5. Козлов А.С., Титов В.С., Труфанов М.И. Пат. 2352987 РФ. Устройство получения изображения с коррекцией хроматической аберрации. / Курский государственный технический университет. Заяв. 03.09.2007. Опубл. 20.04.2009.