Файл: Одномерные методы.pdf

чувствительный элемент в среду, показатель преломления которой сильно зависит от контролируемого параметра, например температуры. При этом существенно меняются условия полного внутреннего отражения лучей света, приходящих через световод, часть излучения теряется, что и вызывает соответствующие изменения информационного сигнала датчика.

На рис. б показан чувствительный элемент ВОЛС в виде изогнутого участка световода.

Внешнее воздействие, например повышение температуры, изменяет радиус кривизны элемента, что приводит к изменению условий полного внутреннего отражения части проходящих по световоду лучей и информационного сигнала.

Интерферометрические ВОД выполняют по схеме, показанной на рис. в. Свет источника излучения 1 в узле оптической связи световодов 3' и 3" синфазно переходит из световода 3' (опорного) в световод 3" (измерительный). Здесь использован эффект «перетекания» света из одного световода в другой, рядом с ним расположенный. Измерительный световод 3" или его участок помещается в контролируемую среду в непосредственной близости от объекта контроля.

Изменение параметров объекта вызывают соответствующие изменения параметров чувствительного элемента ВОД и, следовательно, его микродеформацию или изменение показателя преломления.

При этом изменяются длины оптического пути света в световоде 3', что приводит к соответствующей разности фаз между пучками света, распространяющимися но опорному и измерительному световодам. Эти когерентные пучки, интерферируя в выходном узле связи 7, вызывают соответствующие колебания интенсивности света, регистрируемые фотодиодом 6. Подобные ВОД могут выполняться и по схемам, аналогичным схемам традиционных оптических интерферометров (Майкельсона, Фарби-Перо и т.д.).

Эти ВОД с фазовой модуляцией сигнала характеризуются чрезвычайно высокой чувствительностью, но имеют ограниченный динамический диапазон и некоторые сложности обработки сигнала, имеющего периодический характер изменения интенсивности (в частности, устранение неоднозначности отсчетов и т.п.).

Определение внутренних напряжений в материалах

Многие оптически прозрачные материалы (стекло, полимеры, кристаллы), изотропные в обычных условиях, становятся анизотропными после механического нагружения. При прохождении света в них возникает двойное лучепреломление, величина которого характеризует степень напряженного состояния контролируемого объекта.

Согласно закону Вертгейма разность хода обыкновенного и необыкновенного лучей определяют по формуле

c l ( 1 2 )

где 1 и 2 – разность главных напряжений, l – толщина изделия; с – оптическая постоянная

материала изделия, определяемая экспериментально.

Внутреннее напряжение определяют с помощью полярископа, типовая схема которого показана на рис.

Анализатор приводит колебания обыкновенного и необыкновенного лучей в одну плоскость и создает условия для их интерференции. При этом на экране видна система темных и светлых полос,

соответствующих разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей = m , где m – порядок полосы равен 0, 1, 2, ... для светлых полос и m = 1/2, 3/2, 5/2, … для темных полос. Порядок полосы определяется на основании наблюдения за картиной интерференции в процессе возрастания нагрузки. В белом свете видны цветные полосы и процесс измерения заключается в оценке цвета поля после введения контролируемого объекта и его сопоставления с цветом тарировочной таблицы.Для определения направлений главных напряжений пластинки выводят из полярископа. При этом возникает картина изоклин (геометрическое место точек, где направления главных напряжений совпадают с плоскостью поляризации прибора). Синхронно вращая поляризатор и анализатор, можно зафиксировать поле изоклин.

Пластинки /4 служат для создания круговой поляризации и увеличения чувствительности. При этом небольших изменениям разности хода в объекте соответствует резкое изменение цвета.

Схема полярископа для контроля внутренних напряжений в прозрачных объектах:

1 – источник света, 2 – конденсор, 3 – поляроид, 4 – объект, 5 – анализатор, 6 – поляризационный компенсатор, 7 – окуляр, 8 – наблюдатель.

20. Системы технического зрения в ОНК. Параметры, состав, режимы работы, решаемые задачи.

СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ (СТЗ) В НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ

Сфера применения СТЗ в НК обширна.

Автоматизированные телевизионно-вычислительные комплексы решают задачи измерения геометрических размеров, углов перемещений, координат и других параметров протяженных и малоразмерных (точечных) объектов с точностью не меньшей, а порой и превышающей точность традиционных оптико-электронных приборов.

Телевидение успешно применяется для экологического мониторинга, регистрации нарушений на транспорте, эндоскопии. На основе телевизионных датчиков строятся все системы технического зрения, необходимость в которых возрастает в связи с комплексной автоматизацией производства и внедрением робототехнических устройств.

Наконец, все большее число применений СТЗ в НК связано с роботизацией НК, в том числе, измерительного НК.

Увеличение потребности в телевизионных средствах наблюдения связано с их свойствами, к которым относятся: удобство сочленения телевизионного датчика практически с любым компьютером; высокое быстродействие телевизионных систем, позволяющее обрабатывать сигналы от неподвижных, малоподвижных и быстродвижущихся объектов как в реальном, так и измененном времени; быстрое развитие элементной базы.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ СТЗ

С помощью СТЗ осуществляется обнаружение, распознавание или идентификация объектов, определение их местоположения и координат. По выполняемым функциям СТЗ бывают трех типов: распознающие, обзорно-информационные и измерительные. Однако, как правило, в одном СТЗ сочетается несколько функций.

Распознающие и измерительные СТЗ находят применение в операциях контроля качества, классификации и сортировки как неподвижных, так и движущихся объектов.

Измерительные системы, кроме определения геометрических параметров объекта (что выполняют и распознающие СТЗ), вычисляют расстояния до объектов, преобразуют координаты, определяют ориентацию и т.п.

Обзорно-информационные СТЗ служат для организации технологического процесса посредством анализа сцены, например, для обнаружения преград или необходимых предметов, свободных проходов, организации визуальной обратной связи, например, для слежения за швом при дуговой сварке и т.п.

Операции по формированию, анализу и идентификации изображений осуществляются различными машинными процедурами. Изображение формируется в памяти в виде матриц отсчетов градаций яркости в рассматриваемом участке сцены (объекта). На этапе формирования изображение часто подвергается предварительной обработке (сглаживанию, повышению контрастности, фильтрации и т.п.) для улучшения качества.

На этапе анализа изображений составляются описания двумерных или трехмерных сцен (объектов). Для этого применяются разнообразные процедуры сегментации изображений, из которых наиболее информативными и часто применяемыми являются алгоритмы выделения контуров (например, на основе пространственного дифференцирования, сравнения градиентов с порогом, свертки и т.п.) и алгоритмы расширения областей.

Идентификация изображений состоит в объединении результатов анализа описаний или признаков с геометрическими данными объектов. Обычно символьное описание содержит сведения о типе, положении и ориентации объекта в поле зрения датчика, которые используются для сопоставления идентифицируемой сцены с ее символьными моделями (эталонами), хранящимися в памяти ЭВМ. Одной из центральных задач идентификации изображений является распознавание объекта по совокупности характерных признаков.

Признаки идентификации.

Определяющим фактором для выполнения функций СТЗ в реальное время являются признаки, по которым проводится идентификация объектов. Существуют множество способов распознавания объектов, применение которых связано с необходимостью выполнения большого объема машинных процедур и, следовательно, наличием большого объема оперативной и других видов памяти. В СТЗ для роботов находят применение упрощенные методы распознавания по геометрическим признакам (число отверстий, расстояние между ними и другие особенности). Признаки идентификации определяются в режиме

обучения робота и хранятся в памяти как эталонные, с которыми сравниваются те же параметры, определяемые в процессе работы системы.

Для СТЗ характерна тесная взаимозависимость аппаратной части системы и программного обеспечения. Выбор того или иного способа идентификации объектов может быть определяющим для схемного решения всей системы, и, наоборот, необходимость использования некоторого вида датчиков может однозначно задать алгоритмы преобразования исходной информации.

В некоторых случаях в качестве признаков для распознавания объектов в СТЗ используются не свойства и характеристики объектов, а специально нанесенные на них различные метки. Метками могут служить стилизованные надписи, штриховые линии или геометрические фигуры. Измеряемыми параметрами являются геометрические признаки, цветовой контраст, либо то и другое. Каждый символ стилизованной надписи представляется двоичным числом с разрядностью, соответствующей количеству сегментов тарифной сетки.

Штриховой код представляет собой систему параллельных прямых линий различной толщины и с различными расстояниями между ними. При сканировании и преобразовании в двоичную форму код несет информацию об условных знаках и цифрах.

Применение стилизованных надписей и кодов требует нанесения стартовых, центровочных и финишных меток для синхронизации процесса считывания и обработки информации об объектах, движущихся перед датчиком.

Для считывания штрихового кода могут быть использованы методы телевизионного (при большом допуске смещения положения штрихового кода), лазерного сканирования, а также прожекторный метод с применением цветных штриховых кодов.

Основные требования, предъявляемые к СТЗ

Выполнение функций в реальном масштабе времени, т.е. со скоростью течения технологического процесса без задержек и простоев, и, как следствие, сокращение обрабатываемой информации — главные, хотя и противоречивые требования к СТЗ.

Быстродействие СТЗ в зависимости от ее назначения и выбора способа аппаратно-программной

реализации обработки видеоинформации может находиться в пределах от 10-3 до 10с. Для большинства технологических операций требуемое быстродействие находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд, т.е. менее 1 с. Сокращение объема обрабатываемой информации может быть достигнуто следующими способами: заменой значения яркости в некоторой точке изображения функцией яркости в пределах окна из п элементов, центр которого совпадает с этой точкой; уменьшением до двух числа уровней квантования видеосигнала в системах, осуществляющих выделение объектов в поле зрения и определение их геометрических характеристик; использованием режима слежения за выделенным объектом, применением режима целенаправленного управления процессом ввода изображения в зависимости от текущих результатов обработки и анализа; переходом от кодирования сигналов от всех элементов изображения к кодированию длин отрезков или длин серий построчной развертки изображений и т.п.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТЗ

Помимо быстродействия, СТЗ характеризуются числом элементов дискретизации видеосигнала, числом градаций яркости видеосигнала, контрастом между фоном и объектом освещенностью рабочей сцены, формой, размерами и количеством расположенных на рабочей сцене объектов манипулирования, наличием возможностей оперативного изменения алгоритмов идентификации в зависимости от изменения состава и свойств объектов, а также от изменения технологического процесса.

Число элементов дискретизации в основном зависит от вида и характеристик применяемого видеодатчика.

Для большинства задач целесообразно применять алгоритмы, приспособленные для работы с бинарными изображениями, что значительно сокращает обрабатываемою информацию. Если в бинарных системах каждая точка изображения описывается черным или белым цветом, то в многоградационных системах точки изображения могут иметь полутона. В бинарных системах объекты наблюдаются либо в отраженных, либо в проходящих лучах; при этом изменение направления освещения позволяет получать тени, по которым можно судить о высоте объекта. Хотя процедуры обработки видеоинформации в бинарных системах проще и соответственно выше скорость обработки, многоградационные системы позволяют получить значительно больше информации об объекте. Для решения многих технологических задач необходимы зрительные системы, оперирующие с трехмерной информацией.

Большое значение имеет контраст между объектом и фоном, а следовательно, и освещение объектов СТЗ, работающие в диапазоне световых волн, получили наибольшее распространение. Осветительные устройства предназначены для создания наилучших для СТЗ условий освещенности рабочей зоны робота. Примерами оптимальных условий освещенности могут служить организация «бестеневой» сцены в рабочей зоне, подсветка зоны в заданном диапазоне спектра для контрастного выделения предметов в

ней и т.п. В тех случаях, когда это возможно используется подсветка с обратной стороны детали, дающая высокую контрастность изображения. Применяется также освещение спереди рассеянным белым светом, например, при контроле качества детали. При прослеживании сварного шва используется лазерное освещение.

В качестве источника света используют, также лампы накаливания, люминесцентные лампы, дуговые лампы.

Источник света может быть точечным, линейным, либо освещать плоскопараллельным или рассеянным светом. В случае работы с печатными платами удобно подводить освещение в рабочую область по световодам.

Важным моментом является правильный выбор спектрального состава освещения. Иногда удобно использовать светофильтры как для источника освещения, так и приемника освещения. Для качественного выделения необходимых объектов иногда удобно применять инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, или поляризационное освещение.

Если объекты в поле зрения телевизионной камеры двигаются с большой скоростью, то для того чтобы избежать смазывания изображения рекомендуют применять стробоскопическое освещение.

При использовании так называемого структурного освещения можно с помощью телекамеры получить информацию о высоте объекта. Такой тип СТЗ называется 2 1/2-мерным. Такие СТЗ позволяют дополнительно определять отдельные пространственные параметры объектов высоту, перепады высот, взаимное расположение. Это достигается за счет использования специального освещения: объект освещается щелевым источником света. Такое освещение часто используется в СТЗ, предназначенных для сварки, когда необходимо получить информацию о взаимном расположении кромок свариваемых деталей.

Режимы работы СТЗ

Их, как правило, три — настройка, обучение, рабочий.

В процессе настройки осуществляется установка камеры, наведение объектива на объект, фокусировка, выбор порога бинаризации (в соответствии с принятым числом уровней градации) и пространственная калибровка. Вначале, управляя рядом параметров видеодатчика путем изменения фокусировки, пространственного положения камеры, раскрытия диафрагмы, чувствительности, смены объективов и др., формируют изображение сцены с заданными характеристиками. Управление параметрами датчика осуществляется по результатам обработки визуальной информации и состоит из следующих операций: поиск объектов в поле зрения, фокусировка и настройка по яркости и контрасту.

Процесс поиска объектов в большинстве СТЗ основан на условии размещения светлых объектов на темном фоне. Поле зрения разделяется на несколько последовательно просматриваемых зон, и определяется освещенность каждой зоны. Зона с наибольшей освещенностью считается местом нахождения объектов. Камера наводится на эту зону уже для детального обследования.

Фокусировка осуществляется перемещением объектива по оптической оси до достижения максимума резкости, оцениваемой по числу пересечений продифференцированным видеосигналом некоторого заранее заданного уровня. По положению объектива определяется расстояние до искомой детали объекта.

Подстройкой чувствительности камеры обеспечивается адаптация изображения по яркости.

Среди факторов, влияющих на точность зрительной системы, можно назвать следующие: дискретизация изображения, геометрические искажения камеры, выбор порога бинаризации, калибровка, погрешности алгоритмов обработки. Для уменьшения геометрических искажений камеры оптическая ось должна быть перпендикулярна рабочей плоскости. Линзы объектива не должны давать искажений, а изображение должно быть тщательно сфокусировано.

Работа СТЗ связана с необходимостью согласования систем координат камеры, робота и рабочей среды. Эта процедура выполняется во время калибровки системы. Вначале производится калибровка СТЗ и определяются масштабы и направления координатных осей поля зрения. После чего координатная система камеры «привязывается» к системе робота. Преобразование координат описывается в терминах переноса начала координат и центра вращения системы. В связи с тем, что СТЗ должна быть прокалибрована в тех же единицах, что и система робота, при калибровке используются позиционные датчики робота.

Необходимо отметить, что калибровка осуществляется с помощью специально разработанных программ на языке высокого уровня. Вначале определяются координаты объекта или элементов изображения. Затем осуществляется масштабирование и переход в координатную систему робота.

После калибровки СТЗ определяются соотношения, связывающие координаты поля зрения с координатами робота.

Данные соотношения (преобразования) ищутся в трехмерном пространстве.