Система дистанційного контролю геометричних параметрів об'єктів

Лазерний радар є закінченою високоточною контрольно-вимірювальною машиною, що дозволяє проводити автоматичне сканування поверхонь розташованих навколо вимірювальної головки приладу в радіусі до 60 метрів з об'ємною точністю до 0,1 мм (на максимальній дальності).

Вимірювальний блок радара складається з лазерного далекоміра, системи відхилення променя і сервоприводів з енкодерами. Система відхилення дозволяє направити промінь далекоміра на будь-яку точку простору навколо радара. Сумісне вимірювання дальності до точки з поточними значеннями кута місця і азимута променя дозволяють провести прив'язку точки до системи координат.

Рис. 2.3 - Зовнішній вигляд пристрою на базі лазерних радарів

В основі вживаного далекоміра лежить принцип вимірювання відстані по частотному зрушенню між випромінюючим і прийнятим частотно модульованим (200 ГГц) інфрачервоним лазерним сигналом.

Дане устаткування дозволяє проводити сканування в ручному і автоматизованому режимах (з контролем по вбудованій відеокамері і у відповідності наперед написаними процедурами) як окремих елементів (встановлених сфер, отворів, спеціальних марок), так і довільних елементів поверхонь з кроком, що призначається.

Основні властивості:

безконтактна система вимірювання: відсутність реперних крапок, відбивачів, щупів;

великий робочий діапазон до 60 м

можливість використання дзеркал для вимірювань на зворотному боці об'єктів;

можливість сканування із заданим кроком;

закінчена метрологічна система;

можливість об'єднання декількох радарів;

висока швидкість сканування: до 1000 точок/сек;

сумісність із стандартними CAD пакетами;

можливості автоматизації: вимірювання по наперед написаних скриптах і автоматичне створення звітів;

Ключові переваги:

висока точність;

можливість сканування нагрітих об'єктів (до 1500 градусів)

сканування великогабаритних об'єктів без додаткових пристосувань;

портативність;

мінімальний час підготовки до вимірювань.

Сфери застосування:

безперервний контроль під час збірки великогабаритних об'єктів (авіапромисловість, кораблебудування, будівництво);

контроль і реінженірінг суднових гвинтів;

контроль усадки поковок.

2.4 Оптичні системи контролю

Розглянемо випадок, коли проводиться контроль геометричних розмірів на площині, що розташовується перпендикулярно до оптичної осі телекамери (рис. 2.5).

Зображення, зафіксоване телекамерою, записується в пам'ять комп'ютера як двовимірний масив координат точок аналізованої поверхні в пікселях.

При визначенні відстані між точками на площині спочатку визначається масштаб m0 - кількість одиниць довжини, що доводяться на один піксель. Зображення, зафіксоване телекамерою, записується в пам'ять комп'ютера як двовимірний масив координат точок аналізованої поверхні в пікселях.

При визначенні відстані між точками на площині (рис. 2.5) спочатку визначається масштаб m0 - кількість одиниць довжини, що доводяться на один піксель. Розглянемо еталонний відрізок ab завдовжки A (мм), розташований на відстані L від оптичного центру об'єктиву.

Рис. 2.5 - Схема контролю геометричних розмірів на площині, що розташовується перпендикулярно до оптичної осі телекамери

На фотоматриці телекамери цьому відрізку відповідає відрізок a1b1 завдовжки B1, зміряний в пікселях. Масштаб визначається відношенням:

(2.1)

Якщо відрізок ab змістити на відстань E уздовж оптичної осі a1a, то згідно правилу подібності одержимо:

(2.2)

Поділивши ліві і праві частини одержаної рівності один на одного, одержимо:

(2.3)

З (2.3) витікає, що взаємозв'язок між масштабами при паралельному перенесенні об'єкту контролю на відстань визначається залежністю:

(2.4)

Для визначення геометричних розмірів аналізованої поверхні використовуються дифракційні грати (4, рис. 2.5), які представляють прозору пластину з нанесеними на ній темними смугами (рис. 2.6). Наприклад, грати, що мають розмір в плані 50 x 50 мм, відстань між лініями і їх ширину - 1 мм, при точності нанесення ліній 1 мкм дозволяє на відстані L = 1,5-2 м виконувати вимірювання з точністю 6 мкм.

Рис. 2.6 - Дифракційні грати

За допомогою дифракційних грат можна одержати повну (безперервну) інформацію про контрольовану поверхню, що потрапляє у поле зору фотоматриці. Точність вимірювання лімітується частотою смуг еталонних грат, які не повинні перевищувати п'яти пікселів фотоматриці, при цьому проміжні значення, що описують контрольовану поверхню, одержують аналітично.

2.5.2 Визначення меж зображення виробу на основі перепадів інтенсивності світла

Тепер, коли описана загальна схема, пов'язана з фіксацією зображення в телекамері і масштабуванням розмірів контрольованого виробу, розглянемо завдання визначення меж виробу по перепадах інтенсивності світла, що потрапляє на кожен піксель фотоматриці. Основною ознакою межі зображення є перепад інтенсивності освітлення в напрямі, перпендикулярному лінії, що визначає межу. Через наявність мікронерівностей на поверхні, а також дифракції світла, межа завжди буде розмита. Розподіл інтенсивності світла I(n) в напрямі, перпендикулярному межі в крапці n0 має вигляд, представлений на рисунку (рис.2.7, а). Пунктиром позначений перепад інтенсивності в ідеальному випадку.

Похідна по переміщенню n від інтенсивності світла I(n) на межі (у точці n0) апроксимується кривій Гауса (рис. 2.7, б), де A - константа, що характеризує максимальне значення перепаду інтенсивності відбитого світла.

Рис. 2.7 - Графік розподілу інтенсивності світла

Для отримання розподілу інтенсивності I(n), залежної від координат контрольованого виробу, необхідна кількість пікселів n помножити на масштаб m0. В цьому випадку матимемо розподіл інтенсивності світла, що потрапляє від контрольованого виробу, в координатах, представлених в системі координат фотоматриці телекамери. Слід зазначити, що дані координати змінюватимуться з дискретністю, рівною масштабу m0. Тому вимірювання відстаней в цьому випадку здійснюватиметься з погрішністю, рівною масштабу, що неприпустимо для контролю геометричних розмірів складних поверхонь.

Точність визначення меж може бути значно підвищена, якщо інтенсивність відбитого сигналу I(r) апроксимувати функцією, залежною від безперервних координат r. При цьому координати, відповідні максимальному значенню перепаду інтенсивності, визначаються диференціюванням безперервної функції I(r) з вищою точністю, чим в дискретному випадку.

Розглянемо рішення даної задачі для двовимірного випадку. Перепад інтенсивності на площині характеризується модулем градієнта функції I(x,y) від двох змінних x, у:

, (2.5)

де змінні x і у представляють лінійні величини в двох взаємно перпендикулярних напрямах і вимірювані в одиницях довжини.

Визначення координат межі здійснюється в наступній послідовності:

1. Сканується зображення контрольованого виробу. На основі цього будується матриця координат опорних точок поверхні і значень модуля градієнта функції інтенсивності в цих точках.

3. По одержаній матриці будуються безперервні функції розподілу вірогідності для модуля градієнтів інтенсивності світлового сигналу. Функції розподілу вірогідності будуються уздовж межі зображення виробу так, щоб здійснювався перетин з даною межею.

4. Визначаються значення координат, відповідних максимальному значенню функції розподілу. Дані координати і беруться за координати опорних точок межі.

5. Через опорні точки межі проводиться безперервна лінія, яка може бути апроксимована аналітичним виразом.

Сканування зображення здійснюється послідовним аналізом інтенсивності світлового випромінювання, що потрапляє на квадрат розмірами 2 x 2 пікселі (рис. 2.8).

Рис. 2.8 - Схема аналізу інтенсивності світлового випромінювання

Визначається модуль градієнта інтенсивності світлового випромінювання для квадрата з чотирьох пікселів і координати центру даного квадрата. Для цього апроксимуємо функцію інтенсивності I(x,y) в області розмірами 2 x 2 пікселі (рис. 2.8) многочленом другого ступеня від безрозмірних величин x і у

(2.6)

 (2.7)

- безрозмірні величини, визначувані поточними координатами центру (точка 0) - r0i[x0i, y0i] і обчислювані в системі координат фотоматриці (X,Y)M; xi=yi= - половина розміру пікселя в мм.

Представлення інтенсивності I(x,y) як функції від безрозмірних змінних дозволяє не враховувати масштаб при її перетворенні. Центри чотирьох вибраних пікселів (рис. 2.9) мають відносні безрозмірні координати: для першого пікселя

(-1,1), для другого (1,1), для третього (-1,-1) і для четвертого (1-1).

(2.8)

Значення часткових похідних першого порядку від I(x,y) по змінних (x,y) в центрі області 2х2 пікселя (точка 0) рівні коефіцієнтам b1 і b2 апроксимуючого полінома (2.6).

Для побудови полінома (2.6) потрібно визначити значення коефіцієнтів b0, b1, b2, b3 в межах даної області 2 x 2 пікселі. Представимо (2.6) системою з чотирьох рівнянь в матричній формі

, (2.9)

- матриця значень базисних функцій в точках вимірювання функції інтенсивності світла.

Базисні функції в поліномі (2.6):

вектор ;

- визначуваний вектор коефіцієнтів полінома;

- вектор значень інтенсивності світла в кожному пікселі.

При множенні (2.7) на матрицю M-1 одержимо:

(2.10)

Невідомі елементи вектора обчислюються з (2.10) через відомі значення інтенсивності Ii для кожного i-го пікселя

, , , (2.11)

Скануючи зображення, що сприймається всією поверхнею фотоматриці, квадратами 2 x 2 пікселі з кроком, рівним одному пікселю, можна визначити значення модуля градієнта функції I(x,y) для кожного квадрата:

(2.10)

Послідовне сканування зображення виробу дозволяє одержати матрицю координат і значення модуля градієнта інтенсивності відбитого світла для опорних точок контрольованої поверхні фотоматриці. Абсолютні значення координат центру квадратів 2 x 2 пікселі обчислюються по їх відомих безрозмірних значеннях:

, (2.11)

Другим етапом аналізу зображення є обробка одержаної матриці розподілу модуля градієнтів функції інтенсивності світла і побудова функції розподілу вірогідності для модулів градієнтів в областях, близьких до межі об'єкту. Функції розподілу вірогідності будуються при зміні безперервних координат так, щоб здійснювався їх перетин з визначуваною межею зображення об'єкту. Найчастіше розподіл вірогідності модуля градієнта функції інтенсивності I(x,y) будується у напрямі однієї з координат при постійному значенні іншої.

При аналізі функції розподілу вірогідності для модуля градієнта інтенсивності світла потрібно визначити математичне очікування координат, відповідних опорним точкам межі. Математичне очікування одній з координат межі обчислюється при постійному значенні іншої як сума творів даної координати в i-й точці на щільність розподілу інтенсивності в цій точці.

, , (2.12)

де при , при

px, py - щільність розподілу вірогідності модуля градієнта інтенсивності світла відповідно у напрямі осей X і Y фотоматриці; n і m - кількість точок відповідно у напрямі осі X і Y; Gi - значення модуля градієнта інтенсивності світла, що потрапляє на фотоматрицю телекамери в межах 2 x 2 пікселі.

Після визначення координат опорних точок межі через них проводиться безперервна крива, яка може бути апроксимована безперервними аналітичними функціями або поліномами.

3. ОГЛЯД ПРОГРАМНИХ ЗАСОБІВ ЗАХОПЛЕННЯ ТА ОБРОБКИ ВІДЕО-ПОТОКІВ

3.1 Технологія DirectShow та її призначення

Компанія Microsoft випустила Video for Windows 1.x в листопаді 1992 року для Windows 3.1 в оптимізованому вигляді для захоплення відео і збереження його на диск. З тих пір показники відеозахоплення дуже серйозно покращали завдяки використанню шини PCI, bus mastering controllers, NT striped sets, Fast/Wide SCSI і прямої передачі захопленого відео з пам'яті адаптера на диск без проміжного копіювання даних в пам'ять. Не дивлячись на характеристики захоплення, що перевищують зараз 20 мегабайт в секунду і велику кількість клієнтів для VfW, недоліки в архітектурі VfW з погляду необхідності підтримки відеоконференцій зажадали розробки нової технології відеозахоплення.

Архітектурі VfW бракує важливих властивостей з погляду відеоконференцій, телевізійного перегляду, захоплення відеополів і підтримки додаткових потоків даних таких, як VBI - vertical blanking interval - вертикальних інтервалів гасіння. Різноманітні виробники розширили VfW шляхом реалізації додаткових можливостей. Проте, без стандартизації інтерфейсів, додатки, використовуючі ці можливості, повинні включати апаратно-залежний код. Тісний зв'язок між драйверами захоплення VfW і драйверами дисплея означає те, що зміни, внесені драйвера захоплення, вимагають змін і для драйверів дисплея.

Додатково, інтерфейс VfW, AVICap не дуже добре працює з DirectShow, оскільки AVICap розподіляє буфера. Якщо до DirectShow мати доступ через AVICap, буфера повинні бути скопійовані в точці передачі, що дуже неефективно. Для інтеграції DVD, MPEG декодерів, відео-декодерів і тюнерів, розширень відеопортів (video port extensions - VPE) і аудіо-кодеров на одному адаптері, необхідна уніфікована драйверна модель, що підтримує всі ці пристрої і що управляє їх ресурсами.

DirectShow - це технологія, що дозволяє Windows-додаткам управляти широким спектром пристроїв аудіо/відео введення, що включає DV-камери, веб-камери, DVD-пристрої, карти TV-тюнерів. Воно підтримує також різні формати, від WAV і AVI до Windows Media. DirectShow, окрім цього, розширюване, воно дозволяє підтримувати пристрої третіх виробників, формати і компоненти обробки.

DirectShow пропонує як високорівневу модель додатку, що дозволяє швидко розробляти цифрові медіадодатки, так і низькорівневу класову модель, що дозволяє третім виробникам створювати власні компоненти аудіо і відео обробки.

Необхідно трохи сказати про еволюцію DirectShow. Вона почалася з підтримки в Windows 3.1, що надається моделлю відеозахоплення „Відео для Windows” (Video for Windows -VfW). VfW була прогресивною технологією для свого часу, але мала серйозні обмеження. Одним з них було те, що менеджер відеокомпресії (Video Compression Manager - VCM) не був розроблений для управління кодеками, які б передавали відеофрейми в різному порядку під час стиснення. Таким чином, було скрутно писати MPEG-кодеки, що базуються на VCM.

Windows також надавав просту підтримку аудіо і відео програвання через набір команд MCI - Media Control Interface, який використовувався драйверами mciavi. Хоча інфраструктура MCI допускала MPEG-декодери, вона ніколи не була повністю портирована на 32-бітную архітектуру, і не базувалася на COM. Для зняття цих обмежень Microsoft почала проект, відомий під назвою Quartz, в якій була закладена підтримка програвання MPEG-1 для Windows.

У той час виникала безліч нових пристроїв, таких, як цифрові відеокамери, нові медіаформати, такі, як MPEG-2 або DVD, і нові технології, такі, як відеоконференції. Ставала зрозумілою необхідність нової оболонки, що дозволяє примусити працювати разом ці нові технології максимально ефективно не тільки кожен сам по собі, але і під єдиним керівництвом. Ця оболонка повинна була бути розширюваною, щоб треті виробники могли здійснювати підтримку своїх спеціальних апаратних засобів, нестандартних форматів і процесів програмної обробки. Ця оболонка повинна була б максимально спростити розробку програм, надати можливість низькорівневого управління потоковими операціями і модифікувати необхідні аудіо і відео дані.

Для відповідності цим численним вимогам група розробників проекту Quartz почала з існуючого проекту Clockwork. Clockwork був модульною оболонкою, в якій спільно працювали напівнезалежні компоненти, слідуючи розпорядженням набору правил, для обробки медіапотоків. Група розробників Quartz'а адаптувала цю модель для роботи з Windows і забезпечила підтримку пристроїв третіх виробників. Результатом стала потокова архітектура, що базується на основі COM, яка через шість років стала базисом сотень додатків під Windows.

Ця архітектура спочатку називалася ActiveMovie і вперше з'явилася в 1995 році з DirectX SDK. У 1996 році ActiveMovie була перейменована в DirectShow. У 1998 році, разом з DirectX Media 6.1, була додана підтримка для DVD і додатків аналогового телебачення. У 2000 році DirectShow стала частиною DirectX SDK у складі DirectX 8.0, і додатково стала підтримувати Windows Media Format, DirectShow Editing Services і API-відеоредагування.

3.2 Застосування фільтрів