НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ПОДЧАШИНСЬКИЙ Юрій Олександрович

УДК 531.7:004.932

МЕТОДИ І ЗАСОБИ ВІДЕОВИМІРЮВАНЬ

ЛІНІЙНИХ І КУТОВИХ ПЕРЕМІЩЕНЬ

Спеціальність 05.11.01 – Прилади та методи вимірювання механічних величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському інженерно-технологічному інституті Міністерства освіти і науки України на кафедрі автоматики і управління в технічних системах

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

ГНІЛІЦЬКИЙ Віталій Васильович,

Житомирський інженерно – технологічний інститут, завідувач кафедри автоматики і управління в технічних системах

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

КАРАЧУН Володимир Володимирович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри біотехніки та інженерії

доктор технічних наук

ЧІКОВАНІ Валерій Валер'янович,

Державне науково-дослідне підприємство “Український технологічний центр оптичного приладобудування”, заступник директора з наукової роботи

Провідна установа: Національний науковий центр “Інститут метрології” (Харківський науково-дослідний інститут метрології НВО “Метрологія”) Державного комітету України по стандартизації, метрології та сертифікації, відділ геометричних величин

Захист відбудеться “01” листопада 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .002.07 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 1, ауд.163.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “26” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Рижков Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При експериментальному дослідженні процесів механічної деформації актуальною задачею є вимірювання і реєстрація лінійних розмірів зразка матеріалу, що змінюються в процесі деформації, а також визначення лінійних і кутових переміщень окремих ділянок зразка. Результати цих вимірювань, отримані в процесі випробування конструкційних матеріалів на розтяг, використовуються для визначення міцності матеріалів.

Процес деформації і руйнування зразка матеріалу має швидкоплинний характер. Тому використання звичайних вимірювальних інструментів для визначення розміру зразка в процесі деформації неможливо за умовами проведення експерименту. Одним із ефективних методів вимірювань є алгоритмічна обробка сигналів, які містять інформацію про об'єкт вимірювань. Пропонується для визначення лінійних і кутових переміщень окремих ділянок зразка перетворювати візуальну інформацію про переміщення у відеозображення і виконувати алгоритмічну обробку отриманих відеозображень. Далі такий метод вимірювань будемо називати відеовимірюваннями лінійних і кутових переміщень об'єктів, або просто відеовимірюваннями. В даному випадку, переміщення об'єктів – це є переміщення ділянок поверхні зразка матеріалу, що деформується.

При дослідженні розвитку механічної деформації в часі необхідно сформувати послідовність відеозображень з високою частотою кадрів, що використовуються для відеовимірювань. Це призводить до необхідності реєстрації в реальному масштабі часу дуже великого об'єму цифрової відеоінформації, що неможливо навіть для сучасних апаратних засобів. Тому актуальними задачами є: ущільнення відеоінформації, тобто зменшення кількості цифрових даних, що відповідають кожному відеозображенню; оцінка впливу такого ущільнення на точність вимірювання лінійних і кутових переміщень об'єктів.

Результати вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів містять певні похибки. Ці похибки залежать від методів і засобів, що використовуються для введення в комп'ютер, ущільнення і алгоритмічної обробки відеоінформації про переміщення. Більшість існуючих методів перетворення і обробки відеозображень орієнтовані на досягнення певного рівня візуальної якості зображення при його сприйманні людиною. При визначенні лінійних і кутових переміщень об'єктів потрібно проводити геометричні вимірювання на відеозображеннях за допомогою комп'ютерних засобів обробки відеоінформації. Тому виникає задача дослідити методи і засоби відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. В ході досліджень необхідно розробити математичну модель перетворення відеоінформації в процесі вимірювань і методи розрахунку похибок вимірювань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Науково-дослідна робота проводилася протягом 1997 – 2002 років відповідно до наукового напрямку кафедри автоматики і управління в технічних системах Житомирського інженерно-технологічного інституту і пов'язана з науково-дослідними темами:

- госпдоговірна тема “Розробка методики і проведення прискорених випробувань зразків панелі батареї фотоелектричної на термоциклічне навантаження” (номер державної реєстрації 0198U001029);

- госпдоговірна тема “Випробування на малоциклову втому ротора одновального стаціонарного компресора” (номер державної реєстрації 0197U001855).

Основою для роботи також є договір про співпрацю між Житомирським інженерно-технологічним інститутом і ВАТ “Електровимірювач” (м. Житомир).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розширення функціональних можливостей і підвищення точності засобів вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів на основі перетворення візуальної інформації про переміщення у відеозображення і алгоритмічної обробки цих відеозображень.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та розв'язані такі основні задачі:

1. Визначення завдань по контролю і спостереженню за процесами механічних деформацій, що потребують вимірювання лінійних і кутових переміщень об'єктів. Пошук перспективних напрямків досліджень.

2. Розробка математичної моделі перетворення відеоінформації в процесі вимірювань. Визначення похибок і викривлень, що мають вплив на точність вимірювань.

3. Аналіз особливостей відеовимірювань розвитку механічної деформації в часі для зразків конструкційних матеріалів. Оцінка впливу ущільнення відеозображень процесу деформації на точність вимірювань. Розробка відповідних математичних моделей.

4. Експериментальне дослідження похибок вимірювань. Визначення ступеня впливу окремих складових частин похибок на точність вимірювань, визначення заходів по зменшенню похибки вимірювань, в тому числі на ущільнених відеозображеннях.

5. Створення автоматизованої системи для відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів, яка має підвищену точність і розширені функціональні можливості у порівнянні з існуючими засобами вимірювань. Розрахунок точнісних характеристик даної системи.

Об'єктом дослідження є лінійні і кутові переміщення ділянок поверхні зразків конструкційних матеріалів в процесі їх механічної деформації.

Предметом дослідження є методи вимірювання лінійних і кутових переміщень ділянок поверхні зразків, основані на перетворенні візуальної інформації про переміщення у відеозображення з наступною їх алгоритмічною обробкою.

Методи досліджень. Для досягнення поставленої мети в роботі використано такі методи досліджень:– 

порівняльний аналіз існуючих пристроїв формування відеозображень процесів деформації, а також існуючих методів алгоритмічної обробки цих відеозображень (розділ 1);– 

методи теорії вимірювань і теорії випадкових процесів для визначення похибок відеовимірювань (розділ 2);– 

ймовірнісний метод оцінки похибок цифрового фільтра для дослідження відеовимірювань на ущільнених відеозображеннях (розділ 3);– 

методи статистичної обробки результатів вимірювань при експериментальному дослідженні відеовимірювань (розділ 4).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Створено новий метод вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів при дослідженні процесів механічної деформації. Цей метод базується на перетворенні візуальної інформації про переміщення у відеозображення з наступною їх алгоритмічною обробкою.

2. Дістали подальший розвиток математичні моделі похибок і викривлень, що виникають під час формування відеозображень і їх перетворення в цифрову форму.

3. Запропоновано ущільнювати відеозображення при проведенні відеовимірювань, що дозволяє більш якісно досліджувати розвиток механічної деформації в часі.

4. Вперше отримано математичну модель, яка дозволяє визначити точність результатів відеовимірювань в залежності від параметрів JPEG-алгоритму ущільнення відеозображень.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено методику проектування засобів відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Отримано формули для розрахунку точнісних характеристик результатів відеовимірювань.

2. Проведено експериментальну оцінку ефективності заходів по зменшенню похибок відеовимірювань за рахунок фільтрації шумів в процесі ущільнення відеозображень.

3. Розроблено автоматизовану систему для відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Ця система застосовується для дослідження пластичної деформації зразків конструкційних матеріалів. Дані, отримані в результаті відеовимірювань, можуть бути використані для визначення механічних характеристик конструкційних матеріалів.

4. Відеовимірювання використовуються для визначення кутів відхилення стрілки при розмітці шкал стрілочних вимірювальних приладів. Це дозволяє автоматизувати один із етапів процесу виготовлення вимірювальних приладів.

5. Наукові та практичні здобутки дисертації впроваджені у ВАТ “ВерстатУніверсалМаш” (м. Житомир) і у ВАТ “Електровимірювач” (м. Житомир), що підтверджено відповідними актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача в наукових працях, написаних в співавторстві: [1, 8] – розробка методів і алгоритмів визначення геометричних розмірів зразка матеріалу, що деформується, [9, 11] – розробка автоматизованої системи для відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів, розрахунок на основі математичних моделей і експериментальна перевірка похибок вимірювань, [10] – методика накопичення і обробки відеозображень, розрахунок точнісних характеристик відеовимірювань при дослідженні пластичної деформації зразків конструкційних матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на IV Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1997); Міжнародній науковій конференції “Механіка 2000“ (Жешув, Польща, 2000);

8-му і 9-му міжнародних семінарах-виставках “Сучасні методи і засоби неруйнівного контролю і технічної діагностики” (Ялта – Київ, 2000, 2001), V Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі” (Житомир, 2001).

Публікації. З теми дисертації надруковано 12 наукових праць, із них 7 – у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 5 – у матеріалах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (139 бібліографічних посилань, 12 сторінок) і 4 додатків (20 сторінок). Обсяг дисертації, в якому викладено її основний зміст, складає 127 сторінок і містить 35 рисунків, 2 таблиці. Повний обсяг дисертації складає 174 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована її мета, наведено основні наукові та практичні результати, які отримані в дисертації. Показано структуру та обсяг дисертації.

В першому розділі визначено задачі по дослідженню процесів механічної деформації, що потребують вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Існуючі методи і засоби розв'язання цих задач не враховують можливості сучасних комп'ютерних технологій обробки вимірювальної інформації, мають недостатню точність вимірювань і обмежені функціональні можливості, в тому числі по дослідженню розвитку деформації в часі, по обробці і збереженню результатів вимірювань.

Пропонується вимірювання лінійних і кутових переміщень об'єктів виконувати шляхом введення в комп'ютер і алгоритмічної обробки візуальної інформації про ці переміщення, тобто виконувати відеовимірювання (рис. ). Визначено, що для відеовимірювань можна використовувати стандартні апаратні засоби формування відеозображень (відеокамера, цифрова відеокамера або цифровий фотоапарат). В поєднанні із відповідними алгоритмами обробки відеозображень це дозволить розширити функціональні можливості і підвищити точність вимірювань. Розглянуто існуючі математичні моделі похибок і викривлень, що виникають в процесі відеовимірювань, визначено необхідність їх удосконалення для оцінки точності результатів відеовимірювань.

Для дослідження розвитку механічної деформації в часі пропонується використовувати ущільнення відеозображень в ході відеовимірювань. Таке ущільнення дозволяє зменшити об'єм цифрової відеоінформації до рівня, який можливо реєструвати і обробляти за допомогою апаратних засобів. Визначено, що найбільш доцільно в даному випадку використовувати JPEG-алгоритм ущільнення. Даний алгоритм забезпечує ущільнення в декілька десятків разів без суттєвих викривлень відеозображень і реалізований в багатьох ПФВЗ і ПВВЗ. Існуючі методи визначення похибок на ущільнених відеозображеннях орієнтовані на оцінку візуальної якості відеозображення при його спостеріганні людиною і не придатні для визначення точності відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Тому необхідно розробити математичну модель, яка дозволить оцінити вплив ущільнення на точність відеовимірювань.

В другому розділі розглянуто перетворення відеоінформації в процесі відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів, розроблено математичну модель такого перетворення. Ця модель є основою для підвищення точності і розширення функціональних можливостей вимірювань у порівнянні із існуючими засобами.

Відеовимірювання лінійних і кутових переміщень об'єктів складаються із послідовності операцій по перетворенню і обробці відеоінформації про процеси механічної деформації:– 

формування відеозображень об'єктів, переміщення яких потрібно визначити;– 

перетворення цих відеозображень в форму, зручну для алгоритмічної обробки, тобто отримання цифрових відеозображень шляхом аналого-цифрового перетворення відеосигналу від пристроїв формування відеозображень;– 

алгоритмічна обробка послідовності цифрових відеозображень з метою визначення лінійних і кутових переміщень об'єктів.

Запропоновано метод визначення координат контурних точок об'єктів на відеозображеннях процесів механічної деформації (рис. 2). В цьому методі використовується порівняння яскравостей точок в рядку відеозображення з пороговим значенням, яке вважається межею між об'єктом і фоном. Поріг визначається як середина висоти перепаду яскравості:

,

де Yоб і Yф – яскравість об'єкта і фону на відеозображенні.

Рис. 2. Відеозображення процесу механічної деформації, що використовується для відеовимірювань

Визначення яскравостей об'єкта і фону виконується шляхом статистичної обробки значень яскравості в деякому околі контура об'єкта для послідовності рядків відеозображення.

Перетворення відеоінформації в процесі вимірювань супроводжується виникненням похибок, які суттєво впливають на точність вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Це такі похибки:– 

похибка, пов'язана із шумом, що виникає в пристрої формування відеозображень;– 

похибка, що викликана геометричними викривленнями в оптичній системі пристрою формування відеозображень;– 

похибка дискретності відеоінформації, що виникає в напівпровідниковому перетворювачі “світло-сигнал”;– 

похибка, що викликана викривленнями форми відеосигналу через обмеження його смуги частот в електронних схемах;– 

похибка квантування по рівню відеосигналу при перетворенні відеозображень в цифрову форму;– 

похибка дискретності, що виникає при перетворенні відеозображень в цифрову форму;– 

похибка алгоритмічних обчислень лінійних і кутових переміщень об'єкта на основі послідовності цифрових відеозображень.

Основною похибкою відеовимірювань, яка не може бути скомпенсована, є похибка, пов'язана із дискретністю цифрового відеозображення. Вона дорівнює ± dд/2, тобто половині відстані між сусідніми дискретними точками цифрового відеозображення. Ця похибка визначає максимально можливу точність відеовимірювань за умови, що інші похибки зменшені або скомпенсовані до незначного рівня.

Похибки відеовимірювань, що пов'язані із шумом в пристрої формування відеозображень, визначаються на основі співвідношення сигнал-шум. Співвідношення сигнал-шум Y відомо для сигналу яскравості на виході конкретного ПФВЗ. Середньоквадратичне значення напруги шуму

,

де Ymax – максимально можливе значення яскравості, звичайно Ymax = 255 дискретних рівнів.

Максимальне значення напруги шуму з нормальним законом розподілу

,

де Ka – коефіцієнт амплітуди.

На основі дослідження процесу проходження шуму через електронні схеми з обмеженою смугою частот отримано вираз для кореляційної функції і коефіцієнту кореляції шуму на відеозображеннях процесів механічної деформації:

,

,

де fв – верхня межа смуги частот відеосигналу.

Інтервал кореляції шуму .

Для відеозображень процесів механічної деформації шум можна вважати стаціонарним і ергодичним випадковим процесом з нормальним законом розподілу, статистично незалежним від відеосигналу. Після оцифровки відеозображень він перетворюється на дискретний “білий” шум. Для зменшення цієї похибки доцільно виконувати фільтрацію шуму шляхом алгоритмічної обробки відеозображень.

Похибка квантування відеосигналу по рівню для співвідношення сигнал-шум 40 – 55 дБ (типове значення для пристроїв формування відеозображень) має рівномірний розподіл в інтервалі ± dкв/2, де dкв – крок квантування відеосигналу по рівню. Поточні значення похибки некорельовані між собою і практично некорельовані із відеосигналом. Для зменшення цієї похибки необхідно при перетворенні відеозображень в цифрову форму використовувати аналого-цифровий перетворювач з достатньою кількістю розрядів цифрового коду (не менше 8).

Геометричні викривлення в оптичній системі і викривлення форми відеосигналу через обмеження його смуги частот призводять до виникнення систематичної складової частини похибки вимірювань, яка може бути скомпенсована шляхом алгоритмічної обробки відеозображень.

На основі дослідження складових частин похибок відеовимірювань визначено заходи по їх зменшенню і компенсації, що дозволить суттєво підвищити точність вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів.

В третьому розділі розглянуто особливості відеовимірювань розвитку деформації в часі. Такі відеовимірювання вимагають отримання послідовності відеозображень з високою частотою кадрів. Це призводить до необхідності реєстрації в реальному масштабі часу дуже великого об'єму цифрової відеоінформації, що неможливо навіть для сучасних апаратних засобів. Для вирішення цієї проблеми запропоновано ущільнювати відеозображення за JPEG-алгоритмом, тобто зменшувати кількість цифрових даних, що відповідають кожному відеозображенню. Таке зменшення виконується за рахунок вилучення тієї частини даних, що несуттєва для забезпечення точності результатів відеовимірювань. JPEG-алгоритм досліджено на основі теорії цифрової обробки сигналів і створено математичну модель, яка дозволяє визначити вплив ущільнення на точність відеовимірювань в залежності від параметрів алгоритму ущільнення.

При ущільненні за JPEG-алгоритмом відеозображень процесів механічної деформації виникають похибки, що мають вплив на точність відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів:– 

трансформована похибка, обумовлена перетворенням похибок, що мають місце на початковому неущільненому відеозображенні;– 

похибка квантування, що виникає в результаті квантування частотних коефіцієнтів в спектрі відеозображення в процесі ущільнення;– 

похибка, що пов'язана із викривленнями відеозображення в результаті вилучення верхніх частот із спектра цього відеозображення в процесі ущільнення;– 

похибка виконання обчислень за даним алгоритмом з обмеженою розрядністю даних.

Розрахунок трансформованої похибки виконано, виходячи з того, що шум на початковому неущільненому відеозображенні є некорельований стаціонарний випадковий процес з нульовим середнім значенням, некорельований з корисним відеосигналом. Це відповідає дійсності для відеозображень, що досліджуються. Дисперсія трансформованої похибки на ущільнених відеозображеннях обчислюється за формулою:

,

де sвх2 – дисперсія шуму, що має місце на початковому неущільненому відеозображенні,

A(w) – амплітудно-частотна характеристика JPEG-алгоритму як цифрового фільтра нижніх частот (рис. 3),

M – номер (рахуючи з 0) останнього частотного коефіцієнту (в першому рядку матриці частотних коефіцієнтів), що залишається в спектрі зображення при ущільненні за JPEG-алгоритмом,

N – розмірність дискретного косинусного перетворення (ДКП), яке використовується для отримання спектра відеозображення (для JPEG-алгоритму N = 8).

Рис. 3. Амплітудно-частотна характеристика JPEG-алгоритму

З урахуванням того, що в процесі формування і перетворення відеозображень має місце обмеження смуги частот відеосигналу, дисперсія трансформованої похибки

де N' – номер частотного коефіцієнту, що відповідає максимально можливій частоті відеосигналу (N'N).

Обираючи M < N' або M < N, можна знизити рівень шумів на відеозображенні і в результаті зменшити похибки відеовимірювань.

Вилучення верхніх частот із спектра відеозображення виникає в результаті ущільнення за JPEG-алгоритмом. На основі властивостей ДКП і JPEG-алгоритму можна вважати, що початковий відеосигнал яскравості Y(x) в рядку відеозображення замінюється частковою сумою ряду Фур'є:

,

де x – горизонтальна координата в рядку відеозображення,

a0, ai – коефіцієнти ряду Фур'є,

, .

Величина похибки відеовимірювань дорівнює різниці між значенням координати після вилучення верхніх частот x*k і точним значенням координати xk, тобто: x*k - xk. Значення x*k можна знайти із рівняння:

.

Оскільки аналітичне розв'язання даного рівняння для сигналів, що утворюють перепади яскравості на відеозображеннях, досить ускладнено, було проведене програмне моделювання даного типу похибок. В результаті зроблено висновок про те, що для перепадів яскравості на відеозображеннях процесів механічної деформації виключення 4 верхніх частотних коефіцієнтів із 8 не приводить до суттєвих похибок. Це дозволяє досягти значного ущільнення даного типу відеозображень без суттєвого збільшення похибки відеовимірювань.

В загальному випадку квантування частотних коефіцієнтів в спектрі відеозображення – це є нелінійне перетворення зображення, що виконується шляхом цілочисельного ділення частотних коефіцієнтів F(u, v) на коефіцієнти Q(u, v) із таблиці квантування. Похибку квантування частотних коефіцієнтів будемо розглядати як адитивний шум, що додається до зображення, відновленого після ущільнення. При такому підході JPEG-алгоритм можна вважати лінійним цифровим фільтром. В результаті отримано вираз для оцінки згори максимальної амплітуди шуму квантування частотних коефіцієнтів:

,

Визначення M виконується на основі порівняння максимальних значень частотних коефіцієнтів для відеозображень, що досліджуються, і коефіцієнтів таблиці квантування. Якщо

F(u, 0) < Q(u, 0) / 2 , то M = u – 1.

Ступінь ущільнення відеозображень і точність відеовимірювань в значній мірі залежать від таблиці квантування частотних коефіцієнтів. Пропонується при дослідженні розвитку деформації в часі використовувати таку таблицю квантування:

де Qmax – максимальне значення елементу таблиці, ,

nT – кількість двійкових розрядів для зберігання елементу таблиці.

Дана таблиця квантування при M = 3 … 5 забезпечує зменшення похибки відеовимірювань за рахунок зниження рівня шумів на відеозображеннях і незначної величини похибки, пов'язаної із квантуванням і вилученням частотних коефіцієнтів.

Таким чином, ущільнення за JPEG-алгоритмом відеозображень процесів механічної деформації забезпечує вирішення двох задач, суттєвих для відеовимірювань:– 

ущільнення відеозображень в декілька десятків разів, що робить можливим реєстрацію і відеовимірювання розвитку деформації в часі, тобто досягається розширення функціональних можливостей засобів вимірювань;– 

підвищення точності вимірювань за рахунок фільтрації шумів, що виникли в процесі формування відеозображень.

В четвертому розділі виконано експериментальні дослідження і розглянуто практичне використання відеовимірювань. Для цього визначено послідовність введення в комп'ютер, накопичення і алгоритмічної обробки відеоінформації з метою відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Розроблено методику розрахунку точнісних характеристик результатів відеовимірювань при дослідженні процесів механічної деформації. Дана методика використовує математичні моделі перетворення відеоінформації, розроблені в другому і третьому розділах. Початковими даними для розрахунку є технічні характеристики апаратних засобів і параметри методів алгоритмічної обробки відеозображень, в тому числі – параметри алгоритму ущільнення відеозображень. На основі даної методики визначено склад і характеристики апаратних засобів, що забезпечують потрібні функціональні можливості і точність відеовимірювань.

Виконано експериментальні дослідження похибок відеовимірювань (рис. 4). Результати цих досліджень підтверджують вірогідність розроблених математичних моделей перетворення відеоінформації в процесі відеовимірювань. Розбіжність результатів розрахунку за розробленою методикою на основі математичних моделей і результатів експериментальних досліджень для неущільнених відеозображень складає 12 % для максимального значення похибки і 20 % для середньоквадратичного значення.

Вплив ущільнення відеозображень за JPEG-алгоритмом на точність відеовимірювань є неоднозначним: низькочастотна фільтрація зменшує рівень шумів і похибку вимірювань; квантування частотних коефіцієнтів в спектрі, вилучення верхніх частот із спектра зображення і велика кількість обчислювальних операцій збільшують похибку вимірювань. Ущільнення відеозображень за JPEG-алгоритмом з стандартними параметрами збільшило похибку на 30 % у порівнянні із неущільненими відеозображеннями при коефіцієнті ущільнення 1:35. Похибка зменшилась за рахунок фільтрації шумів на 5у порівнянні із неущільненими відеозображеннями при використанні параметрів JPEG-алгоритму, визначених в результаті досліджень.

а) похибка визначення координат точок б) похибка визначення відстані

в) ступінь ущільнення відеозображень г) похибка визначення відстані при використанні розроблених параметрів JPEG-алгоритму

Рис. 4. Результати експериментального дослідження похибок відеовимірювань: НВ – неущільнене відеозображення

На основі отриманих результатів розроблено автоматизовану систему для дослідження пластичної деформації зразків конструкційних матеріалів. Система має розширені функціональні можливості і підвищену точність вимірювань у порівнянні із існуючими засобами дослідження розвитку пластичної деформації в часі. Система забезпечує: реєстрацію і зберігання візуальної інформації про процес деформації; визначення переміщень ділянок поверхні зразка; визначення лінійних розмірів зразка, що змінюються в процесі деформації (рис. 5). Похибка визначення лінійних розмірів зразка дорівнює ± (0,10 – 0,05) мм. Система використовується для визначення механічних характеристик конструкційних матеріалів.

а) результати вимірювання профілю зразка, що деформується б) результати вимірювання мінімальної ширини зразка (зміна в процесі деформації)

Рис. 5. Дослідження розвитку пластичної деформації в часі

Відеовимірювання використовуються для розмітки шкал стрілочних вимірювальних приладів (рис. 6). Похибка визначення кутів відхилення стрілки в контрольних точках шкали при фіксованих значеннях струму дорівнює 0,10°, що є достатнім для приладів класу точності 1,5; 1,0; 0,5. Така система забезпечує автоматизацію одного із етапів виробництва вимірювальних приладів.

а) відеозображення, на якому вимірюються кутові переміщення стрілки б) зображення шкал, отримане в автоматизованій системі

Рис. 6. Розмітка шкал стрілочних вимірювальних приладів

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволили розширити функціональні можливості і підвищити точність засобів вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів при дослідженні процесів механічної деформації. Головні результати і висновки по роботі в цілому є такими:

1. Створено новий метод вимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів при дослідженні процесів механічної деформації. Цей метод відеовимірювань базується на перетворенні візуальної інформації про переміщення у відеозображення з наступною їх алгоритмічною обробкою.

2. Дослідження розвитку деформації в часі вимагає реєстрації і обробки великого об'єму цифрової відеоінформації, що неможливо навіть для сучасних апаратних засобів. Тому необхідно ущільнювати відеозображення процесів деформації за JPEG-алгоритмом. Цей алгоритм забезпечує:– 

ущільнення відеозображень в декілька десятків разів, що робить можливим відеовимірювання розмірів і переміщень об'єктів в процесі розвитку деформації, тобто розширюються функціональні можливості засобів вимірювань;– 

підвищення точності вимірювань у порівнянні із неущільненими відеозображеннями за рахунок фільтрації шумів, що виникли в процесі формування відеозображень.

3. Розроблено математичну модель перетворення відеоінформації в процесі відеовимірювань, в тому числі для ущільнених відеозображень. На основі цієї моделі отримано формули для розрахунку точності результатів відеовимірювань.

4. Експериментально підтверджено ефективність заходів по зменшенню похибок відеовимірювань за рахунок фільтрації шумів. Похибка відеовимірювань на ущільнених відеозображеннях зменшилась на (5 – )у порівнянні із неущільненими відеозображеннями при ущільненні за JPEG-алгоритмом з параметрами, визначеними в результаті досліджень.

5. Створено автоматизовану систему для відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів. Ця система має розширені функціональні можливості і підвищену точність вимірювань у порівнянні із іншими засобами вимірювань. Автоматизована система знайшла практичне застосування при дослідження пластичної деформації зразків конструкційних матеріалів і при розмітці шкал стрілочних вимірювальних приладів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Грабар І.Г., Колодницька Р.В., Подчашинський Ю.О. Комп'ютеризована технологія дослідження кінетики пружно-пластичного деформування та руйнування твердих тіл // Вісник ЖІТІ, 1998. – № 7. – С. 181 – 184.

2. Подчашинський Ю.O. Дослідження процесу введення відеозображень від зовнішнього джерела у персональний комп'ютер // Вісник ЖІТІ, 1999. – № 10. – С. 151 – 155.

3. Подчашинський Ю.O. Похибки визначення лінійних розмірів елементів зображення в програмно-апаратном комплексі автоматизованої обробки відеоінформації // Вісник ЖІТІ, 1999. – № 11. – С. 179 – 187.

4. Подчашинський Ю.О. Теоретичний розрахунок та експериментальне дослідження похибок визначення координат і лінійних розмірів елементів відеозображення // Вісник ЖІТІ. – 2000. – № 13. – С. 136 – 142.

5. Подчашинський Ю.О. Метод розрахунку похибок геометричних вимірювань на цифрових зображеннях // Вісник ЖІТІ. – 2000. – № 14. – С. 166 – 174.

6. Подчашинський Ю.О. Метод розрахунку похибок геометричних вимірювань при стисненні цифрових зображень // Вісник ЖІТІ. – 2000. – № 15. – С. 125 – 132.

7. Подчашинський Ю.О. Похибки квантування і дискретизації при геометричних вимірюваннях на цифрових відеозображеннях // Вісник ЖІТІ. – 2001. – № 16. – С. 148 – 153.

8. Колодницька Р.В., Подчашинський Ю.O. Автоматизована система контролю кінетики пружно-пластичного деформування твердих тіл // Матеріали IV Міжнародної науково-технічної конференції. “Контроль і управління в технічних системах”. – Вінниця. – 1997. – С. 59 – 61.

9. Гнилицкий В.В., Подчашинский Ю.А. Программно-аппаратный комплекс автоматизированной обработки визуальной информации о пластической деформации твердых тел // Материалы 8-го международного семинара-выставки “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики”. – Ялта – Киев, 2000. – С. 12 – 13.

10. Grabar I., Kolodnitska R., Podchashinsky Yu. Нardware-software complex for research of kinetics of elastic – plastic deformations and destructions of rigid bodies // Proceedings of the International Scientific Conference "Mechanics 2000". – Rzeszow (Poland). – 2000. – Р. 103 – 108.

11. Гнилицкий В.В., Подчашинский Ю.А. Компьютерная автоматизированная система для разметки шкал измерительных приборов // Материалы 9-го международного семинара-выставки “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики”. – Ялта – Киев, 2001. – С. 33.

12. Подчашинський Ю.O. Визначення точнісних характеристик геометричних вимірювань на цифрових відеозображеннях // Матеріали V Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”. – Житомир. – 2001. – С. 15 – 16.

АНОТАЦІЯ

Подчашинський Ю.О. Методи і засоби відеовимірювань лінійних і кутових переміщень. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю

05.11.01 – Прилади та методи вимірювання механічних величин. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2002.

В дисертації виконано дослідження методів і засобів відеовимірювань лінійних і кутових переміщень об'єктів в процесі їх механічної деформації. Ці дослідження спрямовані на розширення функціональних можливостей і підвищення точності вимірювань на основі введення в комп'ютер і алгоритмічної обробки відеозображень процесів механічної деформації. Розроблено математичну модель перетворення відеоінформації в процесі вимірювань, визначено заходи по зменшенню і компенсації похибок відеовимірювань.

Досліджено особливості відеовимірювань розвитку механічної деформації в часі на основі ущільнення цифрової відеоінформації за JPEG-алгоритмом, створено математичну модель похибок відеовимірювань на ущільнених відеозображеннях. Визначено параметри алгоритму ущільнення, які дозволяють зменшити за рахунок фільтрації шумів похибку відеовимірювань. Виконано експериментальні дослідження, які підтверджують отримані теоретичні результати.

Створено автоматизовану систему для відеовимірювань, яка використовується для дослідження пластичної деформації зразків конструкційних матеріалів і для розмітки шкал стрілочних вимірювальних приладів.

Ключові слова: геометричні вимірювання, відеозображення, алгоритмічна обробка сигналів, ущільнення відеозображень, JPEG-алгоритм.

АННОТАЦИЯ

Подчашинский Ю.А. Методы и средства видеоизмерений линейных и угловых перемещений. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 – Приборы и методы измерения механических величин. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2002.

В диссертации выполнены исследования методов и средств видеоизмерений линейных и угловых перемещений объектов в процессе их механической деформации. Эти исследования направлены на расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений на основе ввода в компьютер и алгоритмической обработки видеоизображений процессов механической деформации. Разработана математическая модель преобразования видеоинформации в процессе измерений, определены меры по уменьшению и компенсации погрешностей видеоизмерений.

Рассмотрены особенности видеоизмерений развития механической деформации во времени. Такие видеоизмерения требуют получения последовательности видеоизображений с высокой частотой кадров. Это приводит к необходимости регистрации в реальном масштабе времени очень большого объема цифровой видеоинформации, что невозможно даже для современных аппаратных средств. Для решения этой проблемы предложено использовать сжатие видеоизображений на основе JPEG-алгоритма. Данный алгоритм исследован на основе теории цифровой обработки сигналов и создана математическая модель, которая позволяет определить влияние сжатия на точность видеоизмерений. С помощью этой модели определены параметры алгоритма сжатия, которые целесообразно использовать при видеоизмерениях линейных и угловых перемещений объектов.

Разработана методика проектирования средств видеоизмерений линейных и угловых перемещений объектов. Для исследования процессов механической деформации используются стандартные аппаратные средства формирования видеоизображений и их ввода в компьютер, а расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений обеспечивается на основе алгоритмической обработки измерительной видеоинформации.

Получены формулы для расчета точности результатов видеоизмерений. Эти формулы основаны на том, что для видеоизмерений используется сравнение яркостей точек в строке видеоизображения с пороговым значением. Порог яркости определяется как среднее арифметическое значение яркостей объекта и фона, а эти яркости определяются путем статистической обработки яркостей точек в некоторой окрестности контура объекта для последовательности строк видеоизображения. Влияние шума, возникающего в устройстве формирования видеоизображений, оценивается на основе отношения сигнал-шум. Погрешности, связанные с дискретностью цифровых видеоизображений, оцениваются на основе их подобия погрешностям квантования по уровню. Искажения, связанные с ограничением полосы частот видеосигнала, и геометрические искажения в оптической системе учитываются как систематическая составляющая погрешности измерений. Установление взаимосвязи разных видов погрешностей и определение общей погрешности видеоизмерений выполняется на основе линейной формы перепадов яркости на цифровых видеоизображениях.

Выполнены экспериментальные исследования погрешностей видеоизмерений, которые подтверждают полученные теоретические результаты. Расхождение результатов расчета на основе математических моделей и результатов экспериментальных исследований для несжатых видеоизображений составляют 12 % для максимального значения погрешности и 20 % для среднеквадратического значения. Сжатие видеоизображений на основе JPEG-алгоритма со стандартными параметрами увеличило погрешность на 30 % по сравнению с несжатыми видеоизображениями при коэффициенте сжатия 1:35. Погрешность уменьшилась за счет фильтрации шумов на (5 – 10) % по сравнению с несжатыми видеоизображениями при использовании параметров JPEG-алгоритма, определенных в результате исследований.

На основе полученных результатов создана автоматизированная система для исследования пластической деформации образцов конструкционных материалов. Эта система имеет расширенные функциональные возможности и повышенную точность измерений по сравнению с имеющимися средствами измерений. Система обеспечивает: регистрацию и хранение визуальной информации о процессе деформации; измерение линейных размеров деформируемого образца материала; измерение линейных перемещений отдельных участков этого образца. Система используется для определения механических характеристик конструкционных материалов. Видеоизмерения применяются для разметки шкал стрелочных измерительных приборов, что обеспечивает автоматизацию одного из этапов производства измерительных приборов.

Ключевые слова: геометрические измерения, видеоизображение, алгоритмическая обработка сигналов, сжатие видеоизображений, JPEG-алгоритм.

ANNOTATION

Podchashinsky Yu.A. Methods and tools of videomeasurements of linear and angular transitions. – Manuscript.

The thesis is submitted for awarding of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.11.01 – Devices and Methods of Mechanical Values Measurement. – National Technical University of Ukraine “Kiev Polytechnic Institute”, Kiev, 2002.

The researches of methods and tools of videomeasurements of linear and angular transitions of objects are carried out in the thesis. These researches are directed on extension of functional possibility and increase of precision of measurements on the basis of input to the computer and algorithmic handling of the mechanical strain videoimages. The mathematical model of a video data conversion during measurements is designed. The measures on the decrease and compensating of errors of videomeasurements are defined.

The singularities of videomeasurements of the mechanical strain developed in time are researched on the basis of compression by method JPEG of digital video data. The mathematical model of the videomeasurements errors on compressed videoimages is designed. The parameters of the method of compression are defined which allow to decrease of the videomeasurements error at the basis of filtering noises. The experimental researches are carried out. They confirm theoretical results.

The automized system for videomeasurements is designed. The system is uses for researching of a plastic deformation of samples of structural materials and sectoring of scales of pointer-type measuring instrument.

Key words: geometrical measurements, videoimage, algorithmic handling of signals, compression of the videoimages, method JPEG.