Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

Рузова Тетяна Олександрівна

УДК 519.6 : 621.391:681.3:621.372.542:681.32(075):536.662

Моделі і методи опису форми дисперсних утворень
при емульгуванні рідких палив

01.05.02 – “Математичне моделювання та обчислювальні методи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ- 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України у Проблемній науково-дослідній лабораторії струменевих та трубних течій.

Науковий керівник д. т. н., проф. каф. математичного забезпечення ЕОМ

Дніпропетровського національного університету

Міністерства освіти і науки України Карпов О.М

Офіційні опоненти: д.т.н., професор, завідувач кафедри електротехніки

та метрології Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України Корсун В.І.;

к.т.н., доцент, доцент кафедри автоматизації виробничих процесів Українського державного хіміко-технологічного університету Міністерства освіти і науки України Тришкін В.Я.

Провідна установа Харківський національний університет

радіоелектроніки, кафедра інформатики.

61166, Харків, просп. Леніна, 14.

Захист відбудеться 15 березня 2006 р. о 12.30 на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 08.084.01 у Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна 4.

Автореферат розісланий 6 лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Дерев’янко О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Питання економії і ефективного використання палива набувають у цей час важливого значення. Одним з основних видів палива є мазут. Дослідженнями виявлено перспективність емульгування та гомогенізації рідких палив як метода підвищення якості їх спалювання та задовільнення вимог охорони навколишнього середовища. Дисперсний склад є найважливішою характеристикою емульсії, критерієм ефективності її застосування для спалювання. Автоматичне визначення дисперсного складу необхідно і для технологічного контролю при отриманні та зберіганні водопаливних емульсій. Це питання є дуже важливим при розпиленні розплавів металів, аерозолів і багатьох твердих середовищ. Зростає необхідність визначення геометричних параметрів пилу, аерозолів та інших дисперсних утворень (вони складають основну масу речовин, які забруднюють навколишнє середовище), що визначають їх фізико-хімічні властивості. Найважливішим із таких параметрів є дисперсний склад.

Диспергація є суттєвою частиною багатьох технологій, тому визначення діаметрів частинок, що утворюються, аналіз їх форми за допомогою математичного моделювання контурів та поверхонь, автоматизація знаходження розподілів частинок із застосуванням комп’ютерних технологій обробки зображень зразків досліджуваних речовин є найбільш перспективним сучасним напрямком вирішення проблеми визначення дисперсного складу, що потребує подальших досліджень.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з планом науково-дослідних робот Проблемної науково-дослідної лабораторії струменевих та трубних течій Дніпропетровського національного університету у рамках д/б тем 04-37-97 “Дослідження гідрогазодинамічних процесів одержання емульсій та спалювання рідинних палив з метою вдосконалення існуючих енергогенеруючих технологій” (ДР 0197U000636), 04-146-00 “Дослідження гідрогазодинамічних та теплообмінних процесів при отриманні і спалюванні водопаливних емульсій з метою розробки високотехнологічного обладнання” (ДР 0100V005222), 6-028-03 “Визначення закономірностей одержання і горіння парогазорідинних середовищ та розробка системи емульгування водопаливних емульсій” (ДР 0103U000564), в розробці яких автор брав активну та безпосередню участь.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка математичної моделі опису контурів частинок дисперсних утворень стосовно до вирішення проблеми автоматичного контролю геометричних параметрів крапель дисперсної фази емульсії, використовуючи їх зображення. А також розробка нових та модифікація існуючих математичних моделей, методів та алгоритмів цифрової обробки зображень, параметричної ідентифікації об'єктів, що забезпечують можливість створення автоматизованої системи комп’ютерної діагностики емульгуючих пристроїв по ступеню дисперсності емульсії, що ними виробляється, та розробка комп’ютерної системи контролю геометричних параметрів інших тривимірних тіл по зображеннях їх перерізів, чи безконтактним методом за зображеннями об'єкта, що зроблені з різних точок.

У процесі досягнення мети виникають такі задачі дослідження:–

провести аналіз існуючих способів виміру мікрооб'єктів, включаючи сучасні підходи до генерування математичних моделей досліджуваних об'єктів з метою визначення місця розробки в області відомих вимірювальних систем і виявлення нюансів, що ускладнюють їх застосування в тих чи інших галузях промисловості;–

створити нові та вдосконалити існуючі математичні моделі та методи, що застосовуються для цифрової обробки зображення і відновлення контура досліджуваного об'єкта на зображенні;–

розробити модель аналітичного опису контурів плоских об'єктів (елементів дисперсних середовищ), обчислити їх геометричні характеристики на основі отриманого аналітичного опису;–

встановити математичну модель розподілу розмірів елементів дисперсних утворень в емульсіях;–

створити відео-комп'ютерний комплекс, що автоматизує процеси обробки зображень, виміру елементів дисперсних утворень і статистичної обробки результатів на підставі розроблених моделей та методів;–

розробити модель аналітичного опису тривимірних замкнутих поверхонь;–

створити програмний комплекс для автоматичного вимірювання та реконструкції тривимірних тіл за допомогою математичного моделювання їх поверхонь.

Об'єктом дослідження є процес створення водопаливних емульсій.

Предметом дослідження є методи математичного моделювання об’єктів системами машинного зору, автоматичні відеометоди визначення інформативних геометричних показників об'єктів, математичні моделі цифрових фільтрів та методи обробки зображень, які є основою створення відеовимірювальної системи діагностики емульгуючих пристроїв.

Методи дослідження. Методи виміру дво- та тривимірних об’єктів, теорія цифрових фільтрів, методи математичної статистики, сплайн-апроксимації, розпізнавання образів.

Наукова новизна отриманих результатів.–

розроблена математична модель багатоступінчатої порогової класифікації для поетапного зведення зображення до монохромного режиму. На її підставі запропоновано двохпрохідний метод перетворення в монохромний режим зображень зразків водомазутних емульсій. Дозволяє суттєво покращити якість фільтрування високочастотних шумів та відділення крапель від елементів фону;–

запропонована математична модель виділення підпросторів колірного простору RGB для розрахунку колірних складових двоколірної системи виділення досліджуваних об’єктів на зображенні з метою адекватного опису топології досліджуваного об’єкту. Дозволяє ефективно обробляти зображення з великою кількістю об’єктів, особливо у складних випадках їх взаємного розташування;–

запропоновано математичний метод фільтрації контура краплі відео вимірювальними системами, який полягає у статистичному підході до значень функції контура та дозволяє позбавитися дефектів границі та дозволяє знизити похибку вимірів;–

розроблено аналітичну модель опису замкнених кривих та поверхонь за допомогою їх апроксимації сплайн-функціями, що дозволяє створити загальний інструмент для вивчення об’єктів високого ступеня складності (фігур фрактального типу);

–

Практичне значення отриманих результатів. Моделі і методи, розроблені й удосконалені в ході даної роботи, покладені в основу автоматизованого відео-комп'ютерного комплексу визначення ступеня дисперсності емульсії, що використовувався при впровадженні системи емульгування мазуту на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті (акт впровадження від квітня 2002 р.). Використання комплексу дозволило підібрати оптимальний режим роботи, настроїти систему емульгування, тобто провести її налагодження якісно та в стислий термін. Подальше застосування вимірювального комплексу дозволить виконувати оперативну і високоточну діагностику системи.

Особистий внесок здобувача.

Всі основні результати дисертаційного дослідження отримані автором самостійно і за результатами опубліковані 16 робіт. Мета, задачі дослідження, а також наукові та висновки сформульовані автором самостійно.

У роботах, написаних у співавторстві, здобувачу належать:

В [1, 2, 12] – чисельне розрахування фізико-хімічних процесів, що відбуваються при створенні, кипінні та горінні краплі емульсії. В [3, 5] – виявлення причин виникання похибок та оцінка точності вимірів складних фігур. В [4, 10, 14] – програмні засоби; розпізнавання, вимір та статистична обробка розмірів крапель емульсії. В [6, 9] – статистична обробка виміряних крапель, встановлення моделі розподілу розмірів. В [7, 11] – статистичний метод фільтрації контурів крапель, аналітична модель замкнених контурів, визначення їх площ та периметрів, апроксимаційна модель опису периметра. В [8, 11] – математична модель опису замкнених кривих та поверхонь. В [9, 16]– вдосконалення методів обробки зображень, двоколірна система виділення об’єктів, багатоступінчата фільтрація, апроксимаційна модель опису периметру. В [10, 11, 15] – комп’ютерні системи виміряння плоских об’єктів та тривимірних тіл як по зображеннях їх перерізів, так і по зображеннях об'єкта, зробленим з різних точок; експерименти щодо виміру плоских та об’ємних фігур. В [13]– побудова та вимір фігур фрактального типу, аналіз причини виникнення похибок.

Апробація результатів дисертації. Результати дослідження були викладені на III Всеукраїнській науково-технічної конференції “Современная техника очистки воды” (Дніпропетровськ, 1997), ювілейній науково-технічній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (Київ, 1998); XIX конференція країн СНД "Дисперсные системы" (Одеса, 2000); Мінському міжнародному форумі (Мінськ, 2000); науковому семінарі Наукової Ради НАН України з наукової проблеми "Кібернетика" Проблеми інформатики та управління (Дніпропетровськ, 2004), Другої міжнародної науково-практичної конференції "Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем" (Дніпропетровськ, 2004), Третьої міжнародної науково-практичної конференції "Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем" (Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. За результатами дослідження було опубліковано 16 робіт. Серед них 11 статей у спеціалізованих виданнях, 5 – у збірниках праць наукових конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та трьох додатків. Повний обсяг дисертації становить 184 сторінки і містить 3 додатки на 11 сторінках, 56 рисунків, 15 таблиць, список використаних літературних джерел, що включає 172 найменування на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначені її мета та задачі, вказано на зв’язок проведеного дослідження з науковими темами Дніпропетровського національного університету, де виконувалася робота. Також підкреслено практичне значення та наукова новизна отриманих результатів.

У першому розділі дисертаційного дослідження вказано, що відомі системи підготовки палива не здійснюють оперативний вимір та контроль дисперсного складу водопаливних емульсій. Вказано, що визначення розмірів частинок дисперсної фази необхідно для оцінки ефективності процесів емульгування, стабільності емульсій та ефективності спалювання. Необхідність визначення геометричних параметрів об'єктів, зокрема частинок дисперсних утворень є у різних галузях промисловості.

На підставі проведеного вивчення сучасних методів визначення геометричних характеристик мікрооб'єктів відзначено, що найбільш значними проблемами, які виникають при їх використанні, є трудомісткість процесу, довготривалість, жорсткі умови експерименту, відсутність для більшості методів можливості визначення розподілу частинок по розміру, необхідність створення громіздких та дорогих пристроїв для вимірів, а також небезпечність деяких методів для здоров’я людини. Для застосування методів індивідуального вивчення об’єктів характерна велика трудомісткість, залежність результатів вимірів від досвіду оператора, при ручному підході, а також від якості отриманих зображень.

Аналіз методів обробки зображень та робіт, присвячених виміру об’єктів на зображенні виявив недостатню якість зображення, що використовується для виміру, а також різноманітність параметрів зображень і вимог до їх якості, що потребує методики покращення якості зображення, орієнтовану на надану дослідницьку задачу. Не має універсального рішення проблема сегментації зображення та виділення контурів об’єктів. Складним є процес виміру об’єктів, пов’язаний із специфікою зображення, наявністю у нього дефектів та растровим представленням інформації. Все це обумовило необхідність проведення подальших досліджень у цьому напрямку.

Обгрунтовано необхідність проведення подальших дослідницьких робіт, спрямованих на збільшення ефективності комп’ютерних відеометодів виміряння, збільшення їх точності, зменшення трудомісткості та міри участі оператора в процесі виміряння. Вказано, що проведення вимірів в умовах виробництва висунуло на перший план необхідність створення зручного інструменту автоматичної обробки, що зв’язує воєдино усі етапи процесу.

Вищезазначені задачі були поставлені з проведеного аналізу, виявлення основних проблем та відповідно до мети дисертаційної роботи.

У другому розділі дисертаційної роботи розглянуто вплив води, диспергованої у рідкому паливі, на процес його спалювання та зменшення шкідливих викидів, а також визначені головні етапи рішення задачі контролю розмірів частинок дисперсної фази за їх зображеннями за допомогою ПК та підходи до їх рішення.

В основі фізико-хімічних процесів горіння водопаливних емульсій, які якісно відрізняють процес їх спалювання від спалення безводного палива, лежить явище мікровибуху краплі водопаливної емульсії. Але ефективність мікровибухів в значному ступені визначається розмірами дисперсної фази. При роботі з водопаливними емульсіями дуже актуальним є питання вибору оптимальних режимних параметрів процесу їх спалювання.

Сучасними дослідженнями підтверджено вплив дисперсних характеристик водопаливних емульсій на ефективність їх спалювання, можливість інтенсифікувати процес горіння при забезпеченні оптимальної вологості та відповідних розмірів дисперсної фази емульсій, що дозволить при більш низьких критичних надлишках повітря не тільки компенсувати витрату палива на випар введеної з емульсією води, але й підвищити ККД паливоспалювальних агрегатів. Тобто дисперсний склад є одним із визначальних параметрів водопаливних емульсій.

У зв’язку з чим було відокремлено такі основні етапи рішення задачі визначення розмірів крапель дисперсної фази емульсій (і об’єктів будь-якої форми) шляхом їх геометричного моделювання по зображеннях:

1. Підвищення якості зображень шляхом вдосконалення існуючих та розробки нових математичних моделей автоматичної обробки на підставі математичних моделей і методів, що створені для усунення дефектів характерних зображенням вимірюваних об’єктів та методів комп’ютерної сегментації зображень.

Висунуто задачі: визначити, які математичні моделі та методи доцільно використовувати для високоточного виміряння дисперсних утворень; вдосконалити існуючі та розробити нові більш ефективні математичні моделі обробки зображень; запропонувати послідовність шагів щодо машинного покращення зображень.

2. Автоматичне формування контура вимірюваного об’єкту на підставі методу, що полягає у виборі опорної точки контура з подальшим вибором найближчої до неї точки з тим самим значенням яскравості. Щоб зробити вибір однозначним, вводиться множина векторів повороту.

Задачі: вдосконалення методу на підставі створення математичної моделі виділення об’єктів для зручного розпізнавання зображень з декількома фігурами, для формування списку точок границі незамкнених кривих та фігур з тонкими виступаючими частинами; створення нового математичного методу фільтрації контурів частинок дисперсного середовища, який працює зі списком точок контура вже виділеної фігури; створення апроксимаційної моделі опису периметру на підставі аналізу причин, які впливають на утворення похибок у вимірянні об’єктів.

3. Побудова аналітичної моделі опису замкнених контурів частинок та опису поверхонь у випадку тривимірних вимірювань Запропоновано застосування апроксимації функції контура поліномом та наведено загальний метод обчислення його коефіцієнтів.

Задачі етапу: модифікувати модель для аналітичного опису замкнених кривих та розвинути її для аналітичного опису поверхонь частинок при тривимірних вимірюваннях.

4. Прорисовування об’єктів при тривимірних дослідженнях. При вимірі та відновленні тривимірних об’єктів результати мають бути представлені в наочній формі, тому визначено алгоритми та методи створення реалістичного зображення тривимірних тіл. Для прорисовування і визначення невидимих елементів тіла використається метод відрядкового сканування з використанням z-буфера. Для переносу колірних атрибутів – проста модель освітлення для декількох точкових джерел. Для опису колірних атрибутів обрана колірна модель HSV.

Задачі етапу: розробити програмний комплекс, що автоматизує обробку зображень, вимір плоских фігур на підставі запропонованих математичних моделей та методів, а також аналіз результатів; на його базі розробити програму для аналітичного опису, виміряння та відновлення тривимірних об’єктів за зображеннями їх зрізів.

Третій розділ присвячено розробці моделей та методів виділення об'єктів на зображенні системами машинного зору та їх застосування для автоматичної обробки елементів дисперсних утворень на зображеннях.

На першому етапі виділено цифрові методи, застосування яких дає найкращій результат для зображень дисперсних середовищ, виходячи з їх специфіки та задачі. Створено нова багатоступінчата математична модель перетворення зображення в монохромний режим, яка дозволяє вирішити проблему неоднорідного освітлення різних ділянок фотознімка, яка полягає у розбиванні зображення на декілька ділянок і встановлення для кожної з них своєї системи порогових значень, що є функцією параметрів яскравості саме для цієї ділянки.

Процес порогової класифікації здійснюється поетапно з поступовим зменшенням кількостей порогових значень. Модель дозволяє здійснити більш тонке настроювання порогових функцій та якісно усунути шуми, що з’являються у результаті зменшення числа градацій. На підставі розробленої математичної моделі та методу анізотропної фільтрації створено двох прохідний метод перетворення в монохромний вигляд зображень зразків водомазутних емульсій, який дозволяє покращити якість усунення шумів та відділення крапель від елементів фону. Метод полягає у зведенні вихідного зображення до 4-х градаційного, а потім до чорно-білого за допомогою системи порогів.

На другому етапі здійснюється визначення контура об’єктів отриманого монохромного зображення. Для коректного виділення фігур на зображеннях, що містять велику кількість об’єктів, особливо у складних випадках їх взаємного розташування запропонована двоколірна система виділення, яка полягає у привласненні кожній фігурі двох кольорів, що є індивідуальними для кожного об’єкту на зображенні. Для математичного опису цих кольорів розроблена модель виділення двох непересічних підпросторів колірного простору RGB.

Двоколірна система зручна при обробці фрактальних структур і візуальному аналізі їх зовнішнього контура. Процедуру обходу контура було вдосконалено для обробки фігур з незамкненим контуром чи з тонкими виступаючими частинами.

Третім етапом є виміряння фігури за допомогою простих формул чисельного інтегрування. Проведені таким чином обчислення показали наявність великої помилки обчислення периметра, причина якої укладена в особливостях комп'ютерного представлення зображень. Для врахування цієї похибки запропоновано апроксимаційна модель опису периметра плоскої фігури у вигляді

, (1)

де Pi- периметр елемента кривої; i – кут нахилу цього елемента до ліній сітки. - коефіцієнт, що залежить від орієнтації відрізка щодо сітки растра, обумовленої кутом його повороту . Було отримано аналітичне представлення коефіцієнта та побудована крива.

. (2)

Застосування розробленої моделі дозволяє зменшити максимальну похибку, що має місце при вимірянні квадрату, повернутого під кутом 45 відносно ліній сітки растра с 41% до 1%.

Одержане вираження для обчислення периметра може бути покладено в основу розробки моделей систем вимірів об'єктів, що працюють у реальному часі.

Для одержання статистичних характеристик емульсії проводилася математична обробка розмірів крапель. Вибірку розбито на класи та вилучено “випадкові” краплі, що могли з’явитися у наслідок ретуші, обчислено основні статистичні характеристики вибірки такі як середнє, дисперсія, середньоквадратичне відхилення, асиметрія, ексцес. Встановлено відповідність емпіричного розподілу логнормальному закону, функція розподілу якого має вигляд:

, (3)

якщо має нормальний розподіл N(,).

Для встановлення відповідності емпіричного розподілу обраної теоретичної моделі був обраний критерій 2, використання якого припустимо при наявності невизначених параметрів теоретичної моделі. Гіпотезу про логнормальний розподіл діаметрів крапель можна вважати правомірною з імовірністю 98%.

Четвертий розділ присвячено створенню моделей математичного опису дво- та тривимірних об’єктів. Проводився математичний аналіз отриманої замкнутої кривої і на основі цього обчислено геометричні параметри об'єкта. Аналіз полягає в розбивці контура на характерні інтервали й апроксимації відрізків кривих за допомогою сплайн-функцій. Координати точок границі представимо у вигляді таблично заданої функції , яка є відстанню між поточною точкою Р контура та центром ваги фігури – О та залежить від кута з вершиною у центрі ваги між поточною та певною базовою точкою В як вказано на рис. 1.

Для відсікання аномальних точок і підвищення гладкості границі запропоновано статистичний метод фільтрації вже виділеного контура. Множина значень функції трактовано як вибірка. Точки, де значення різко відрізняються від значень, що відповідають іншим точкам, трактуються як викиди вибірки.

Рис. 1. Схема розбивки контура на інтервали

Для їх вилучення запропоновано метод найменш залежний від виду розподілу, що полягає в визначенні не тільки традиційної оцінки центра розподілу – середнього значення , а також медіани xm - 50% квантилі емпіричного розподілу; центра згинів , де і - відповідно 25% і 75% квантилі; центра розмаху та середнього арифметичного 50% центральних спостережень . Середню з них використовують для обчислення границь цензурування вибірки значень функції .

Метод ефективно працює з вже сформованою послідовністю точок контура об’єкта (елемента дисперсного утворення) і дозволяє позбутися такого розповсюдженого дефекту контура як наявність променів. Застосування фільтра до об’єкта, що аналізується, дозволяє збільшити якість представлення контура. Застосування методу знижує максимальну похибку обчислення площі у 2,9 рази, периметра у 1,6 рази.

Для спрощення обробки у випадку неоднозначності функції (наприклад, одному і тому ж напрямку відповідають три точки контура - P, P1, P2.) запропоновано “розрізати” її на інтервали монотонності аргументу , так контур представлений на рис. 1, розділимо на інтервали BR1, R1R2, R2B. Для підвищення точності опису контура інтервали доцільно додатково розділити точками екстремуму функції контура.

В основу покладено апроксимація функції у інтервалах k поліномом третього ступеня

, (4)

де (к) - вузол склеювання інтервалу, – поточна точка інтервалу.

В роботі розроблено метод пошуку коефіцієнтів апроксимуючої функції з умов: мінімуму міри відхилення поліному на кожному інтервалі, неперервності функції, що апроксимує, у точках склеювання; замкненості кривої. Одержано площу і периметр фігури.

Метод розвинений для створення більш загального інструмента введення, відтворення і вивчення тривимірних об'єктів високого ступеня складності, математичного опису замкнутих поверхонь цих об'єктів, обчислення об’ємів. Координати точок поверхні досліджуваного тіла запропоновано вводити, зробивши його розсічення паралельними площинами уздовж заданого напрямку Z та визначив контур кожного перетину. У цьому випадку функцію поверхні у кожному перерізі визначимо від частки довжини контура перерізу, що дозволить суттєво спростити процес апроксимації. Множину перерізів розбито уздовж вісі Z на К інтервалів, кожний переріз було розбито по довжині контура на М інтервалів.

Функцію (z,) на кожної (k,m) ділянці поверхні апроксимовано поліномом

, (5)

де , лінії z=zk і =m – лінії склейки інтервалів.

Коефіцієнти поліному знаходяться з умов: мінімуму міри відхилення функції, що згладжує, її неперервності уздовж ліній сполучення ділянок поверхні, а також умови замикання поперечних ліній. Рекомендовано метод апроксимації замкненої поверхні. З аналітичного представлення одержано площу бічної поверхні і об’єм тіла. Побудовано реалістичне зображення досліджуваного тіла, деталізація елементів об'єкта здійснюється шляхом врахування ефектів відображення і переломлення світла.

П’ятий розділ присвячений реалізації розроблених методів та моделей у вигляді програмного комплексу та застосуванні його для автоматичного настроювання системи емульгування мазуту (СЕМ) та виміру геометричних параметрів дво- та тривимірних об’єктів.

Розроблено два програмних комплекси, що цілком автоматизували процес знаходження об’єктів на зображеннях та математичної обробки для операційних систем Windows 95/98, Windows ME. В одному з комплексів, який орієнтований на роботу з дисперсними середовищами, зокрема з емульсіями, реалізовано процес виміру плоских фігур. Комплекс являє собою програмний продукт, який формалізує процес виміру частинок за їх зображеннями і математичну обробку результатів і поєднує взаємозв’язані блоки, кожний з яких реалізує певний етап технологічного ланцюжка: блок обробки зображення, що надає можливість підвищити якість зображення; блок виявлення частинок, що здійснює запуск алгоритму розпізнавання; блок статистичної обробки розмірів знайдених об'єктів (крапель), дозволяє поєднувати результати обробки серії зображень в одну вибірку, проводить статистичний аналіз отриманої вибірки (розбиває вибірку діаметрів на класи та визначає головні статистичні характеристики такі як мінімум, максимум, середнє, середньоквадратичне відхилення, дисперсію, асиметрію, ексцес); блок порівняння результатів різних експериментів здійснює накладення графіків розподілів, що відповідають різним експериментам, видає статистичні характеристики кожного набору, які були згадані вище.

Інший програмний комплекс реалізує процес відновлення і виміру тривимірних об'єктів по зображеннях їх зрізів. Створено також комплекс, що дозволяє проводити аналіз форми і вимір тривимірних тіл без використання перерізів, по зображеннях об'єкта, зробленим з різних точок, що робить можливим його застосування в тих випадках, коли створення перерізів є неможливим чи дуже дорогим процесом. Цей спосіб виміру може бути покладений в основу систем безконтактної діагностики і неруйнівного контролю.

У роботі визначено точність виміру дисперсної фази системою мікроскоп - відеокамера - комп'ютер, наведено результати вимірянь плоских об’єктів різної конфігурації за допомогою першого з програмних комплексів, здійснено також виміри параметрів фігур з границями фрактального типу. Проведені експерименти щодо виміру об’ємних тіл як модельних, створених за допомогою комп’ютера (зрізаний конус і циліндр з еліптичним перерізом, закручений уздовж осі) так і реальних.

Похибка виміру об’єму цього тіла, що склала 2,1%, обумовлена деякою деформацією експериментального зразка в процесі формування зрізів, якої практично неможливо уникнути. Це призводить до того, що і зовнішній вигляд відновленої фігури трохи відрізняється від оригіналу.

Застосування СЕМ на кількох підприємствах дозволило суттєво підвищити ефективність спалювання та зменшити ступінь забруднення навколишнього середовища.

Розроблені програмні засоби було застосовано як складова частина автоматизованого комплексу керування технологічним процесом емульгування мазуту. Автоматизована відеовимірювальна система використовувалась як помічник оператора системи емульгування для швидкого отримання інформації про розподіл крапель дисперсної фази за розмірами з метою оперативної діагностики та контролю при налагодженні системи емульгування мазуту у Вільногірськогому гірничо-металургійному комбінаті.

По сумі зображень, розробленими програмними засобами, проведено вимір та статистична обробка розмірів крапель.

У додатках наведено експертні висновки про якість зображень дослідних зразків емуль-сій, схема системи емульгування мазуту на ТЕЦ Вільногірського гірничо-металургійного комбінату та акт впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

Подальше впровадження у практику спалювання високо обводнених рідких палив у вигляді водопаливних емульсій дозволяє вирішити широке коло проблем, що стоять перед промисловою та транспортною енергетикою. У дисертаційній роботі запропоновано теоретичне узагальнення та нове вирішення задачі визначення найважливішої характеристики емульсії – її дисперсного складу шляхом автоматизованого виміру геометричних параметрів дисперсних утворень за їх зображеннями системами машинного зору. Рішення задачі полягає в розробці та вдосконаленні математичних моделей, методів та алгоритмів, що застосовуються для: коректування початкового зображення дослідного зразка та переведення його в монохромний режим; визначення контура об’єкта та його фільтрації; аналітичного опису кривої контура; вимірюванні. Розв’язана задача комп’ютерного виміру інших тривимірних об’єктів за зображеннями їх паралельних зрізів та зроблено аналітичний опис їх поверхонь. Застосування результатів роботи має важливе науково-практичне значення при створенні алгоритмів автоматичного визначення геометричних параметрів дво- та тривимірних об’єктів за їх зображеннями в питаннях диспергування рідин, одержання та застосування різних дисперсних утворень, у тому числі при розробці нових матеріалів та обладнання для одержання емульсій.

У зв’язку з тим у дисертаційній роботі:

1. Розглянуті методи вимірювання об’єктів, частинок дисперсних утворень, як фізичні так і засновані на створенні чисельних моделей представлення їх контурів та поверхонь.

2. Розроблена модель багатоступінчатої порогової класифікації для зведення зображення до монохромного режиму. На її підставі та вдосконаленні методу анізотропної фільтрації запропоновано двохпрохідний метод перетворення в монохромний режим зображень зразків емульсій. Це дозволяє покращити відділення крапель та зменшити зашумленість, обумовлену зернистістю фона, що підтверджено експертними висновками відповідно до усталеної наукової практики.

3. Запропонована двоколірна система виділення досліджуваних об’єктів на зображенні, в основі якої є розроблена модель виділення непересічних підпросторів колірного простору RGB, що застосовується для розрахунку складових кольорів, що призначуються. Вдосконалено методи формування списку координат точок контурів досліджуваних об’єктів, що дозволяє істотно підвищити якість розпізнавання та ефективно обробляти зображення фігур фрактального типу, зображення з великою кількістю об’єктів.

4. Запропоновано математичний метод фільтрації, що працює з вже сформованим списком точок границі фігури та полягає у статистичному підході до значень функції контура та дозволяє позбавитися дефектів границі (особливо при наявності дефектів контура у вигляді тонких променів) та підвищити її гладкість, що збільшує якість представлення контура. Застосування методу знижує максимальну похибку обчислення площі у 2,9 рази, периметра у 1,6 рази.

5. Розроблено метод аналітичного опису замкнених кривих за допомогою сплайн-функцій, що дозволяє отримати представлення границі різних фігур у вигляді формули.

6. Розроблена математична модель аналітичного опису замкнених поверхонь тіл за зображеннями їх паралельних перерізів, що дозволяє автоматично вимірювати та відновлювати на ПК різні тривимірні тіла.

7. Створена апроксимаційна модель опису периметра плоских фігур (дисперсних утворень), основана на чисельному інтегруванні та введені поправочної функції. Зменшує максимальну похибку виміряння квадрату, повернутого під кутом 45 до ліній сітки растра с 41% до 1%.

8. Встановлено, що розподіл розмірів дисперсних утворень у паливних емульсіях підпорядковується логнормальному закону.

9. Створено відео-вимірювальну систему, яка реалізує розроблені та вдосконалені математичні моделі та методи та автоматизує процес вимірювання плоских фігур (дисперсних утворень) за їх зображеннями. Комплекс може бути застосований для автоматичних вимірів на виробництві.

10. Створені два програмні комплекси для виміряння та реконструкції тривимірних тіл шляхом математичного моделювання їх поверхні. Вони вирішують зазначену задачу двома шляхами: один – на основі паралельних перерізів тіла, а другий – виходячи з зображень об’єкта, які зроблені з різних точок, що дозволяє далі робити систему автоматичного неруйнівного контролю.

11. Результати запропонованого дисертаційного дослідження, що реалізовані у вигляді програмного комплексу по визначенню ступеня дисперсності емульсії, були застосовані при створенні та настроюванні системи емульгування мазуту на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті (акт про впровадження від квітня 2002р.). Застосування програмного комплексу дозволило оптимізувати режим роботи системи швидко та ефективно. Надалі застосування програми у виробничих умовах як простого та зручного інструменту дозволяє швидко одержувати інформацію щодо якості емульсії, що виробляється.

Слід зазначити, що загальна тенденція спалювання рідкого палива у світі спрямована на попереднє його емульгування, що в значній мірі підвищує ефективність і екологічну чистоту процесу. Тому виконана робота, яка пропонує простий та ефективний інструмент контролю якості емульгування, з метою відробки систем емульгування, знаходиться в руслі рішення тих світових проблем, які актуальні для дійсного часу і необхідні для розвитку високоефективних технологій використання природних ресурсів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ
ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Елисеев В.И., Толстопят Т.А. Прогрев и гомогенное кипение двухслойной эмульгированной капли // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. трудов. – Днепропетровск: ДГУ. – 1997. -– С. 38-43.

2. Елисеев В.И., Толстопят Т.А. Горение угольной частицы // Геотехническая механика: Межведомственный сб. научн. трудов.– Днепропетровск: Поліграфіст.–1999. – С. 65-71.

3. Елисеев В.И., Толстопят Т.А. Определение диаметра капли по ее видеоизображению // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. трудов. – Днепропетровск: ДГУ. – 1999. -– С. 21-24.

4. Толстопят А.П., Давидсон В.В., Флеер Л.А., Толстопят Т.А. Создание водотопливных эмульсий. Математическое моделирование, экспериментальная проработка и практическое применение // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. трудов. -– Днепропетровск: ДГУ. – 1999. – С. 97-98.

5. Елисеев В.И., Толстопят Т.А. Определение геометрических параметров частицы по ее видеоизображению // Вісник Дніпропетровського університету. Механіка. -– Дніпропетровськ. – 1999. – Т.1. – Вип. 2. – С. 139-142.

6. Толстопят Т.А., Елисеев В.И. Распределения и статистические характеристики капель в эмульсиях // Проблемы высокотемпературной техники: Сб. научн. трудов. – Днепропетровск: ДГУ. – 2001. – С. 114-122.

7. Толстопят Т.А., Карпов О.Н., Елисеев В.И. Определение геометрических характеристик частиц с помощью аналитического представления контура // Питання прикладної математики і математичного моделювання: Зб. наук. пр. – Дніпропетровськ: РВВ ДНУ. – 2001. – Вип. 1. – С. 104-109.

8. Рузова Т. А. Аналитическое представление замкнутых поверхностей // Актуальні проблеми автоматизації та інформаційних технологій.: Зб. наук. пр. – Дніпропетровськ: ДНУ. – 2004. –Т. 8. – С. 73-79.

9. Рузова Т. А., Карпов О.Н., Флеер Л.А. Оперативный контроль параметров частиц дисперсных образований// Науковий вісник Національного гірничого університету. –Дніпропетровськ.–2004. – № 2. – С. 83-88.

10. Рузова Т. А. Видеоизмерительная система определения геометрических параметров дву- и трех-мер-ных объектов // Обогащение полезных ископаемых: Научн.-техн. сб. – Днепропетровск. –2004.– Вып. 19 (60). – С. 117– 127.

11. Рузова Т.А., Елисеев В.И., Толстопят А.П. Определение геометрических параметров объектов по их аналитическому представлению// Системні технології: Регіональн. міжвуз. зб. наук. пр. – Дніпропетровськ.– 2004. – №1(30). – С. 11-19.

12. Елисеев В.И., Толстопят Т.А. Радиальные струи несмешивающихся жидкостей// Материалы VII международной научно-технической конференции ученых Украины, России, Белоруссии “Прикладные проблемы механики жидкости и газа”.– Севастополь. – 1998. – С. 18-19.

13. Толстопят Т.А., Елисеев В.И. Анализ параметров дисперсных частиц с учетом фрактальной структуры их поверхности // Тезисы докладов XIX конференции стран СНГ "Дисперсные системы". -– Одесса. – 2000. – С. 186-187.

14. Давидсон В.В., Елисеев В.И., Толстопят А.П., Толстопят Т.А., Флеер Л.А. Сжигание водомазутных эмульсий в тепловых агрегатах // Тепломассообмен ММФ-2000. –Т.10 Тепломассообмен в энергетических установках. – Минск. – 2000.– С. 405-412.

15. Рузова Т.А, Елисеев В.И Компьютерное определение геометрических параметров дву- и трехмерных объектов // Тези доповідей другої міжнародної науково-практичної конференції "Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем". – Дніпропетровськ. – 2004. – С. 117.

16. Рузова Т.О, Єлісєєв В.І, Толстопят О.П., Флеєр Л.О. Модель опису колірних підпросторів для виділення об’єктів на зображеннях дисперсних середовищ // Тези доповідей третьої міжнародної науково-практичної конференції "Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем". – Дніпропетровськ.– 2005. – С. 154.

АНОТАЦІЯ

Рузова Т.О. Моделі і методи опису форми дисперсних утворень при емульгуванні рідких палив. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 – “Математичне моделювання та обчислювальні методи”. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена розробці математичної моделі опису та виміру контурів дисперсних частинок за їх зображеннями, комп’ютерної системи діагностики емульгаторів за ступенем дисперсності емульсії та системи виміру інших об’ємних тіл. Розроблена математична модель порогової класифікації зображень паливних емульсій, математична модель опису колірних підпросторів для виділення об’єктів, апроксимаційна модель периметра, модель аналітичного опису замкнених контурів та поверхонь на підставі сплайн-аппроксимації. Встановлено математичну модель розподілу розмірів дисперсних утворень у паливних емульсіях. Створено відеовимірювальні системи для обробки плоских фігур (дисперсних утворень) та тривимірних тіл. Результати застосовано при настроюванні системи емульгування мазуту на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті.

Ключові слова: зображення, дисперсне утворення, порогова класиціація, колірний підпростір, контур, сплайн-апроксимація, відеовимірювальна система.

АННОТАЦИЯ

Рузова Т.А. Модели и методы описания формы дисперсных образований при эмульгировании жидких топлив. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 – “Математическое моделирование и численные методы”. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена разработке математической модели описания контуров дисперсных частиц для автоматического измерения капель дисперсной фазы эмульсии по их изображениям, а также разработке новых и модификации существующих математических моделей и методов цифровой обработки изображений, параметрической идентификации объектов, которые обеспечивают возможность создания автоматизированной системы диагностики эмульгаторов по степени дисперсности вырабатываемой ими эмульсии, разработке системы измерения других трехмерных тел по изображениям их сечений, или по изображениям объекта, сделанным из разных точек.

Подчеркнуто, что дисперсный состав является определяющим параметром водотопливной эмульсии. На основе изучения методов определения геометрических характеристик микрообъектов, включая современные подходы к генерации математических моделей исследуемых объектов, отмечены проблемы, возникающие при их использовании. Указано на необходимость проведения дальнейших исследований по формализации и автоматизации измерений с помощью ЭВМ.

Разработана математическая модель многоступенчатой пороговой классификации для поэтапного преобразования изображений в монохромный режим. На ее основе и методе анизотропной фильтрации разработан метод двухступенчатой фильтрации и преобразования изображений образцов водомазутных эмульсий в монохромный режим. Метод позволяет существенно повысить качество устранения высокочастотных шумов и отделение капель от элементов фона.

Усовершенствован метод определения контуров объектов, на основе разработанной математической модели выделения цветовых подпространств пространства RGB для расчета составляющих двухцветной системы выделения исследуемых объектов на изображении, что сделало возможным обработку нескольких объектов на одном изображении, особенно в сложных случаях их взаиморазмещения. Усовершенствована процедура обхода контура для обработки фигур с незамкнутым контуром или тонкими выступающими частями. Для отсечения аномальных точек и повышения гладкости границы предложен математический метод фильтрации на основе статистического подхода к функции контура.

Проанализированы причины, которые влияют на величину погрешности измерения площадей и периметров объектов и выявлена погрешность, вносимая компьютером как измерительным инструментом, что позволило создать аппроксимационную модель описания периметра, которая может быть положена в основу измерительных систем реального времени.

Проводилась математическая обработка размеров капель. Установлено, что распределение размеров дисперсных образований в топливных эмульсиях подчиняется логнормальному закону.

Построена математическая модель замкнутых кривых – контуров объектов и на основе этого вычислены геометрические параметры объекта. В основе модели – разбивка контура на характерные интервалы и сплайн-аппроксимация отрезков кривых. Предложено аппроксимировать функцию контура в каждом интервале полиномом третьей степени, разработан метод поиска коэффициентов аппроксимирующей функции.

Модель обобщена для создания инструмента введения, воспроизведения и измерения трехмерных объектов высокой степени сложности, математического описания замкнутых поверхностей этих объектов, вычисления их геометрических характеристик. Координаты точек поверхности исследуемого тела предложено вводить в ЭВМ, произведя его рассечение параллельными плоскостями вдоль заданного направления. Разработан метод аппроксимации замкнутой поверхности. Из аналитического представления получены площадь боковой поверхности и объем тела.

Создана видеоизмерительная система, которая может использоваться для проведения измерений в условиях производства. Она реализует разработанные математические модели и методы и автоматизирует процесс измерения плоских фигур (элементов дисперсных образований).

Созданы программные комплексы для измерения и реконструкции трехмерных тел. Один из них решает указанную задачу на основе параллельных сечений тела, а другой – исходя из изображений объекта, сделанных из