ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения геометрических размеров труб - внешнего и внутреннего диаметра, толщины стенки, площади поперечного сечения.
Известны телевизионные устройства для измерения геометрических параметров объектов, в том числе труб, содержащие телекамеру и устройства обработки, основанные на формировании изображения контролируемого объекта на поверхности ПЗС матрицы телекамеры с дальнейшей передачей данных в ЭВМ и программной обработкой результатов [а.с. SU 1837160, МКИ G01B 21/30, бюлл. №32, 1993; а.с. SU 2052768, МКИ G01B 17/00, бюл. №22, 1995; а.с. SU 1657960, МКИ G01B 21/10, бюл. №23, 1991; а.с. SU 1675664, МКИ G01B 11/02, бюл. №33, 1991; а.с. SU 1716327 МКИ G01B 21/20, бюл. №8, 1992; патент RU №2163395, G06K 9/52, 2000], патент на полезную модель №32261, б.и. №25 от 10.09.2003.
Недостатком известных устройств является низкая точность, связанная с оптическими искажениями изображения на границах приемной матрицы, а также зависимостью размера изображения от расстояния объектива телекамеры до контролируемого объекта. Это затрудняет их применение в устройствах оперативного контроля в тех случаях, когда расстояние до контролируемого объекта не известно или не фиксировано.
Прототипом заявляемого изобретения является телевизионное устройство, содержащие четыре (шесть) телекамер, сгруппированные парами и разнесенных на фиксированные расстояния по ортогональным координатам и соединенные с видеоконтрольным устройством, выход которого подключен к устройству масштабирования и устройству обработки (патент РФ на полезную модель №73069, б.и. №13 от 10.05.2008)
Недостатками прототипа является сложность конструкции, связанная с наличием одновременно четырех (шести) телекамер, сложность процедуры измерений, связанная с настройкой на объект, так как расстояние между камерами жестко фиксировано, то габаритный объект может не попадать в зону захвата одновременно всех камер.
Поставлена задача: упростить конструкцию и процедуру измерений, при сохранении точности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве, содержащем телекамеру, соединенную через устройство ввода с видеоконтрольным устройством обработки, телекамера закреплена на подвижной платформе с микрометрическими устройствами задания перемещений по трем ортогональным координатам, снабженными датчиками перемещений, выходы которых подключены к устройству обработки.
Это позволяет формировать полное изображение объекта на экране видеоконтрольного устройства с разных позиций, причем точно задавать смещение камеры от исходной позиции по трем координатам, задавать такую величину перемещений, которая достаточна для удержания объекта в кадре при максимальном разрешении, совмещать изображения объекта, определять масштаб по каждой координате изображения, проводить измерения независимо от взаимной ориентации камеры и объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фигуре 1 приведена структурная схема предложенного устройства, а на фигуре 2 изображения контролируемого объекта, получающиеся на экране видеоконтрольного устройства после совмещения изображений при съемке со всех точек.
Устройство состоит из телекамеры 1, закрепленной на платформе 2, способной перемещаться с помощью микрометрических устройств задания перемещений 3, 4, 5 по координатам X, Y, Z. На координатных направляющих платформы 2 размещены датчики перемещений 6, 7, 8, выходы которых, также как и выход телекамеры 1 подключен к устройству обработки 9, соединенным с видеоконтрольным устройством 10. На фигуре 1 показаны также контролируемый объект S, на который нанесена метка M и измеряемый отрезок BC, длина которого обозначена L.
x
y
z
x
y
z
На фигуре 2 координаты µ η определяют точки на плоскости фотоматрицы телекамеры и, следовательно, видеоконтрольного устройства; , ,  - проекции отрезков d, d, d на плоскость экрана видеоконтрольного устройства. Индексы в остальных обозначениях S, S, S на совмещенном экране соответствуют изображению внешнего контура при смещении камеры по координатам.
x
y
z
Сущность работы устройства состоит в том, что на измеряемом объекте S, в частности на той плоскости, которая подлежит геометрическому контролю, делается произвольная метка (точка M, фиг. 1) Это может быть не метка, а характерная точка объекта, например угол или элемент товарного знака.. Затем делается четыре снимка объекта при разных положениях камеры. Первый снимок делается при нулевом смещении координатной платформы относительно начала координат, второй и последующий снимки при смещении камеры по координатам на известные величины относительно начала координат d, d, d.
x
y
z
x
y
z
Четыре снимка будет проектироваться на разные точки экрана видеоконтрольного устройства 10, которые при совмещении изображений на одном экране будут иметь вид, показанный на фиг. 2, где S, S, S, S - внешний контур контролируемой поверхности в начальной позиции и при смещении камеры по координатам соответственно; M, M, M, M - изображения метки на экране в начальной позиции и при смещении камеры по координатам.
x
y
z
При совмещении изображений всех четырех снимков на одном экране расстояния между точками , , , будут соответствовать заранее известным величинам d, d, d измеренных при перемещении координатного стола.
x
y
z
Таким образом, независимо от расстояния от камеры до объекта и смещения оптической оси телекамеры от центра фигуры и плоскости измеряемого отрезка ВС, определяя на экране длину отрезков , ,   и соотнося ее реальными с размерами d, d, d можно определить цену деления одного пиксела экрана (масштаб) отдельно по координатам x, y, z по формулам:
,
Где , ,
Тогда проекции измеряемого отрезка BC по координатам x, y, z можно определить по первоначальному изображению, полученному без смещения телекамеры
,
где α - полный угол захвата изображения камеры. Окончательно длина отрезка будет определяться по формуле
Вычисления производятся в устройстве 9 по программе выполняющей обработку изображения с учетом данных о величине перемещений камеры по координатам, измеряемых соответствующими датчиками 6, 7, 8.
Изобретение позволяет практически полностью устраниться от влияния перекосов контролируемого объекта относительно оптической оси камеры. При этом, если камерой захватывается все изображение объекта, устройство обработки можно запрограммировать не только на измерение каких-то размеров, но и проводить анализ формы, вычислять центр тяжести, момент сопротивления и т.д. Устройство позволяет значительно повысить точность оперативных измерений геометрических параметров объектов, сделав их независимыми от взаимного расположения телекамеры и контролируемого объекта при использовании в широком диапазоне измерений.