Развитие телевизионных методов измерения геометрических параметров труб

УДК 621.179.14

И. Ю. Жиганов

РАЗВИТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРУБ

Рассматриваются основные направления развития телевизионных устройств измерения геометрических параметров труб, структурные схемы и методы аппаратурной реализации, позволяющие исключить влияние взаимного расположения телекамеры и объекта на результат измерений. Использование современных методов обработки изображений позволяет повысить точность и стабильность исследуемых устройств. Результаты экспериментальных исследований показали возможность достижения требуемой точности.

Ключевые слова: геометрические параметры трубы, дистанционное измерение, телекамера, погрешность обработки изображения.

В настоящее время измерение геометрических параметров труб (ГПТ) производится в основном вручную инструментальными методами с помощью шаблонов и измерительных инструментов. Телевизионные методы измерения ГПТ, предложенные в работах [1—6], не получили широкого распространения в связи с рядом недостатков, в частности, зависимости результатов измерений от взаимного расположения телекамеры и объекта контроля. Автором предложены бесконтактные телевизионные методы и устройства измерения ГПТ [1], которые имеют очевидные преимущества и вследствие развития телевизионной и компьютерной техники в настоящее время становятся вполне дешевыми и доступными. Использование волоконной оптики, калибровочных каналов и современных методов обработки изображений позволяет повысить точность и стабильность исследуемых устройств.

Телекамера позволяет спроецировать изображение трубы или ее элементов на фотоматрицу, ввести его в компьютер или специализированный микропроцессор и в дальнейшем математически обработать. Метод эффективен при определении формы профиля, толщины стенки, изгиба трубы и ее длины. Чувствительность современных телекамер такова, что позволяет обходиться без дополнительного освещения, используя только естественный свет. Простейшая установка для определения ГПТ содержит телекамеру, расположенную на определенном расстоянии от контролируемого объекта, выход которой через устройство ввода изображения подсоединен ко входу компьютера. Несмотря на конструктивную простоту возможности этой схемы далеко не исчерпаны и ее развитие в первую очередь связано с алгоритмами обработки видеосигнала. Введенное в компьютер изображение может обрабатываться по специальным программам, в результате определяется внешний и внутренний диаметры трубы, толщина стенки, отклонение от требуемой формы, площадь, момент инерции профиля, вычисляются максимальные отклонения от паспортных характеристик, выдается заключение о соответствии данной трубы ГОСТу. Отметим, что профиль торца может быть круглым или фасонным и компьютер должен проводить анализ параметров труб на соответствие требованиям. При наличии индивидуальной маркировки труб компьютер также может вести автоматическое протоколирование результатов измерений.

Рассмотрим алгоритмы вычислений некоторых геометрических параметров круглых труб. Процесс формирования изображения на матрице камеры для случая ее идеального торцевого расположения проиллюстрирован на рис. 1, где Ь — расстояние от камеры до торца трубы, Ь — длина, Я1 — внутренний радиус, Я2 — внешний радиус, ё — толщина стенки трубы, в — половина угла обзора телекамеры, г — радиус проекции выходного отверстия противоположного торца трубы, 1 — ТВ-камера, 2 — оптическая система, 3 — ПЗС-матрица.

На поверхности фотоматрицы формируется изображение, размеры которого зависят от максимального угла захвата телекамеры и расстояния от ее торца до торца трубы. Коэффициент преобразования реальных размеров трубы в размер изображения на матрице телекамеры определяется параметрами оптической системы. Изображение всех реальных параметров трубы на поверхности матрицы будет иметь следующие размеры: Я' = КЯ;, Я2 = КЯ^, й' = Кй, г' = Кг , где К — коэффициент преобразования. Если известен коэффициент преобразования, по изображению, формируемому телекамерой, можно определить реальные размеры трубы. При этом по изображению противоположного торца трубы можно измерять не только внешний, внутренний радиусы, толщину стенки, но и длину трубы, если она прямая и внутренний радиус известен. Размер проекции противоположного торца трубы определяется телесным углом, по которому проектируется дальнее отверстие трубы, зависит от длины и на основе законов подобия вычисляется по формуле

Я'Ъ

г = . Ь + Ъ

Отсюда длину трубы можно определить по формуле

Ь = Ъ(Я - г') = Ъ(Я; - г) г г

если известна длина, то можно определить внутренний радиус трубы:

Ь + Ъ г' (Ь + Ъ) -г =

й

Рис. 1

Основной трудностью при таком методе измерения является сохранение фиксированного расстояния Ъ между камерой и торцом трубы. Для этого требуется специальное устройство, которое бы фиксировало и центрировало телекамеру относительно торца. Компьютерную обработку результатов затрудняют посторонние объекты, которые попадают в угол обзора телекамеры.

Если необходимо измерить только внутренний радиус и длину, то телекамеру можно расположить и центрировать по торцу трубы. В этом случае размер изображения противоположного торца трубы будет определяться по формуле:

г' = К-Я1

Ь 18 в

При известной длине можно определять внутренний радиус или при известном радиусе можно определять длину трубы. В общем случае если известно расстояние от камеры до торца трубы, на который сфокусирована оптика, требуемые размеры определим по формулам:

я; = К-Я

Ъ18 в

Я2 = К Я2

Ъ18 в

й' = я; - я2.

г

1

2

3

Обработка изображения может проводиться программным и аппаратным способами. При программной обработке, которая выполняется на компьютере, последовательность действий может быть следующей.

1. Фильтрация изображения (выделение контуров по уровню серого, так как торец, внутренняя область и фон освещены по-разному).

2. Для каждого выделенного уровня серого определение общего количества пикселов (элементов фотоматрицы) заданной яркости, что будет соответствовать площади измеряемой фигуры.

3. Соотнесение полученного числа с измеряемым радиусом (диаметром) через формулу площади круга или кольца в зависимости от конкретного режима съемки изображения.

4. Определение длины по формулам (2)—(5), если радиус известен.

5. Анализ формы торца трубы по специальным алгоритмам.

Возможно применение процесса калибровки на эталонной трубе. Метод позволяет также проводить контроль одновременно нескольких труб, попадающих в зону захвата объектива телекамеры. Математическую модель можно ограничить законами геометрической оптики с обязательным учетом искажений объектива и дискретности фотоматрицы, которые могут быть учтены через поправочные коэффициенты, определяющие конкретные условия измерений и характеристики применяемой элементной базы.

Недостатком телевизионного метода контроля ГПТ, использующего одну телекамеру, является зависимость результата измерений от ориентации камеры относительно оптической оси и расстояния от камеры до трубы. Избавиться от этого недостатка можно, если контроль производить одновременно несколькими телекамерами, разнесенными друг от друга на фиксированные расстояния.

Схема телевизионного устройства контроля с двумя телекамерами приведена на рис. 2 (а — схема формирования изображения фигуры на экранах телекамер, б — совмещенное на одном экране изображение). Устройство состоит из двух одинаковых телекамер 1 и 2, разделенных фиксированным расстоянием I, выходы которых через устройство ввода 3 соединены с компьютером 4, 5 — граница телесного угла обзора телекамеры, 6 — объект, 7 и 8 — экран первой и второй камеры соответственно.

Суть работы устройства состоит в том, что на измеряемом объекте делается произвольная метка (точка а, рис. 2, а), которая с помощью смещенных в пространстве телекамер будет проектироваться на точки а1 и а2 экрана видеоконтрольного устройства. При совмещении изображений от двух телекамер на одном видеоконтрольном устройстве точки а1 и а2 будут

разнесены в плоскости экрана на расстояние /' (рис. 2, б). Таким образом, независимо от расстояния от камеры до объекта и смещения оптической оси телекамер от центра фигуры, измерив на экране длину отрезка /' и соотнеся ее с реальным размером /, всегда можно определить размер пиксела экрана (масштаб) М = ///'. Далее, подсчитав число пикселов, соответствующих изображению контролируемой фигуры на одном из экранов и умножив результат на цену деления, можно определить реальные (Я) геометрические размеры изделия, т.е. Я = МК , где К — размер изделия на экране. Таким образом независимо от взаимного расположения объекта и телекамеры в устройстве автоматически вычисляется цена деления экрана. При этом, если камерой захватывается все изображение объекта, устройство обработки можно запрограммировать не только на измерение каких-то размеров, но и на анализ формы, вычисление центра тяжести, момента сопротивления и других параметров, определяемых геометрией объекта контроля.

Применение трех или четырех камер, разнесенных во взаимно перпендикулярных направлениях, позволяет вычислять размер одного пиксела по двум координатным осям, что позволит повысить точность измерений.

На рис. 3 показана схема телевизионной установки, основанная на пространственном сканировании объекта измерений путем поворота телекамеры на фиксированные углы. По принципу работы устройство аналогично прибору, представленному на рис. 2, а, но конструктивно отличается от него тем, что вместо двух телекамер используется одна, которая поворачивается по отношению к объекту измерения на фиксированные углы а с помощью соответствующего устройства управления 1 (остальные обозначения соответствуют рис. 2). На основе данных о прогнозируемом искажении размеров и формы объекта можно вычислить реальные геометрические параметры измеряемой трубы и исключить при этом влияние перекосов и изменения расстояния до объекта. Очевидно, что чем больше фиксированных углов съемки, тем более точны результаты измерений.

Рис. 3

Универсальным оптическим датчиком служит телекамера. Для задач контроля ГПТ достаточно изображения черно-белых телекамер, которые можно условно разделить на модели со средним (380—420) и высоким (550—570 ТВ-линий) разрешением.

Для систем контроля ГПТ целесообразно применять поворотные телекамеры с дистанционно управляемым углом поворота. Управление в таких камерах осуществляется по протоколу ASCII либо RS-422. Телекамеры имеют высокочувствительную 1/3" ПЗС-матрицу superHAD с разрешением 752x582 пикселов в стандарте PAL, автоматический баланс, регулировку усиления и у-коррекцию, благодаря чему формируется качественное изображение при освещенности до 3 люкс. Погрешность установки в заданное положение составляет 1°, что при определенных условиях обеспечивает высокую точность измерения ГПТ.

Для экспериментального исследования телевизионных методов измерений ГПТ создана установка, включающая телекамеру Video Blaster WebCam Plus со встроенной платой ввода изображения, собственным программным обеспечением и компьютер класса P-III. Целью исследований было изучение особенностей формирования изображения профиля трубы в зависимости от расстояния до объекта, перекосов камеры в различных плоскостях, изучение искажений изображений. В результате экспериментально показано, что при перекосах камеры в пределах у = ± 5° погрешность измерения размера не превышает 1 %. Удельное изменение размера при смещении объекта от оптической оси составляет 8х = 0,000 47, 8y = 0,000 22 мм-1, при этом эллиптичность, вычисленная как отношение размеров по осям, составляет

еэ = 0,975. Удельная погрешность при изменении расстояния до трубы: 8 = 0,003 мм-1.

На рис. 4 показана возможность измерения внешнего (D = 40 мм), внутреннего (d = 39,3 мм) диаметра, толщины стенки и длины трубы (L = 160 мм) по размеру изображения противоположного отверстия. Цена одного пиксела (0,162 мм) для данного расстояния определена предварительной калибровкой установки. Результаты измерений, полученные после обработки изображения: D = 42,1 мм, d = 39,6 мм, толщина стенки 1,26 мм, L = 156 мм, что удовлетворяет требованиям ГОСТ.

Экспериментальные исследования телевизионных методов измерений ГПТ показали их приемлемую точность, эффективность и широкие возможности получения измерительной информации. Результаты получены при использовании средних по разрешающей способности оптики, телекамеры, компьютера.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ободан В. Я. Автоматический контроль размеров сечения сортового проката и труб. М.: Металлургия, 1985. 96 с.

2. Ободан В. Я., Скрипченко А. И., Сологуб Б. В. Телевизионный автоматический микропроцессорный измеритель габаритных размеров сечения труб и проката // Сталь. 1989. № 6. С. 58—61.

3. Ободан В. Я. Контроль объема заготовок круглого сечения оптоэлектронным способом // Изв. вузов. Приборостроение. 1997. Т. 40, № 2. С. 40—43.

4. Радиотехнические и телевизионные средства сбора и обработки информации / Под ред. К. Е. Румянцева. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. 162 с.

5. Балабаев С. Л., Румянцев К. Е. Телевизионный датчик контроля изделий металлургического производства // Информационные технологии в науке и образовании. Сб. науч. тр. Вып. 28. Шахты, 1998. С. 24—28.

6. Жиганов И. Ю. Бесконтактные устройства измерения геометрических параметров труб. М.: Межвуз. книга, 2004. 220 с.

Сведения об авторе

Игорь Юрьевич Жиганов — Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева, E-mail: aps@ssau.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

электротехники 06.08.07 г.