СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМА КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ
METHOD OF SCALING ROUND TIMBER

Способ измерения объема круглых лесоматериалов относится к измерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется на разных стадиях заготовки и обработки лесоматериалов при контроле весогабаритных параметров исходного материала.
Известен гидростатический метод измерения объема лесоматериалов (Справочник по круглым лесоматериалам - Химки: Лесэксперт, 2003. - 149 с.). Он основан на измерении при полном погружении бревен в воду. Метод базируется на законе Архимеда: "На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и численно равная весу жидкости, вытесненной телом".
Недостатком этого способа измерения является очень высокая трудоемкость и длительность процесса и существенная зависимость результатов от температуры окружающей среды.
Известен способ измерения (Справочник по круглым лесоматериалам - Химки: Лесэксперт, 2003. - 149 с.), называемый метод габаритных размеров. Его применяют для штабелей в вагонах, на автомобилях и для пучков на сплаве (ОСТ 13-44-81). Он заключается в измерении габаритной высоты и габаритной ширины обычно на середине длины штабеля. Складочный объем вычисляют перемножением этих значений на номинальную или на среднюю длину бревен в штабеле
с
г
г
У=Н·В·L,
с
3
У - складочный объем штабеля, м;
г
Н - габаритная высота штабеля, м;
г
В - габаритная ширина штабеля, м;
L - номинальная или средняя длина бревен в штабеле, м.
Действительное поперечное сечение штабеля заменяют сечением прямоугольника, вычисленного по габаритным размерам. В него включаются и пустоты, образующиеся из-за несоответствия сечения штабеля прямоугольнику. В этом случае вместо полнодревесности используют термины «коэффициент перевода» (ОСТ 13-43-79) или коэффициент «полноты объема».
Метод прост в реализации, но требует применения большого количества исполнителей низкой квалификации и, при этом, отклонения формы, зависящие от работы персонала, и степень выравнивания бревен верхнего ряда штабеля вносят дополнительные погрешности в результат измерения объема лесоматериалов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ определения объема круглых лесоматериалов (ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА И КАЧЕСТВА КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ № заявки 99109434, опубликованной 2001.02.10), заключающийся в том, что для определения диаметра торцов бревен и расчета полезного объема осуществляют съемку торцевых сторон бревен, для этого размещают, как минимум, одну управляемую стереопару, состоящую из видеокамер, ориентированных для съемки торцов, устанавливают маркеры с заданным расположением их в пространстве, причем таким образом, чтобы они попали в угол обзора обеих камер, регистрируют и получают изображения торцов в виде пары (стереопары) растровых изображений, поочередно вводят полученные изображения в компьютер, который преобразует их в эквивалентные цифровые изображения с соответствующей разрешающей способностью, размещают левое и правое изображения для получения стереоскопического эффекта, проводят компьютерную обработку изображений путем цветового выделения торцов, векторизирования изображений (если съемка велась под углом), приводят в плоскость, параллельную плоскости экрана, восстановления недостающих границ торцов бревен и приведения всех торцов к единой плоскости, наблюдают объемную геометрическую модель бревен, приводят ее к плоскости маркеров, аппроксимируют каждый торец известными способами с минимальной погрешностью, получают теоретическую модель бревен, по которой с помощью ЭВМ определяют наименьший диаметр каждого торца и/или площадь, по известному заранее соотношению переходят от системы координат экрана к системе координат объекта и вычисляют объем исследуемых круглых лесоматериалов по известным методикам.
Сущность изобретения: способ определения диаметра торцов бревен и расчета полезного объема основан на анализе с помощью ЭВМ результатов съемки с помощью нескольких видеокамер торцов бревен и на основании восстановленных границ бревен, вычислении площади торцов и соответственно объема штабеля.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются существенное влияние на результат погрешностей, вносимых дефектами оптики аппаратуры, и сложность реализации системы.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа измерения объема круглых лесоматериалов, обеспечивающего высокую точность измерений и относительно небольшие аппаратные затраты. Это достигается путем использования в процессе измерений эталонов площади и длины и введения поправочных коэффициентов при вычислении конечного результата.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие в процессе измерения операций съемки торцов бревен, получение их изображений, преобразование их в цифровой эквивалент и получение параметров теоретической модели бревен.
Суть изобретения заключается в том, что на стадии съемки на торцы некоторых бревен и стволы некоторых наружных бревен штабеля прикрепляют эталоны известной площади и длины в количестве, достаточном для получения требуемой точности, занимающие часть соответствующего торца бревна и длины ствола бревна, осуществляется фотографирование обоих торцов и боковой поверхности штабеля, полученные изображения оцифровываются и обрабатываются с помощью компьютера для определения точных границ контуров торцов бревен и эталонов, определяют площадь торцов, эталонов и длины штабеля на фотографиях, вычисляют поверхность значений коэффициентов подобия на основании сравнения полученных после обработки снимков размеров эталонов и истинных их размеров, затем, с учетом коэффициентов, вычисляют площадь торцов и длину бревен, на основании которых по принятой модели определяется объем лесоматериалов.
Технический результат достигается за счет простоты получения исходной информации об объекте и применения эталонов, существенно упрощающих процесс получения результата измерения с высокой точностью. Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено моделирование процессов измерения, и, уже, практическая проверка путем обработки реальных снимков в соответствии с предложенным способом.
Способ измерения объема круглых лесоматериалов поясняется с помощью схемы фотографирования, приведенной на фигуре 1, и структурной схемы процесса измерения, приведенной на фигуре 2. На фигуре 1 приняты следующие обозначения:
1 - торцы бревен,
2 - эталоны пощади для торцов бревен,
3 - эталоны длины бревна,
4 - исходное место фотографирования длины штабеля,
5 - исходное место фотографирования 1-го торца штабеля,
6 - исходное место фотографирования 2-го торца штабеля.
Эталоны 2 и 3 располагают, насколько это возможно, равномерно по предполагаемой площади снимка на торцах бревен и по наружной стороне бревен штабеля. Размеры эталонов выбирают такими, чтобы они были несколько меньше минимального сечения бревна в штабеле, а эталоны длины составляли часть длины бревна. При этом расстояние от места расположения фотоаппарата (точки 4,5 и 6) до объекта фотографирования выбирается таким, чтобы изображение штабеля занимало наибольшую (насколько это позволяют условия) площадь снимка, так как это позволит обеспечить максимальное разрешение при анализе снимков. При этом расположение фотоаппарата ближе к центру симметрии фронтальной поверхности объекта способствует уменьшению искажений, связанных с некорректным отображением геометрических размеров объектов.
Например, если протяженность объекта 12 м, светочувствительная матрица фотоаппарата имеет разрешение 3000×2000 пикселов, то при предельном заполнении кадра расстоянию между двумя пикселями будет соответствовать 12000 мм / 3000 = 4 мм. Тогда, если посчитать, что погрешность измерения определяется только разрешающей способностью матрицы, то минимальный размер объекта, который может быть измерен на этом снимке с погрешностью меньше одного процента, будет 4 мм·100=400 мм (40 см). Для объектов протяженностью от 0,4 м и до 12 м погрешность, вызванная разрешающей способностью матрицы, будет составлять существенно меньшую величину.
На фигуре 2 приняты следующие обозначения:
7 - установка эталонов,
8 - съемка торцов с одной стороны,
9 - съемка торцов с другой стороны,
10 - съемка боковой поверхности,
11 - обработка снимков,
12 - ввод в ЭВМ,
13 - распознавание торцов отдельных бревен, длины бревен и эталонов соответственно,
14 - вычисление коэффициентов подобия для площадей торцов,
15 - вычисление коэффициентов подобия для длины бревен,
16 - формирование поверхности значений коэффициентов подобия,
17 - вычисление площади торцов бревен,
18 - вычисление длины бревен,
19 - вычисление объема.
Процесс измерения реализуется в следующей последовательности. Осуществляется установка эталонов на торцах бревен штабеля и боковых наружных бревнах. Потом проводится, в соответствии с вышеприведенными ограничениями, фотографирование обоих торцов и боковой поверхности штабеля из трех позиций, показанных на фигуре 1. Полученные снимки обрабатываются (подготавливаются для ввода в ЭВМ, например оцифровываются) и вводятся в ЭВМ. В ЭВМ проводится обработка изображений для определения точных границ контуров торцов бревен и эталонов. Вычисляют размеры эталонов (в одном случае площадь, а в другом длину) на полученных снимках. На основании сравнения размеров эталонов площади и длины
m
n
m
n
(s и a соответственно), полученных после обработки снимков, и истинных их размеров (S и A соответственно) формируют коэффициенты для вычисления площади и длины реальных объектов по формуле:
m
m
m
K=S/s - коэффициент подобия для вычисления площади,
n
n
n
P=A/a - коэффициент подобия для вычисления длины, где
m и n - текущий номер эталонов площади и длины соответственно.
ij
r
Так как эталоны находятся на разных участках объекта, а соответственно, и снимка, то, с учетом искажений изображений, вызванных различными составляющими от несовершенства оптики фотоаппарата и освещенности объекта до качества организации процесса фотографирования, значения этих коэффициентов К могут существенно изменяться для разных участков поверхности снимка. Поэтому, для повышения точности вычисления площади реального объекта, каждой точке c (миниучастку) площади фотографии и b (миниотрезку) должны соответствовать конкретные коэффициенты пересчета, а не среднее их значение. Тогда, путем принятого метода интерполяции, учитывающего специфику используемой аппаратуры и (или) условий съемки, проводится построение поверхности значений коэффициентов К и Р, с помощью которых вычисляются истинные размеры объекта по размерам его на фотографии по формулам:
;
.
По полученным площади торцов и длине штабеля, с учетом принятой модели, определяется объем лесоматериалов.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность измерения объема лесоматериалов и упростить аппаратное исполнение устройств для его реализации.
Проверка правильности полученных результатов проводилась путем моделирования и натурных испытаний. Результаты подтвердили возможность существенного снижения погрешности измерения объемов.
Применение этого способа на практике позволит упростить процесс разработки автоматизированных системам учета леса на лесоперерабатывающих предприятиях различного профиля и значительно снизить издержки лесоперерабатывающих и лесодобывающих предприятий.