ПРОЕКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
PROJECTION DEVICE FOR PROMPT OBTAINING IMAGES OF SURFACE OF TEXTILE MATERIALS

Изобретение (фиг.1) относится к текстильной промышленности и может быть использовано текстильными предприятиями для оперативного получения первичной графической информации о структурных свойствах сырья (исходных волокон), полупродуктов (смеси, прочеса, формируемой суровой ткани) и готовой продукции (товарного суровья и готовых отделанных тканей) при выполнении входного, операционного и приемочного контроля качества.
Известно несколько устройств, используемых в качестве основных или вспомогательных средств при реализации методов контроля структурных свойств текстильных материалов.
Известно проекционное устройство «Микрофот 5 ПО-1» [Лабораторный практикум по текстильному материаловедению: учебное пособие для вузов / А.И. Кобляков, Г.Н. Кукин, А.Н. Соловьев и др. - М.: Легпромбытиздат, 1986, 344 с.], применяемое для переноса увеличенного изображения измеряемого объекта (нити, пряжи) на экран для последующей фиксации данного изображения на бумажный носитель вручную или с помощью фоточувствительной бумаги. К недостаткам устройства относятся: возможность проецирования изображения только в проходящем свете, громоздкость прибора, трудоемкость выполняемых процедур и отсутствие какого-либо устройства вывода (передачи) графической информации, что существенно затрудняет процесс получения данных и делает невозможным мобильный контроль качества непосредственно в зоне осуществления технологических процессов.
Также известен оптический планшетный сканер, позволяющий получать высококачественные цифровые изображения плоских объектов, размещенных на предметном стекле. Недостатком данного устройства является необходимость расположения исследуемого объекта очень близко к предметному стеклу, и закрытия крышки сканера для получения изображений приемлемого качества. Вследствие этого также становится невозможным использование сканера для оперативного получения изображений указанных текстильных материалов непосредственно в процессе их получения.
Известна цифровая фотокамера [Фотокамера для электронного устройства [Текст]: пат. РФ №2417545 МПК H04N 5/232 (2006.01) / ВЕРНЕРССОН Матс (SE); заявители и патентообладатели СОНИ ЭРИКССОН МОБАЙЛ КОММЬЮНИКЕЙШНЗ АБ (SE). - заявл. 11.08.2006; опубл.: 27.04.2011. - 16 ил.], проецирующая изображение объекта, освещенного фотовспышкой и расположенного на определенном фокусном расстоянии, на прямоугольную матрицу фоточувствительных датчиков. Недостатками фотокамеры являются: значительная затрудненность соблюдения условия параллельности расположения объекта и чувствительной матрицы; невозможность обеспечения фиксированного расстояния между фоточувствительной матрицей и исследуемым материалом, что неприемлемо вследствие неконтролируемого изменения масштаба получаемых изображений; неравномерность яркости получаемых изображений, особенно проявляющаяся при макросъемке светлых плоских объектов. Вследствие этого становится невозможным использование полученных изображений для точных оптических измерений.
6
За прототип проекционного устройства принят штатив 1 для фотокамеры 2 (фиг.2,а) [Tripod for a camera [Текст]: пат. США №7677510 В2 МПК F16M 11/26 (20060101), F16M 11/02 (20060101), F16M 11/38 (20060101) / Tang; Cheng-Syun (Taipei Hsien, TW); заявитель и патентообладатель Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. (Tu-Cheng, Taipei Hsien, TW). - № US 11/960664; заявл. 19.12.2007, опубл. 16.03.2010. - 7 с.: 4 ил.], позволяющий удерживать и позиционировать фотокамеру в определенном положении. Недостатками прототипа являются: затрудненность контроля и неопределенность действительного расположения чувствительной матрицы фотокамеры относительно объекта, особенно проявляющаяся при установке штатива на мягких или гибких подвижных поверхностях (в частности, текстильных материалах), что может вызвать геометрическое искажение результирующего изображения проецируемых объектов и некоторое изменение масштаба получаемых изображений; увеличенное время на подготовку (позиционирование камеры) к съемке каждого образца текстильных материалов на каждой единице технологического оборудования; зависимость яркости получаемых изображений от условий внешнего освещения. Также прототип не позволяет снизить неравномерность яркости получаемых изображений, обусловленную недостатками фотокамеры. На фиг.2,б приведена схема распределения светового потока от вспышки фотокамеры в соответствии с прототипом. Фотокамера 2 оснащена чувствительной матрицей 3 и вспышкой 4. В процессе макросъемки световой поток, распространяясь от вспышки, встречает препятствие в виде выдвинутого объектива фотокамеры 5, что приводит к возникновению на объекте съемки освещенных 6 и затененных 7 участков. Подтверждением данного факта является пример изображения белой бумаги (фиг.3,а). При анализе неравномерности яркости данного изображения выделены девять сегментов (фиг.3,б).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение оперативности получения изображений текстильных материалов, оперативности и точности позиционирования фотокамеры, значительное снижение и стабилизация неравномерности яркости и геометрических искажений получаемых изображений, а также независимость яркости получаемых изображений от условий внешнего освещения.
Указанный технический результат достигается тем, что в проекционном устройстве для оперативного получения изображений поверхности текстильных материалов, содержащем штатив для фотокамеры, позволяющий удерживать и позиционировать фотокамеру в определенном положении, согласно изобретению указанный штатив имеет колоколообразную форму, выполнен из полупрозрачной пластмассы и соединен с фотокамерой жесткой связью, обеспечивающей неизменное взаимное расположение и параллельность опорной площадки штатива и чувствительной матрицы фотокамеры.
Расширение функциональных возможностей проекционного устройства достигается за счет мобильности и компактности штатива, что позволяет переносить и устанавливать его в заданной точке контроля при любом наклоне фотографируемого объекта, в том числе непосредственно на работающем технологическом оборудовании, в лаборатории и в полевых условиях. Повышение оперативности получения изображений достигается за счет того, что отпадает необходимость отбора и приготовления проб текстильного материала, а равно и необходимость в остановке технологического оборудования. Повышение оперативности и точности позиционирования фотокамеры обеспечивается наличием жесткой связи между фотокамерой и штативом, а также неизменными размерами самого штатива. Значительное снижение и стабилизация неравномерности яркости получаемых изображений достигается применением полупрозрачного материала штатива, обеспечивающего рассеивание пучка света от фотовспышки и формирование области вторичных источников света на внутренней поверхности штатива. Снижение и стабилизация геометрических искажений получаемых изображений обуславливается неизменным взаимным расположением и параллельностью опорной площадки штатива и чувствительной матрицы фотокамеры. Независимость яркости получаемых изображений от условий внешнего освещения достигается созданием внутри штатива искусственных условий освещения в момент получения изображений за счет частичного отражения, поглощения и рассеивания света от возможных паразитных источников.
Примеры практического осуществления способа.
Технологический цикл производства текстильных изделий (тканей, трикотажа) предусматривает множество последовательных этапов: от выбора подходящего волокнистого сырья до формирования изделия и его отделки. Важным условием обеспечения требуемого качества продукции является оперативный контроль структурных свойств продуктов, получаемых на различных этапах технологического цикла. Значительная часть структурных свойств текстильных материалов может быть оценена по внешним признакам плоских объектов, связанным с геометрическими параметрами или их неоднородностью. Современные цифровые средства получения графической информации способны давать полную картину внешних признаков плоских объектов. Необходимо учитывать, что контрольные точки на соответствующих этапах технологического цикла имеют свои особенности (доступность расположения, размеры, близость к подвижным частям оборудования). В связи с этим необходимо разработать устройство, которое без дополнительной подготовки можно было бы использовать для контроля структурных свойств текстильных материалов на всем протяжении технологического цикла.
На фиг.1 представлено изображение предлагаемого устройства в трех ортогональных проекциях: фронтальной (фиг.1,а), горизонтальной (фиг.1,б) и вертикальной (фиг.1,в). Штатив 8 жестко связан с фотокамерой (объективом) таким образом, что его опорная площадка 9 перпендикулярна оптической оси фотокамеры и соответственно, параллельна чувствительной матрице 3. Таким образом, конструкция проекционного устройства обеспечивает неизменность расстояния между чувствительной матрицей и опорной площадкой штатива. Опорная площадка непосредственно соприкасается с объектом съемки, что обеспечивает заданное расстояние от объекта до чувствительной матрицы.
Схема распределения светового потока от вспышки фотокамеры в соответствии с изобретением приведена на фиг.4. Показано, что при использовании штатива, согласно изобретению, свет от вспышки фотокамеры освещает часть его внешней поверхности, что в результате рассеивания света полупрозрачным материалом приводит к появлению области вторичных источников света на внутренней поверхности штатива. Это, в свою очередь, приводит к снижению чрезмерной яркости света от вспышки фотокамеры, а также к повышению равномерности яркости изображения объекта.
Подтверждением данного факта является пример изображения белой бумаги, полученного в соответствии с изобретением (фиг.5,а). При анализе неравномерности яркости данного изображения также выделены девять сегментов (фиг.5,б).
Результат сравнительного анализа сегментированных изображений, представленных на фиг.3,б и фиг.5,б, приведен в табл.1.
Таблица 1
Параметр изображения
Значения параметров для изображения, полученного с помощью
прототипа
изобретения
Средняя яркость по сегментам*, усл. ед.:
I
237,84
163,64
II
233,56
162,23
III
210,7
151,79
IV
248,46
159,41
V
243,83
159,26
VI
221,45
148,41
VII
227,8
148,55
VIII
222,85
148,44
IX
180,84
140,16
Коэффициент вариации яркости между сегментами изображения, %
9,05
5,17
Минимальное значение яркости точки изображения, усл. ед.
8
104
Максимальное значение яркости точки изображения, усл. ед.
254
175
*Примечание: яркость оценивалась по 8-битной шкале ахроматического цвета от 0 усл. ед. (соответствует черному цвету) до 255 усл. ед. (соответствует белому цвету).
Таким образом, заметно значительное повышение равномерности яркости как по усредненным данным (сегментам), так и по отдельным точкам изображения. В частности, коэффициент вариации яркости между сегментами изображения снизился в 1,75 раза, а размах варьирования - в 3,46 раза.
На фиг.6 представлены результаты тарировки оптических искажений геометрии изображений миллиметровой бумаги, полученных в соответствии с прототипом (при отклонении оптической оси от перпендикуляра к объекту на 5°) - фиг.6,а, и в соответствии с изобретением - фиг.6,б.
Сравнение проводилось по отклонениям размеров изображения от номинальных значений в углах квадрата 100*100 мм в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вспомогательные линии проведены по касательным к линиям разметки миллиметровой бумаги в точках с предполагаемым минимальным искажением. Значения отклонений приведены в табл.2.
Таблица 2
Обозначение угловой зоны изображения
Отклонения от номинального размера, мм
Прототип
Изобретение
По горизонтали
По вертикали
По горизонтали
По вертикали
А
-1,0
-2,0
-0,5
-0,5
В
0,5
0,8
-0,5
-0,5
С
-1,3
0,5
-0,5
-0,5
D
0,7
-0,2
-0,5
-0,5
Из данных табл.2 видно, что оптические искажения геометрии изображения, полученного с помощью прототипа, могут существенно варьироваться в зависимости от направления оптической оси. В то же время при использовании изобретения искажения во всех исследуемых зонах стабильны, что позволяет учитывать их при анализе изображений текстильных материалов.
На фиг.7 приведен пример реализации проекционного устройства в соответствии с изобретением.
На фиг.8,а представлено изображение хлопчатобумажной ткани полотняного переплетения (бязи), полученное с использованием одного из аналогов предлагаемого устройства, а именно, сканера. Данное изображение является эталонным по качеству и характеризуется равномерной яркостью и отсутствием геометрических искажений. На фиг.8,б представлено изображение той же ткани, полученное с использованием прототипа. На нем наблюдается избыточная засветка в центральной зоне, что приводит к полной потере полезной информации о строении объекта. Кроме этого, в правом нижнем углу наблюдается тень от объектива фотокамеры, что также приводит к потере информации. На фиг.8,в представлено изображение той же ткани, полученное с использованием изобретения. Наблюдается практически полное совпадение характеристик изображения с эталонным изображением, полученным со сканера.
На фиг.1 приведены изображения проекционного устройства и его комплектующих в трех ортогональных проекциях; на фиг.2 - общая схема удержания и позиционирования фотокамеры и схема распределения светового потока от вспышки фотокамеры в соответствии с прототипом; фиг.3 - исходное и сегментированное изображения белой бумаги, полученные в соответствии с прототипом; фиг.4 - схема распределения светового потока от вспышки фотокамеры в соответствии с изобретением; фиг.5 - исходное и сегментированное изображения белой бумаги, полученные в соответствии с изобретением; фиг.6 - сравнение оптических искажений геометрии изображений, полученных в соответствии с прототипом (при отклонении оптической оси от перпендикуляра к объекту на 5°) и в соответствии с изобретением; фиг.7 - пример реализации изобретения; фиг.8 - визуальное сравнение изображений текстильных материалов, полученных с помощью аналогов и изобретения.