научная статья по теме АЛГОРИТМ БЫСТРОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАРКЕРОВ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Метрология

Текст научной статьи на тему «АЛГОРИТМ БЫСТРОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАРКЕРОВ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ»

5. Григорьев С. Н., Козочкин М. П., Сабиров Ф. С., Сино-пальников В. А. Диагностика технологического оборудования в современном производстве // Технология машиностроения. 2012. № 1. С. 45—50.

6. Kozochkin M. P., Porvatov A. N. Effect of Adhesion Bonds in Friction Contact on Vibroacoustic Signal and Autooscillations // J. Friction Wear. 2014. V. 35. N. 5. P. 389—395.

7. Козочкин М. П., Сабиров Ф. С. Аттракторы при резании и перспективы их использования в диагностике // Измерительная техника. 2009. № 2. С. 37—41.

8. Маслов А. Р., Молодцов В. В. Моделирование колебаний инструментальной системы для растачивания отверстий // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2014. № 4 (31). С. 196—199.

9. Козочкин М. П., Сабиров Ф. С., Порватов А. Н., Боган А. Н. Вибрационный контроль технологического оборудования в производстве // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2012. № 4 (20). С. 8—1 4.

10. Козочкин М. П., Сабиров Ф. С. Выявление дефектов шпиндельных узлов виброакустическими методами // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2009. Т. 13. № 1. С. 133—137.

11. Козочкин М. П., Кочинев Н. А., Сабиров Ф. С. Д иагнос-тика и мониторинг сложных технологических процессов с помощью измерения виброакустических сигналов // Измерительная техника. 2006. № 7. С. 30—35.

12. Кузовкин В. А., Филатов В. В., Порватов А. Н., Порва-това А. Н. Система измерения активной мощности асинхронного двигателя станочного электропривода // Измерительная техника. 2014. № 2. С. 60—62.

13. Исаев А. В., Козочкин М. П., Порватов А. Н. Информационно-измерительная система контроля вибраций при металлообработке // Метрология. 2011. № 8. С. 18—25.

14. Пат. 2478929 РФ. Способ определения износа режущего инструмента / С. Н. Григорьев, М. П. Козочкин, В. В. Филатов, А. Н. Порватов // Изобретения. П олезные модели. 2013. № 1 0.

15. Пат. № 2481183 РФ. Устройство автоматизированного контроля нагрузки на валу электродвигателя металлорежущего станка / В. А. Кузовкин, В. В. Филатов, А. Н. Порватов, Е. А. Соколов, В. А. Камнев // Изобретения. Полезные модели. 2013. № 13.

Дата принятия 27.05.2015 г.

681.786.4

Алгоритм быстрого распознавания измерительных

маркеров для бесконтактных измерительных систем

С. Г. КОНОВ, А. А. ХОХОЛИКОВ, В. В. СКВОРЦОВА

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Москва, Россия, e-mail: public32@gmail.com

Рассмотрен алгоритм распознавания измерительных маркеров различного назначения, применяемых в пространственных информационно-измерительных системах. Приведены примеры для использования алгоритма в системах, основанных на технологии фотограмметрии.

Ключевые слова: фотограмметрия, пространственная измерительная система, измерительный маркер, сопряженные точки.

An algorithm for detecting different measuring markers used for spatial information-measuring systems is considered. The examples of using the algorithm in systems based on photogrammetry technology are presented.

Key words: photogrammetry, three-dimensional measuring system, measuring marker, conjugated dots.

В настоящее время большое количество измерительных задач в машиностроении можно решить с применением бесконтактных измерительных технологий, что повышает актуальность разработки современных пространственных фотограмметрических информационно-измерительных систем (ИИС) [1, 2]. При проектировании таких систем разработчикам приходится решать задачи, для которых в пространстве ИИС требуется выделение отдельных опорных точек [3, 4]. При применении бесконтактных технологий, основанных на фото- и видеокамерах, эти точки часто являются центрами измерительных маркеров, выполняемых в виде геометрических примитивов контрастных цветов. Измерительные

маркеры, как правило, являются фигурой с центральной симметрией, в подавляющем большинстве случаев — кругом ч ер-ного цвета на белом фоне или со специальными световозв-ращающими покрытиями для подсветки маркеров [5].

Взаимное расположение маркеров устанавливается при их изготовлении или обеспечивается технологически. При проектировании фотограмметрических информационно-измерительных сканирующих или следящих систем маркеры используют для: калибровки [6, 7], задавая опорные измерительные маркеры с известными координатами; организации процесса слежения за перемещениями объектов в рабочем пространстве ИИС, размещая маркеры на поверх-

ности объекта слежения; объединения результатов исследований поверхностей, проведенных в различных положениях, назначая группу опорных точек в разных системах координат [8].

Погрешность, вносимая при идентификации измерительных маркеров, приводит к дополнительной погрешности измерений, зависящей от координат. Если измерительные маркеры используют при калибровке ИИС, то погрешность определения их координат обусловит неправильное определение параметров камер, а все последующие измерения, применяющие данные параметры, будут содержать погрешность определения измерительных маркеров при калибровке.

При решении задач сканирования и слежения [9] в фотограмметрии координаты центров измерительных маркеров получают в системе координат каждой из камер, затем на их основе с учетом калибровочных коэффициентов вычисляют необходимые пространственные координаты. Таким образом, при использовании камер в качестве чувствительных элементов основной задачей является определение координат центра опорного маркера в двухмерном изображении.

Теория машинного зрения располагает значительным арсеналом математических средств для обнаружения объектов известной формы на изображениях [10], среди которых и корреляционный анализ, и применение специальных фильтров, однако лишь немногие удовлетворяют важнейшим критериям для ИИС, таким как высокая точность определения координат центра маркера, высокая производительность алгоритма, т. е. способность находить сотни точек в секунду, отсутствие искажений в информации при ее обработке.

Изображение круглого измерительного маркера является дискретизованным в пространстве и по уровню и представляет матрицу, содержащую значения яркостей соответствующих пикселов, при этом номера пикселов — это координаты в пространстве изображения. Изображение, получаемое камерой без дополнительной обработки, имеет ряд особенностей: черный цвет маркера содержит фоновый шум, наводимый ПЗС-матрицей; контрастность требует доработки, так как не все фоновые пикселы белые; граница между маркером и фоном размыта.

При работе с подобными изображениями обработку целесообразно проводить в два этапа: приблизительно определить ориентировочные координаты центров маркеров на изображении; уточнить эти координаты. На первом этапе к изображению применяют специальный нормализующий фильтр, затем проводят его бинаризацию и упрощенный корреляционный анализ. Нормализующий фильтр [11, 12] необходим для преобразования яркости каждого пиксела, которое проводят в соответствии с выражением для 8-разрядных изображений:

После нормализации в изображении значительно снижается уровень шума вблизи значений, соответствующих ч ер-ному и белому цвету, при этом характер распределения яркости на граничных переходах не меняется, так как преобразование линейное. После этого для ускорения поиска нескольких маркеров на одном изображении его бинаризиру-ют в соответствии с условием

У =

0, если 0 < х < с;

1, если с < х < 255,

где с — порог бинаризации.

Полученная бинарная матрица является битовым полем, что позволяет значительно сократить ресурсы системы, выделяемые для хранения и обработки изображения в дальнейшем. В битовом поле определенные элементы можно найти методом упрощенного корреляционного анализа, для которого необходимо создать эталонное изображение искомого объекта в форме бинарной матрицы, а затем вычислить число совпадений значений соответствующих элементов для всех возможных взаимных расположений эталонной и исследуемой матриц. Для расчетов надо воспользоваться следующим выражением, основанным на операции побитового исключающего:

4,1

п - 1(Л,

у ^ Вк+/, I+у )

У

где гк 1 — упрощенный коэффициент корреляции эталона с элементом изображения, верхний левый угол которого расположен в к-й строке и 1-м столбце; п — количество элементов в матрице-эталоне; i, j — строки и столбцы эталона, соответственно; А — матрица-эталон; В — бинарное изображение.

Полученный набор коэффициентов гк 1 образует матрицу, которая сводит поиск элемента, похожего на эталон, к процессу нахождения наибольших значений. Анализ такой матрицы позволяет выявить участки, похожие на искомый фрагмент, и получить первое приближение их координат в пространстве изображения. После нахождения координат первого приближения, можно уточнить координаты центра измерительного маркера, вычислив координаты центра масс на исходном изображении в окрестностях координат первого приближения. Для случая с черным маркером на белом фоне координаты центра масс рассчитывают по формулам

хц = £

У

уХ(255- С, у) /£(255- С,- у);

0, если 0 <х<а;

У=

255х 255а

, если а <х<Ь

Ь - а Ь - а 255, если Ь<х<255,

Уц=£

'' 1(255 - С,у )

/£(255 - Су )

где х, у — яркость пикселов до и после нормализации, соответственно; а, Ь — нижний и верхний пороги нормализации, соответственно; при этом 0 соответствует черному цвету, а 255 — белому.

где С, у — яркость пиксела, расположенного в ¡-й строке j-го столбца исходного изображения; хц, уц — координаты центра масс сегмента изображения, принимаемые за координаты центра измерительного маркера.

Основными достоинствами приведенного алгоритма являются:

высокая производительность ввиду отсутствия сложных в реализации математических операций;

более точная оценка координат центра измерительного маркера, так как измерительная информация подвергается искажениям только при вычислениях и только в первом приближении;

гибкость и возможность реализации поиска измерительных маркеров различных форм.

Описанный алгоритм идентификации измерительных маркеров был опробован в работе макета пространственной фотограмметрической ИИС, разработанного в МГТУ «СТАНКИН». Алгоритм показал повышение эффективности распознавания координат центров измеритель

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»