Содержание к диссертации
Введение
1 Оптоэлектронные методы измерения ЗБ геометрии 13
1.1 Методы измерения ЗБ геометрии на основе пространственной модуляции оптического излучения 13
1.2 Методы измерения ЗБ геометрии на основе методе фазовой триангуляции 18
1.3 Метод компенсации нелинейности тракта источник - приемник оптического излучения 32
1.4 Методы расширения динамического диапазона при фазовых измерениях 36
1.5 Оценка погрешности метода измерения ЗБ геометрии на основе пространственно-временного модулирования источника оптического излучения 39
1.6 Выводы 44
2 Методы калибровки системы измерения 313 геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения 46
2.1 Анализ методов калибровки оптоэлектронных систем измерения ЗБ геометрии 46
2.2 Калибровка оптоэлектронной системы с использованием параллельных калибровочных плоскостей и калибровочной мишени 51
2.3 Самообучающиеся алгоритмы калибровки оптоэлектронных систем измерения ЗБ геометрии 55
2.4 Выводы 67
3 Прототип оптоэлектронной системы измерения геометрии крупногабаритных объектов 69
3.1 Программное обеспечение оптоэлектронной системы измерения геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения 69
3.2 Реализация калибровки оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов 78
3.3 Лабораторные испытания оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов 88
3.4 Полевые испытания оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов 91
3.5 Промышленные испытания оптоэлектронной измерительной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов 97
3.6 Выводы 109
Заключение 111
Список использованных источников 113
Приложение
- Методы измерения ЗБ геометрии на основе методе фазовой триангуляции
- Калибровка оптоэлектронной системы с использованием параллельных калибровочных плоскостей и калибровочной мишени
- Реализация калибровки оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов
- Промышленные испытания оптоэлектронной измерительной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов
Введение к работе
Развитие ведущих отраслей экономики, нефтегазового и аэрокосмического комплексов, энергетики и атомной промышленности связано с применением точных машиностроительных изделий со все более сложной трехмерной (ЗБ) геометрией. Прецизионный контроль ЗО геометрии крупногабаритных изделий в процессе производства позволяет существенно повысить КПД высокотехнологичных энергетических установок и предотвратить техногенные катастрофы. Разработка и создание новых оптоэлектронных систем для измерения крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источников оптического излучения становятся все более актуальными и востребованными. Новые методы измерений ЗО геометрии крупногабаритных объектов базируются на возможностях современных оптико-электронных приборов, компьютеров, алгоритмов и новейшей элементной базе. Широкий спектр проблем, возникающих в оптике, источниках пространственно модулированного оптического излучения, регистрации и обработке оптико-электронных сигналов и изображеиий, определяет многообразие способов их преодоления, отличающихся по функциональным возможностям и техническим решениям [1-5].
К моменту начала работы над диссертацией в работах отечественных и зарубежных специалистов были заложены основы оптоэлектронных методов измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов [6-16].
Современные методы измерения ЗБ геометрии объектов можно разделить на два больших класса — контактные (координатно-измерительные машины, щуповые приборы, измерительные проекторы и т. д.) [17-20] и бесконтактные, среди которых наиболее распространены методы светового сечения, стереоскопические, интерференционные и растровые методы. Стереоскопические методы измерения отличаются низкой производительностью и высокой погрешностью. Применяются стереоскопические методы, как правило, в задачах исследования рельефа земной поверхности с помощью аэрофотоснимков [21-23], либо применяются, как расширение других методов. Методы светового сечения обладают погрешностью измерения порядка 0.5 мм, однако, для измерения полной ЗБ геометрии необходимо наличие блока сканирования, обеспечивающего механическое перемещение измерителя вдоль измеряемого объекта [24]. Интерференционные методы измерения [25-28] обладают очень низкой погрешностью (до 1 нм), но работают в узком диапазоне измеряемых расстояний (порядка длины волны источника когерентного излучения).
Растровые методы, или методы, использующие пространственно модулированный источник оптического излучения являются особенно перспективными [29-44], так как не требуют операции механического перемещения в процессе измерения. Исследуемый объект освещается пространственно модулированным источником оптического излучения и наблюдается с направления, отличного от направления освещения. Наблюдаемое изображение содержит искажения, кодирующие информацию о третьей координате (дальности). Известны различные модификации систем измерения, использующих пространственно модулированный источник оптического излучения, которые отличаются видом пространственной модуляции и алгоритмов дешифровки наблюдаемого изображения [45-61]. Погрешность зависит от локализации искажений пространственно модулированной засветки на наблюдаемом изображении и светорассеивающих свойств поверхности объекта, и не всегда оптимальна при их неудачных сочетаниях [4-5, 9]. Динамическая пространственно- временная модуляция оптического излучения [15, 16, 62-75] обеспечивает меньшую (порядка 0.1%) погрешность измерения, однако требует статичности измеряемого объекта.
Несмотря на давнюю историю и непрерывное развитие оптоэлектронных модуляционных методов, к моменту начала работы над диссертацией оптоэлектронные системы для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов (с линейными размерами до 10 метров), предназначенные для работы в условиях производства, на основе пространственно-временной модуляции источников оптического излучения обладали высокой стоимостью (более 500 тыс. евро) и выпускались единичными сериями. Это, по-видимому, связано с тем, что реализация подобных методов существенно наукоемка, требует использования самой современной элементной базы, а воплощающие методы оптические и оптико- электронные приборы, в полной мере, комплексны.
В диссертации предложен новый метод измерения ЗБ геометрии на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения [15-16, 29, 70-71], основанный на применении функции пространственно-временной модуляции источника оптического излучения устойчивой к расфокусировке оптических элементов измерительной системы. Научная и практическая ценность этого метода заключается в уменьшении погрешности измерения ЗБ геометрии объектов и расширении функциональных возможностей. Разработанный в диссертации новый оптоэлектронный метод позволяет с низкой погрешностью измерять ЗБ геометрию в широком диапазоне светорассеивающих свойств поверхности крупногабаритных объектов.
Известен метод фазовой триангуляции для оптического измерения ЗБ геометрии объектов [76-92]. Анализируемые изображения пространственно модулированного освещения рассматриваются в рамках аналогии с фазовыми изображениями интерферограмм [93-117]. Для уменьшения погрешности измерений используют метод фазовых шагов [93-94], обеспечивающий меньшие погрешности измерений, но не работающий при произвольных фазовых сдвигах [95-97]. В условиях ограниченного динамического диапазона приемника оптического и произвольных отражательных свойствах поверхности измеряемых объектов это ограничение оказывается критичным. Для решения этой проблемы /
используют различные методы, позволяющие расшифровать фазовые изображения с произвольными пошаговыми сдвигами, но имеющие различные ограничения, например, обобщенный алгоритм расшифровки фазовых изображений с произвольным пошаговым сдвигом на основе решения системы трансцендентных уравнений [97]. Этот метод не учитывает наличия аддитивных и мультипликативных шумов на изображениях и не обеспечивает минимизацию ошибки определения фазы в широком диапазоне светорассеивающих свойств поверхпосш крупногабаритных объектов. Предметом диссертационной работы является создание нового метода расшифровки фазовых изображений, обеспечивающего минимизацию ошибки определения фазы [96-97] при наличии шумов на изображениях, имеющих нулевое математическое ожидание и дисперсию.
Одним из недостатков метода фазовой триангуляции является ограниченный диапазон измерений. По изображению фазовые значения могут однозначно восстанавливаться только в пределах периода зондирующей синусоиды [118-121]. В диссертации предложен модифицированный метод восстановления полной фазы с помощью целочисленного анализа на основе использования кратных периодов.
Энергетическая характеристика многих современных распространенных и недорогих устройств, используемых для ввода, печати или визуализации изображений, соответствует степенному закону [122-126]. При использовании методов фазовой триангуляции необходимо контролировать линейность приемно-передаточного тракта между источником оптического излучения и приемником изображения. Наличие нелинейной приемно-передаточной характеристики тракта между источником и приемником пространственно модулированного освещения может вызвать сложно прогнозируемые систематические погрешности, зависящие от величины смещения фазы [127-132]. Классические методы компенсации нелинейности тракта источник-приемник оптического излучения предполагают наличие априорной информации о нелинейной характеристики тракта и светорассеивающих свойств поверхности, которая для крупногабаритных объектов на практике, как правило, отсутствует. В диссертации впервые предложен модифицированный метод компенсации нелинейности тракта источник-приемник оптического излучения на основе введения дополнительных линейных корректирующих устройств, линеаризующих энергетическую оптическую характеристику тракта источник-приемник излучения.
Важнейшим элементом любого оптико-электронного прибора и комплекса является создание методов ее калибровки [5, 133-152]. Калибровка ЗБ системы заключается в определении оптимального набора параметров, описывающих отображение 20 координат пространственного модулятора оптического излучения на пространственные ЗБ координаты измеряемого объекта (мировые координаты) и отображение мировых ЗБ координат на 2D координаты изображения приемника оптического излучения [153-168]. Стандартное решение [134-136], основанное на определении внутренних
параметров приемника излучения, внутренних параметров источника излучения и эвклидова преобразования пространства между источником и приемником оптического излучения не обеспечивает необходимой точности и устойчивости оценок при использовании распространенных источников пространственно модулированного оптического излучения.
На момент начала работы над диссертацией в методах, использующих пространственную модуляцию источника оптического излучения, для определения внутренних параметров источников и приемников оптического излучения использовались приближения геометрической оптики, не учитывающие аберрации оптических элементов. При измерениях ЗО геометрии крупногабаритных объектов приближение геометрической оптики может давать существенные сисхематические погрешности.
Решение проблемы компенсации нелинейных пространственных искажений в методе фазовых шагов и в комплексной калибровке параллельными калибровочными плоскостями, а также аналитическая оценка погрешности измерений ЗБ геометрии крупногабаритных объектов также входит в круг проблем, решаемых в диссертационной работе.
Калибровки оптоэлектронных приборов для измерений ЗБ геометрии крупногабаритных объектов па основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения основаны на решении проблемы построения взаимно однозначного соответствия декартовых координат точки в измеряемом пространстве с одной стороны и координат точки на изображении приемника и значения горизонтальной координаты пространственного модулятора структурированной засветки, формирующего световой пучок в этой точке, с другой стороны. Необходимо обеспечить непрерывное взаимно однозначное отображение 3-мерного пространства координат приемника и горизонтальной координаты модулятора засветки в трехмерное декартовое пространство, в котором расположен измеряемый объект.
В диссертации для решения обозначенной проблемы впервые предложено использование современных самообучающихся алгоритмов определения регрессионных функций, априорная информация об аналитическом представлении на этапе определения регрессионной функции которых отсутствует [169-172]. Для построения регрессионной функции нескольких переменных, зависимость которой в общем случае неизвестна, в диссертации применены алгоритмы, основанные на нейронных сетях [173184], обладающие свойствами самообучения и уменьшения погрешности построения регрессионной функции с увеличением количества данных в обучающей выборке.
Разработка и реализация самообучающихся алгоритмов калибровки, построенных на нейронных сетях, имеющих оптимальную топологическую структуру, входит в круг задач, решаемых в диссертации. Впервые предложены самообучающиеся алгоритмы калибровки оптоэлектронных систем измерения ЗБ геометрии на основе алгоритма нейронных сетей и на основе полиноминальной регрессии 2-го порядка. Реализовано 2 метода калибровки при измерениях 3D геометрии крупногабаритных объектов - с использованием калибровочной плоской поверхности и калибровка с использованием калибровочной мишени.
Программное обеспечение оптоэлектронной системы для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения должно реализовывать интерфейс взаимодействия с приемником оптического излучения, обеспечивать управление источником оптического излучения, формировать нужную модуляцию источника оптического излучения, обеспечивать накопление данных приемника оптического излучения, обрабатывать данные, сохранять и визуализировать результаты обработки.
На момент начала работы подобное программное обеспечение отсутствовало. Решение проблемы проектирования внутренней архитектуры [185-191] и реализации [192-199] программного обеспечения оптоэлектронной системы для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения также входит в круг вопросов диссертационной работы.
Важной частью диссертации являются практическая реализация оптоэлектронной системы для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения, лабораторные и промышленные испытания системы. Примером такого класса объектов являются лопасти гидротурбин, имеющие очень сложную форму. Задача контроля 3D геометрии лопастей гидротурбин стоит очень остро [200-202], но в отечественной промышленности она решена методом визуального сравнения с шаблонами, в результате чего качество рабочей части лопасти неизбежно связанна с субъективной человеческой составляющей. Эффективность и безопасность работы гидроэлектростанций, в значительной степени, зависят от надежности работы турбины, так как она является наиболее нагруженным модулем. Ошибки при производстве лопаток гидротурбин могут привести к различным следствиям от низкого КПД гидротурбины до катастрофического разрушения силового агрегата. В процессе производства контролю подлежат десятки геометрических параметров лопастей, определяемые требованиями технических условий, конструкторской и технологической документации, утвержденными образцам, эталонам и условиями поставки. Контроль 3D геометрии лопастей гидротурбин - важная и неотъемлемая часть технологического процесса их изготовления [200].
В нашей стране отсутствует серийное производство прецизионных оптоэлектронных систем для измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов в промышленности. Стоимость зарубежных систем (например, FARO Technologies Inc) достигает миллионов долларов за экземпляр. Разработка, создание и испытания в лаборатории и в условиях действующего производства ОАО "Силовые машины-JIM3" оптоэлектронной системы для измерения 3D геометрии крупногабаритных лопаток гидротурбин на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения, не уступающей по технико-экономическим характеристикам лучшим мировым аналогам, входит в круг проблем, решаемых в настоящей диссертационной работы.
Цель диссертационной работы: разработка и практическая реализация оптоэлектронной системы, предназначенной для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов в условиях действующего отечественного производства.
Задачи исследований:
1) разработка и реализация оптоэлектронных методов измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения;
2) разработка и реализация методов калибровки системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения;
3) разработка функциональных узлов и программного обеспечения и практическая реализация оптоэлектронной системы, предназначенной для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов в условиях действующего отечественного производства.
Научная новизна:
1) предложен и реализован метод измерения ЗБ геометрии на основе пространственно-временной модуляции оптического излучения, устойчивый к изменениям в широких пределах светорассеивающих свойств поверхности объекта, обеспечивающий погрешность измерения менее 0,1%;
2) предложен устойчивый метод расшифровки фазовых изображений на основе метода наименьших квадратов, обеспечивающий минимизацию ошибки определения фазы в условиях узкого динамического диапазона (1:255) фотоприемника при наличии аддитивных шумов на фазовых изображениях;
3) впервые выполнены натурные бесконтактные измерения ЗБ геометрии лопасти рабочего колеса лопастно-поворотной турбины с применением методов пространственно-временной модуляции источника оптического излучения в условиях отечественного производства. Получена ЗБ модель лопасти гидротурбины, содержащая более 30000 измеренных точек.
В работе использованы методы фотометрии, фазовой триангуляции, цифровой обработки сигналов и изображений, искусственного интеллекта, численного моделирования, аналитической геометрии, математической статистики, объектно-ориентированной декомпозиции программного обеспечения. / /
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается созданием на основе разработанных функциональных модулей действующего прототипа оптоэлектронной системы для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения, результатами испытаний и измерений, анализом погрешностей.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На
основе полученных результатов и выводов разработан действующий прототип оптоэлектронной системы для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения. Прибор применен для впервые выполненных бесконтактных измерений ЗЭ геометрии лопасти рабочего колеса лопастно-поворотной турбины в процессе производства ОАО "Силовые машины-ЛМЗ" с применением методов пространственно- временной модуляции источника оптического излучения. Сфера применения может быть расширена на другие области научного эксперимента и промышленного производства. Результаты работы внедрены на ОАО "Силовые машины-ЛМЗ" и используются в лабораториях Института теплофизики СО РАН.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1) оптико-электронный метод измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции оптического излучения, обеспечивающий измерение с погрешностью менее 0,1%, в диапазоне отражательных свойств поверхности более 1:10000;
2) способ расшифровки фазовых изображений, основанный на методе наименьших квадратов и гармонической регрессии, обеспечивающий минимизацию ошибки определения фазы и позволяющий применять метод фазовых шагов в условиях узкого динамического диапазона фотоприемника;
3) методы комплексной калибровки оптико-электронных приборов и комплексов для измерения ЗО геометрии на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения, основанные на применении плоской калибровочной поверхности, калибровочной мишени и алгоритма нейронных сетей, обеспечивающие автоматическую калибровку системы с компенсацией всех нелинейных пространственных оптических искажений;
4) результаты практической реализации оптико-электронного комплекса на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения для определения ЗБ геометрии лопасти рабочего колеса лопастно-поворотной гидротурбины в процессе производства.
Личный вклад автора заключается в разработке методов, функциональных модулей и программных интерфейсов оптоэлектронной системы для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения. Автором выполнены экспериментальные исследования, отраженные в диссертации, обработка и анализ результатов исследований.
По материалам работы соискателем лично и в соавторстве опубликовано 40 печатных работ, из них по материалам работы 19, 1 из которых издана в журнале, определенном ВАК Минобрнауки РФ, получен патент РФ на изобретение.
Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: ХЫУ Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 2006 г.), ХЬУ Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 2007 г.), 9-й международной научно-технической конференции "Оптические методы исследования потоков" (Москва, 2007 г.), Всероссийской школе-семинаре молодых ученых "Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии" (Новосибирск, 2007 г.), Пятой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт - Петербург, 2008 г.), Всероссийской научной конференции молодых ученых "НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ." (Новосибирск, 2008 г.), а также на научных семинарах и совещаниях Института теплофизики СО РАН.
Диссертация состоит из введения, 3 разделов, заключения и приложения, содержит 130 страниц, 78 рисунков.
В первом разделе рассматриваются оптические методы измерения ЗБ геометрии на основе пространственной модуляции оптического излучения. Исследуются разновидности метода фазовой триангуляции. Рассматриваются существующие методы компенсации нелинейности приемно-передаточного тракта.
Во втором разделе рассмотрены методы калибровки оптических измерительных систем на основе пространственной модуляции оптического излучения. Исследованы существующие алгоритмы определения регрессионной функции от большого количества переменных.
В третьем разделе обсуждаются вопросы практической реализации оптоэлектронных систем для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения. Рассматриваются вопросы проектирования внутренней архитектуры программного обеспечения оптоэлектронной системы для измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов.
В заключении суммированы основные результаты диссертации.
В приложении представлены справки об использовании результатов разработки оптоэлектронной системы для измерения ЗБ геометрии
крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения и протокол промышленных испытаний.
Методы измерения ЗБ геометрии на основе методе фазовой триангуляции
Известный метод фазовой триангуляции [77-78, 85-87] для оптического измерения ЗБ геометрии объектов отличается тем, что в качестве пространственно модулированной (или структурированной) засветки исследуемого объекта используется изображение в виде параллельных полутоновых синусоидальных полос (рис. 1.4), а наблюдаемые искажения структурированной засветки на принимаемом изображении определяют через смещение фазы зондирующей синусоиды.
Рисунок 1.4 - Изображение структурированной засветки в виде параллельных полутоновых синусоидальных полос
Дальность до объекта будет связана со смещением фазы на изображении таким выражением:где р - расстояние между камерой и проектором, в - угол, образованный оптическими осями камеры и проектора.
Так как получаемые фазовые изображения исследуемого объекта очень похожи на интерферограммы, то при обработке таких изображений применяют широкий спектр методов обработки интерферограмм. Интенсивность фазовой картины можно описать следующим выражением:где 1(х,у) - распределение интенсивности в фазовой картине; А(ху) - распределение фоновой интенсивности; У(х,у) - средняя видность; фО ) - искомое распределение разности фаз волновых фронтов. То есть, в каждой точке фазовой картины интенсивность освещения является функцией трех априори неизвестных параметров, а именно: фоновой интенсивности А(х,у), средней видности У(ху) и разности фаз между волновыми фронтами ф(х,у) (параметр, который мы хотим измерить). Поэтому точность измерения ограничена. Для уменьшения погрешности измерения используют дополнительную обработку пространственного распределения интенсивности на зарегистрированном изображении. Преимущества метода фазовой триангуляции заключаются в том, что метод устойчив к расфокусировке оптической схемы излучающего и приемного устройств, так как расфокусировка осуществляет эффект низкочастотной пространственной фильтрации, а фазовые картины устойчивы к низкочастотной фильтрации, если частота интерференционных полос ниже фильтрующихся частот.
Для уменьшения погрешности измерения используют известный метод фазовых шагов [81-82, 89-92]. Здесь дополнительную информацию для определения разности фаз получают, последовательно вводя известный сдвиг фаз между двумя проецируемыми изображениями синусоидальных полос и каждый раз записывая получающиеся изображения исследуемого объекта (рис 1.5). На основе полученных данных для каждой точки изображения вычисляют три неизвестных параметра: фоновую интенсивность, среднюю видность и искомое значение разности фаз волновых фронтов.
Задача определения разности фаз методом "фазового сдвига" сводится к решению системы трансцендентных уравнений вида:где 1,(х,у)- распределение интенсивности на г -м изображении контролируемого объекта; А(х,у) — распределение фоновой интенсивности; У(ху) - средняя видность; ф(х, 0 - искомое распределение разности фаз, кодирующее информацию дальности объекта; 5, — вносимый сдвиг фазы между соседними изображениями структурированной засветки; N - число сдвигов. Система уравнений (1.3) имеет решение, если имеется как минимум 3 изображения с различными распределениями интенсивности 1,{х,у). Далее для упрощения выражений обозначение опустим, ср будем называтьфазой изображения, а символом б, будем обозначать /-й сдвиг фазы.
В случае, когда 8, = (/-1)-2п/ы, решение системы уравнений (1.3) можно найти разложением в ряд Фурье [80, 84, 93], либо с использованием ортогональных отношений тригонометрических функций [81-82, 89]:
В результате значение фазы изображения в точке зависит только от зависимости интенсивности изображения в этой точке от номера кадра. Так же не сложно показать, что в условиях аддитивных шумов на фазовых картинах, погрешность определения фазы изображения можно уменьшить,используя большее количество сдвигов в проецируемых изображениях.
Главный недостаток метода заключается в том, что он не предназначен для работы при произвольных фазовых сдвигах. Поэтому, в условиях ограниченного динамического диапазона камеры необходимо жестко согласовывать яркость источника структурированного освещения и чувствительность принимающей камеры. При произвольных отражательных свойствах поверхности измеряемого объекта это сделать крайне сложно (рис 1.7, 1.8). В связи с этим, необходимо иметь метод, позволяющий расшифровывать фазовые изображения с произвольными пошаговыми сдвигами.
Известен обобщенный алгоритм расшифровки фазовых изображений на основе решения системы транцедентных уравнений [95]. Представим выражение (1.2) в векторной форме:
Калибровка оптоэлектронной системы с использованием параллельных калибровочных плоскостей и калибровочной мишени
Ниже представлена калибровка оптоэлектронной системы для измерения ЗО геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения, , основанная на использовании плоской калибровочной поверхности. Калибровка заключается в проведении цикла измерений калибровочной поверхности (рис. 2.3), в результате которого во внутреннем запоминающем устройстве электронного блока 4 (рис. 1.3) формируется набор изображений поверхности. Далее проводится серия аналогичных измерений для калибровочной поверхности, параллельно смещаемой по направлению от источника освещения на некоторые интервалы с сохранением результатов в электронном блоке 4. Самая удаленная поверхность определяется как базовая.
Поскольку зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения однозначно определяет высоту рельефа поверхности контролируемого объекта, а две другие координаты определяются по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированных изображениях, то для каждой точки измеренной поверхности определяется точка на базовой поверхности, в которой зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения была аналогичной.
После получения изображений контролируемого объекта для каждой точки на изображениях контролируемого объекта определяются точки на изображениях калибровочной поверхности, соответствующие различным расстояниям от измеряемой поверхности до базовой, в которых была аналогичная зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения (рис. 2.3). С помощью интерполяции определяется расстояние от базовой поверхности до поверхности, на которой в исследуемой точке зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения в наибольшей степени подобна зависимости интенсивности от номера изображения в исследуемой точке контролируемого объекта. По координатам исследуемой точки с помощью координатных меток, нанесенных на калибровочную поверхность, определяются координаты точки в двумерном пространстве, определенном калибровочной поверхностью. С помощью линейного преобразования определяются 2 декартовые координаты в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения калибровочной поверхности. Таким образом, для каждой исследуемой точки изображения определяются 3 декартовые координаты: одна в направлении перемещения калибровочной поверхности и 2 в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения калибровочной поверхности. Использование функции зависимости интенсивности освещения от номера изображения, устойчивой к ошибке определения интенсивности, обеспечивает устойчивость способа к определению поля координат контролируемого объекта.
Недостаток метода калибровки оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии, основанного на использовании калибровочной поверхности, заключается в том, что стоимость плоской поверхности класса точности выше 0,1% с линейными размерами 5x5 метров и инфраструктура для ее перемещения в пространстве будет сравнима или даже превышать стоимость остальной элементной базы измерительного комплекса.
Для решения этой проблемы предлагается метод калибровки оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии, использующий калибровочную мишень, представляющую собой вертикальный шест на подставке для достижения устойчивого вертикального положения (рис. 2.4). На шесте расположены калибровочные мишени, представляющие собой окружности. Шест перемещают в горизонтальной плоскости и запоминают зависимость координат мишени на изображениях, величину фазового сдвига зондирующей синусоиды и декартовые координаты мишени в глобальной V- системе координат.
После этого проводят измерение контролируемого объекта, измеряют величину фазового сдвига для каждой точки на изображении контролируемого объекта и, используя полученную регрессионную функцию калибровки, определяют декартовые координаты в глобальной системе координат для каждой точки изображения контролируемого объекта.4м Относительную погрешность измерения, обусловленную погрешностью калибровки при использовании процедуры калибровки можно оценить какгде 3 - погрешность измерения декартовых координат калибровочного объекта, М - количество измерений калибровочного объекта с различными декартовыми координатами, Хс - разрешение горизонтальной компоненты приемника оптического излучения, Yc - разрешение вертикальной компоненты приемника оптического излучения.
Тогда общую относительную погрешность измерения декартовых координат можно оценить как сумму в, Г2 и дополнительная погрешность, обусловленная разрешением изображения, получаемого используемым приемником оптического излучения:где Хс - линейное разрешение горизонтальной компоненты приемника оптического излучения.
Полученная аналитическая оценка погрешности позволяет оценить относительную погрешность измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов методом, основанным на пространственно-временной модуляции источника оптического излучения. Пусть относительная погрешность измерения яркости излучения тракта источник — приемник оптического излучения не превышает 0.0078 (такая погрешность обусловлена использованием LCD проектора, глубина кодирования цвета которого 8 бит). Пусть в нашей реализации оптоэлектронной измерительной системы количество излучаемых засветок, имеющих различный сдвиг начальной фазы, N = 1000. Пусть относительная погрешность измерения декартовых координат точки в процессе калибровки =0.1%. Количество точек калибровочного объекта, участвующих в калибровке М=200. Пусть разрешение изображений, получаемых приемником оптического излучения равно 3000x2000 точек (такое разрешение обеспечивают современные цифровые фотокамеры). Тогда общая относительная погрешность измерения 3D геометрии методов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения Q =0.00024+0.00007+0.0005=0.00081=0.081 %.
Реализация калибровки оптоэлектронной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов
Создан прототип оптоэлектрониой системы измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции оптического излучения, реализующий описанные методы измерения трехмерной поверхности объектов (рис 3.1). В созданном прототипе в качестве источника оптического излучения и пространственного модулятора интенсивности освещения использован цифровой проектор NEC YT570, позволяющий управлять пространственной модуляций интенсивности излучения с разрешением 1024x768 точек с помощью компьютера. В качестве приемника оптического излучения применена цифровая CCD камера КС-383С, позволяющая получать изображение размером 640x480 пикселей. В качестве цифрового электронного блока и блока регистрации результатов использован персональный компьютер. Цифровой проектор подключен к компьютеру 1, который управляет пространственным распределением интенсивности оптического излучения, проецируемым на контролируемый объект. Цифровая камера подключена к компьютеру 2. Компьютер 1 подключен к компьютеру 2. Компьютер 2 выполняет функции диспетчера и синхронизатора всех компонентов системы в процессе сбора изображений контролируемого объекта, а так же проводит все вычисления для получения 3-х мерной модели объекта.
Основное требование к камере, использованной в измерительном комплексе, выражается в возможности отключения аппаратных автоматов, осуществляющих автоматический баланс яркости, экспозиции, а так же в наличии интерфейса подключения камеры к компьютеру. Основное требование к LCD проектору - возможность подключения к компьютеру.
Внутренняя архитектура программного обеспечения измерительного комплекса (рис. 3.2) предусматривает разделение на следующие компоненты [185-199]. Диспетчер, выполняющий накопление изображений структурированной подсветки, полученной с помощью CCD камеры. Модуль управления камеры, который реализует интерфейс взаимодействия с камерой, с помощью библиотеки DirectShow. Модуль управления проектором, обеспечивающим управление пространственным распределением интенсивности оптического излучения проектором. Модуль удаленного управления проектором, который реализует интерфейс взаимодействия с модулем управления проектором на базе Ethernet соединения.
Диспетчер реализован в виде исполняющего скрипта в программной системе MATLAB. Модуль управления камерой реализован в виде СОМ сервера, реализующего интерфейс IDispatch, который обеспечивает взаимодействие системы MATLAB и СОМ сервера. Модуль удаленного управления проектором так же реализован в виде СОМ сервера. Модуль управления проектором реализован в виде стандартного windows приложения.
Основная функция модуля управления проектором - формирование структурированной засветки с заданным распределением интенсивности. Управление реализовано с помощью протокола взаимодействия, реализованного на основе протокола ТСР\1Р. Протокол предусматривает получение команд от управляющего приложения, и отправки подтверждения после обновления распределения интенсивности, излучаемого проектором.
Модуль управления проектором реализован в виде windows- приложения со специальными настройками, которые обеспечивают расположение графического окна этого приложения поверх остальных приложений, запущенных на компьютере. Реализована машина состояний, предусматривающая 10 состояний: - STAT_WAIT_CMD - запрос идентификатора команды; - STAT_WAIT_BWFRINGE_PERIOD - запрос периода проецируемой синусоиды; - STAT WAIT BWFRINGE DELTA - запрос смещения начальной фазы проецируемой синусоиды; - STAT_WAIT_BWFRINGE_ZEROLEVEL - запрос интенсивности освещения, соответствующей нулевому уровню синуса;- STAT_WAIT_BWFRINGE_AMPLITUDE - запрос амплитуды проецируемой синусоиды;- STAT_WAIT_FILLRECT_XO — запрос левой X (горизонтальной) координаты прямоугольника, внутри которого будет равномерное распределение интенсивности; - 8ТАТ \А1Т_Р1ЬЫ1ЕСТ_У0 - запрос верхней У (вертикальной) координаты прямоугольника, внутри которого будет равномерное распределение интенсивности;- STAT_WAIT_FILLRECT_X1- запрос правой X (горизонтальной) координаты прямоугольника, внутри которого будет равномерное распределение интенсивности;- STAT_WAIT_FILLRECT_Y1 - запрос нижней У (вертикальной) координаты прямоугольника, внутри которого будет равномерное распределение интенсивности;- 8ТАТ А1Т 11ХКЕСТ_ВМОНТ - запрос значения интенсивности, которое будет сформировано внутри прямоугольной области.
Созданная машина состояний обрабатывает 2 команды: равномерное распределение интенсивности внутри прямоугольника, ограниченного координатами проектора и распределение интенсивности в виде параллельных полутоновых синусоидальных полос.Из данной диаграммы видно, что состояние 1 выполняет функцию ветвления и определения типа присланной команды. Состояния 2-5
На рисунке 3.3 представлена диаграмма состояний описанной машины состояний, демонстрирующая последовательность, в которой данная машина принимает состояния. определяют параметры изображения в виде параллельных синусоидальных полутоновых полос. Состояния 6-10 определяют параметры изображения в виде равномерно засвеченного прямоугольника. Класс CServerManager и CWorkingManager являются наследниками класса CAsyncSocket. Класс CAsyncSocket реализует функциональность протокола TCPUP. Класс CServerManager реализует интерфейс сервера соединения ТСРМР. После установки соединения с клиентом (приложение, осуществляющее удаленное управление проектором) экземпляр класса CWorkingManager осуществляет непосредственный обмен данными с управляющим клиент-приложением и реализует машину состояний. Класс CDialog реализует графического окна и обеспечивает взаимодействие с очередью сообщений Windows. Класс CProjectorServerDlg обеспечивает формирование структурированной засветки.
Промышленные испытания оптоэлектронной измерительной системы измерения ЗБ геометрии крупногабаритных объектов
Промышленные испытания оптоэлектронной измерительной системы 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения показывают степень завершенности измерителя и готовность системы для внедрения на предприятие.
Размещение измерительной системы выполнено по временной схеме на разметочном участке цеха №19 на территории ОАО "Силовые машины" филиал ЛМЗ в г. Санкт - Петербурге. Проведены измерения геометрии лопасти рабочего колеса лопастно-поворотной турбины Святогорской ГЭС (проба №33781). Лопасть имеет линейные размеры 2,5x2x1м.
В измерительной системе в качестве источника оптического излучения и пространственного модулятора интенсивности освещения использован цифровой проектор NEC VT570, позволяющий управлять пространственной модуляцией интенсивности излучения с разрешением 1024x768 точек. В качестве фоторегистратора применена цифровая CCD камера КС-383С, позволяющая получать изображение размером 320x240 пикселей. В качестве цифрового электронного блока и блока регистрации результатов использован современный персональный компьютер. Расположение функциональных узлов измерительной системы представлено на рис. 3.36. Расстояние между камерой и проектором составляло 3 м. Расстояние до измеряемого объекта (лопасти) 6 м. Измеряемая область 3х3х2 м. Разрешение проектора 1024x768. Разрешение камеры 320x240. Количество кадров в одном измерении 1000.
Выполнена калибровка путем последовательного измерения калибровочных мишеней, локализованных в пространстве перед измеряемой лопастью.
Измеренная поверхность лопасти гидротурбины представлена на рисунках 3.37-3.46.На рисунках 3.36 и 3.39 приведены фотографии измеренной лопасти гидротурбины. На рисунках 3.38, 3.40, 3.41, 3.42 показаны примеры восстановленной трехмерной поверхности лопасти. На рисунках 3.43-3.46 показаны примеры профиля поверхности лопасти в различных сечениях.
ВизуализацияВремя измерения поверхности лопасти рабочего колеса (сбор и обработка информации о поверхности измеряемого объекта, представление результатов) не превышает 15 минут.
Из полученных данных видно, что измеренный профиль 3D геометрии лопасти гидротурбины имеет довольно много выпавших точек. Это вызвано недостаточной мощностью используемого проектора. Примененный LCD проектор NEC VT570 обеспечивает световой поток 1300 люмен. Существующие LCD проекторы обеспечивают световой поток 5000 люмен и более (Viewsonic PJ1173) и позволяют решить эту проблему с помощью применения современного оборудования. Погрешность измерения составляла менее 1 см. Оценка погрешности измерения осуществлялась визуальным анализом величины отклонения измеренной 3D поверхности лопасти гидротурбины от гладкой поверхности (поверхность лопасти была отшлифована и имела шероховатость менее 0.5 мм). Такая высокая погрешность измерения обусловлена использованием в качестве приемника оптического излучения камеры с низким разрешением. Относительная погрешность измерения составляет 0,3 % (погрешность 1 см на диапазоне измеряемых расстояний 3 метра). Полученная погрешность измерения согласуется с теоретической оценкой погрешности измерения. Выражение (2.9) дает оценку погрешности измерения декартовых координат 0,6%. Полученные экспериментальные результаты демонстрируют работоспособность разработанных оптоэлектронных методов измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно- временной модуляции источника оптического излучения. Погрешность измерения обусловлена применением дешевого источника и приемника оптического излучения, обладающих низким разрешением, малой глубиной кодирования цвета и слабым световым потоком.
При использовании LCD проектора, обеспечивающего световой поток 5000 люмен, цифровой камеры, обеспечивающей разрешение изображения 3000x2000 пикселей, относительная погрешность измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов, будет составлять менее 0,08% (раздел 2.2), или 2 мм для задачи измерения 3D геометрии лопасти гидротурбины в процессе производства, имеющей линейные размеры 2,5x2,0x1,0 м.
Оценим минимальную погрешность измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов, которую можно получить, используя предложенные методы и доступное оборудование. Для оценки погрешности в качестве приемника оптического излучения возьмем фотокамеру Hasselblad H3DII-50, которая позволяет получать изображения разрешением 50 мегапикселей (8100x6075). В качестве источника пространственно модулированного оптического излучения возьмем широкоформатный кино проектор SANYO PLC-HD10, обеспечивающий разрешение 1920x1080, яркость 6000 люмен и глубину кодирования цвета 30 бит (глубина кодирования оттенков серого 10 бит).
Пусть относительная погрешность измерения яркости излучения тракта источник - приемник оптического излучения не превышает 0.00098 (такая погрешность обусловлена использованием проектора с глубиной кодирования оттенков серого 10 бит). Пусть в нашей реализации оптоэлектронной измерительной системы количество "излучаемых засветок," имеющих" различный сдвиг начальной фазы, N = 1900 (количество излучаемых засветок должно быть меньше разрешения используемого источника пространственно модулированного излучения). Пусть относительная погрешность измерения декартовых координат точки в процессе калибровки 5=0.1%. Количество точек калибровочного объекта, участвующих в калибровке М=200. Пусть горизонтальное разрешение изображений, получаемых приемником оптического излучения равно 8100точек. Тогда общая относительная погрешность измерения 3D геометрии крупногабаритных объектов на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения из выражения (2.9): Q =0,000025+0,00007+0,00012=0,000215=0,021%, или 0,5 мм для задачи измерения 3D геометрии лопасти гидротурбины в процессе производства, имеющей линейные размеры 2,5x2x1 м.
В ходе обсуждения полученных результатов ОАО "Силовые Машины" филиал JIM3 в г. Санкт — Петербурге, заводские специалисты рассказали, что представители фирмы LEICA проводили промышленные испытания лазерного сканера для измерения 3D геометрии лопастей гидротурбин. Перед проведением измерений они покрывали лопасть гидротурбины белой матовой краской, чтобы уменьшить влияние неравномерной отражательной структуры поверхности лопасти на результаты измерений. Точность измерения 3D геометрии лопасти гидротурбины лазерным сканером фирмы LEICA составила около 2 мм. Это подтверждает сложную неравномерную отражательную структуру поверхности лопасти гидротурбины, что накладывает повышенные требования на устойчивость алгоритма обработки данных при измерении 3D геометрии объекта. Полученные результаты измерения 3D геометрии на основе пространственно-временной модуляции источника оптического излучения демонстрируют устойчивость примененных методов измерения к неравномерной отражательной структуре поверхности измеряемого объекта.
