Научная статья на тему 'Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений'

Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

CC BY-NC
80
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ФОТОИЗОБРАЖЕНИЯ / ПИКСЕЛЬ / БАЗИС / ОТВЕС / РЕФЕРЕНТНАЯ ЛИНИЯ / ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ / БЕСКОНТАКТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ / ФОТОКАМЕРА / ПОДКРАНОВЫЙ РЕЛЬС / ОТКЛОНЕНИЕ / NON-CONTACT MEASUREMENTS / STRAIGHTDNESS / REFERENCE LINE / PLUMB / BASIS / PIXEL / PHOTO IMAGES / CAMERA / CRANE RAIL / DEVIATION

Аннотация научной статьи по прочим технологиям, автор научной работы — Шеховцов Геннадий Анатольевич, Жилина Наталья Дмитриевна, Раскаткина Ольга Валерьевна

В статье описан метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений. Метод не требует маркировки на рельсах съёмочных точек, использования специальных приспособлений и выполнения большого количества угловых, линейных или иных измерений. Метод использует горизонтальную референтную линию, прочерчиваемую на снимке или создаваемую с помощью изображения на снимке нити свободно подвешенного перед объективом шнурового отвеса. Линия также может создаваться с помощью программы Plumb-bob, дающей на снимке изображение вертикальной линии. Изложен алгоритм обработки снимка с помощью растрового редактора изображений с целью определения отклонений осевых точек рельса от референтной прямой. Рассматриваются различные варианты определения размера одного пикселя в зависимости от расстояния съёмки и высоты расположения камеры над рельсом. Приведены результаты измерений и их сравнение с результатами, полученными традиционными методами, показавшее расхождение 0-5 мм. Описан алгоритм определения количества пикселей, содержащихся в линии, соответствующей заданному расстоянию до любой съёмочной точки, что позволяет производить на снимке определение отклонений в любом месте кранового пути.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим технологиям , автор научной работы — Шеховцов Геннадий Анатольевич, Жилина Наталья Дмитриевна, Раскаткина Ольга Валерьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

NON-CONTACT METHOD FOR DETERMINING THE LINEARITY OF CRANE RAILS OF BRIDGE CRANES BY PROCESSING PHOTO IMAGES

The article describes a method for determining the linearity of crane rails of bridge cranes by processing photo images. The method does not require marking of the shooting points on the rails, the use of special devices and performing a large number of angular, linear or other measurements. The method uses a horizontal reference line drawn on the image or created using the image on the image of the thread hanging freely in front of the lens cord plummet. The line can also be created using the Plumb-bob program, which gives the image of a vertical line. The image processing algorithm is described using a raster image editor to determine the deviations of the axial points of the rail from the reference line. Various options are being considered for determining the size of one pixel depending on the shooting distance and the height of the camera above the rail. The results of measurements and their comparison with the results obtained by traditional methods, which showed a difference of 0-5 mm are presented. An algorithm for determining the number of pixels contained in a line corresponding to a given distance to any shooting point is described, which allows for the determination of deviations in the image anywhere in the crane path.

Текст научной работы на тему «Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений»

Программные системы и вычислительные методы

Правильная ссылка на статью:

Шеховцов Г.А., Жилина Н.Д., Раскаткина О.В. — Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений // Программные системы и вычислительные методы. - 2019. - № 4. DOI: 10.7256/2454-0714.2019.4.31110 URL: https;//nbpublish.com'library_read_article.php?id=31110

Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений

Шеховцов Геннадий Анатольевич

доктор технических наук

профессор, кафедра кафедра геоинформатики, геодезии и кадастра, Нижегородский государственный

архитектурно-строительный университет

603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5

И kaf_ig@nngasu.ru Жилина Наталья Дмитриевна

кандидат педагогических наук

доцент, кафедра кафедра инженерной геометрии, компьютерной графики и автоматизированного проектирования, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 3

И zhilina@nngasu.ru

Раскаткина Ольга Валерьевна

аспирант, кафедра Инженерной геометрии, компьютерной графики и автоматизированного проектирования, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

603950, Россия, Нижегородская область, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

И Raskatkina.o@maii.ru

Статья из рубрики "Компьютерная графика, обработка изображений и распознавание образов"

Аннотация.

В статье описан метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений. Метод не требует маркировки на рельсах съёмочных точек, использования специальных приспособлений и выполнения большого количества угловых, линейных или иных измерений. Метод использует горизонтальную референтную линию, прочерчиваемую на снимке или создаваемую с помощью изображения на снимке нити свободно подвешенного перед объективом шнурового отвеса. Линия также может создаваться с помощью программы Plumb-bob, дающей на снимке изображение вертикальной линии. Изложен алгоритм обработки снимка с помощью растрового редактора изображений с целью определения отклонений осевых точек рельса от референтной прямой. Рассматриваются различные варианты определения размера одного пикселя в зависимости от расстояния съёмки и высоты расположения камеры над рельсом. Приведены результаты измерений и их сравнение с результатами, полученными традиционными методами, показавшее расхождение 0-5 мм.

Описан алгоритм определения количества пикселей, содержащихся в линии, соответствующей заданному расстоянию до любой съёмочной точки, что позволяет производить на снимке определение отклонений в любом месте кранового пути.

Ключевые слова: фотоизображения, пиксель, базис, отвес, референтная линия, прямолинейность, бесконтактные измерения, фотокамера, подкрановый рельс, отклонение

DOI:

10.7256/2454-0714.2019.4.31110

Дата направления в редакцию:

21-10-2019

Дата рецензирования:

22-10-2019

УДК 624-2/-9 Abstract.

The article describes a method for determining the linearity of crane rails of bridge cranes by processing photo images. The method does not require marking of shooting points on rails, using special devices and performing a large number of angular, linear or other measurements. The method uses a horizontal reference line drawn on the image or created using the image on the image of the thread hanging freely in front of the lens cord plummet. The line can also be created using the Plumb-bob program, which gives the image of a vertical line. The image processing algorithm is described using a raster image editor to determine the deviations of the axial points of the rail from the reference line. Various options are being considered for determining the size of one pixel depending on the shooting distance and the height of the camera above the rail. The results of measurements and their comparison with the results obtained by traditional methods, which showed a difference of 0-5 mm, are presented. An algorithm for determining the number of pixels contained in a line corresponding to a given distance to any shooting point is described, which allows for the determination of deviations in the image anywhere in the crane path.

Существует несколько методов определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов, подробно описанных в работе -Ш. Все они, являясь контактными, связаны с многократным задействованием мостового крана, необходимостью выхода исполнителей на подкрановый путь и обозначения на рельсах точек съёмки. При этом требуется наличие специальных приспособлений, выполнение большого количества угловых, линейных или иных измерений, что в условиях действующих цехов сопряжено со значительными трудностями.

Высказанная в работе ^ идея использования фотограмметрических створов ввиду сложности классической обработки снимков не получила своего дальнейшего развития.

В настоящее время в ряде статей [3, 4 5 6 7] обращено внимание на достоинства цифровой фотограмметрии, позволяющие рекомендовать её для измерения геометрии объектов бесконтактным методом.

В статье предлагается бесконтактный метод определения прямолинейности подкрановых рельсов, основанный на обработке цифровых фотоизображений с использованием референтных линий.

Фотоизображение получается с помощью цифровой фотокамеры, установленной над рельсом в начале контролируемого участка. Рельс фотографируется в направлении его конечной точки (рис. 1а). Фотоизображение загружается в любой растровый редактор, после чего снимаются растровые координаты курсора левого и правого края рельса в начальной и конечной точках контролируемого участка (величины Л1, П1 и Лп , Пп ). На снимке строится референтная линия 1-п так, чтобы растровые координаты в точках 1 и п были соответственно равны (Л1 + П1)/2 и (Лп + Пп )/2. Далее снимаются растровые координаты курсора последовательно левого края рельса, в точках 2, 3, 4,... референтной линии и правого края рельса (величины Л, О и П в пикселях (пкс), соответствующие каждому положению курсора, см. рис. 1б).

По значениям этих координат вычисляются отклонения Л оси рельса от референтной линии в пикселях, причём, знак «плюс» означает отклонение влево, знак «минус» -вправо.

Л = О - (Л + П)/2 , (1)

Для перевода полученных результатов в метрическую систему единиц (мм) необходимо подсчитанные по формуле (1) значения Л пкс умножить на соответствующий им размер пикселя б мм/пкс, определяемый по формуле

6 =

¡ли

(2)

где I - ширина головки рельса (П - Л) в мм и в пкс.

Рис. 1. Фотография рельса с референтной линией 1-п (а ) и схемой измерения (б )

Ключевым моментом описанного подхода является установление зависимости размера одного пикселя в метрических величинах для разных расстояний б (рис. 1б). С этой

целью было выполнено знаковое моделирование, сущность которого заключалось в фотографировании дорожного бордюра с известными размерами (рис. 2а) с высоты 1,0 и 1,5 м.

Рис. 2. Фотографии бордюра с референтной линией (а), с «крестом» (б) и отвесом (в)

По полученным фотоизображениям в растровом редакторе были определены растровые координаты левого Л и правого П края бордюрного камня с интервалом 1 м. По разности этих координат и ширине бордюрного камня 120 мм были подсчитаны размеры в мм одного пикселя для каждого расстояния.

По полученным данным построены графики (рис. 3), наглядно иллюстрирующие, во-первых, прямолинейную зависимость между б и б и, во-вторых, тот факт, что с уменьшением высоты фотографирования уменьшается размер одного пикселя.

Поскольку зависимость б от б носит прямолинейных характер, то на практике рекомендуется ограничиться тщательным определением бн в начале и бк в конце контролируемого участка, а любой размер пикселя б/ может быть найден по формуле:

6, = 6„ +

, (3)

где б/ - размер пикселя на расстоянии б/ ; бн- размер пикселя на расстоянии б н ; бк -размер пикселя на расстоянии б к .

По формуле (3) были подсчитаны теоретические значения б. Их расхождение с экспериментальными данными оказались в пределах от -0,6 до +0,2 пкс для высоты фотокамеры 1,5 м и от -0,2 до +0,1 пкс для высоты 1,0 м. Для повышения точности определения размера пикселя на расстояниях б н и б к удобно использовать нивелирную рейку, устанавливаемую горизонтально или вертикально.

Рис. 3. Графики зависимости размера пикселя б от расстояния d и высоты

расположения камеры 1,5 м, 1,0 м и 0,75 м

С целью определения соотношения размеров одного пикселя, найденных по горизонтальному и вертикальному базисам. была выполнена соответствующая калибровка цифровой фотокамеры Nikon COOLPIX S9100.

Методика калибровки заключалась в фотографировании «креста» из двух 1,5-метровых нивелирных реек в интервале от 2 до 30 м (рис. 2б). Для этого фотокамера центрировалась над осью бордюра в его начале на высоте 0,75 м. Оптическая ось камеры ориентировалась вдоль этой полосы и была направлена на центр «креста», установленного в конце контролируемого участка. Последовательно при неподвижном положении фотокамеры фотографировали «крест», однообразно устанавливаемый по оси бордюра.

На каждой фотографии в растровом редакторе снимались растровые координаты в пикселах левого Л, правого П, верхнего Ви нижнего Нконцов обоих базисовили их видимой на снимке части. Результаты обработки снимков иллюстрируются совмещённым графиком на рис. 3, подтверждая, во-первых, ранее сделанный вывод о зависимости размера одного пикселя от высоты расположения фотокамеры. Во-вторых, для фотокамеры Nikon COOLPIX S9100 определение размера одного пикселя может осуществляться как по горизонтальному, так и по вертикальному базису.

Кроме того, по формуле (3) были подсчитаны теоретические значения б. Их расхождение с экспериментальными данными оказались ничтожными в пределах от -0,01 до +0,02 пкс.

Отличительной особенностью предлагаемого бесконтактного метода является то, что в качестве референтной линии может быть использована нить шнурового отвеса. Для этого достаточно сфотографировать отвес на фоне исследуемого участка. Если на фотографии (рис. 2в) нить отвеса будет совпадать с начальной и конечной точками линии 1-n , то в результате обработки снимка можно получить сразу отклонения осевых точек рельса от этой линии. В этом отношении представляется перспективным применение программы Plumb-bob, позволяющей всегда иметь на снимке изображение вертикальной прямой, которую можно использовать в качестве референтной линии.

Для определения непрямолинейности бордюра была проведена на фотографии, в ыполне нной с в ыс о ты фо тока ме р ы 1,0 м, р е фе ре нтна я линия (р ис . 2а ) ч е ре з на ч а льную и конечную точки, которым соответствовали растровые координаты (Лн + Пн)/2 и (Лк+

Пк) /2 и через 2 м были определены координаты Л, О и П и вычислены значения (Л + П)/2.

Для того, чтобы обнаружить возможные грубые ошибки в замеренных координатах Л, П, О и полусумме (Л + П)/2, построены графики, представленные на рис. 4.

Рис. 4. Графики зависимости отсчётов Л, О, П, (Л + П)/2 по курсору от расстояния б

По формуле (1) с учётом формулы (2) были подсчитаны отклонения Л в мм. Для контроля было выполнено обычное боковое нивелирование бордюра и подсчитаны отклонения Л'. По их значениям построены графики отклонений осевых точек бордюра от референтной линии (рис. 5), наглядно показывающие хорошую сходимость результатов обработки фотоснимков и бокового нивелирования.

Рис. 5. Графики отклонений осевых точек бордюра от референтной линии

Решение задачи по определению на снимке расстояний между точками 1, 2, 3,... (рис. 1) осуществлялось следующим образом. На снимках (рис. 2а), выполненных с высоты 1,0 и 1,5 м, было определено количество р пикселей, содержащихся в известных расстояниях 3, 4, 5,., 28, 29, 30 м от фотокамеры до точек съёмки. Результаты измерений представлены в таблице 1 (графы 2, 4, 7, 9).

Таблица 1

Соотношение между расстоянием и количеством пикселей при различной высоте расположения камеры

Расстояния б , м Количество пикселей, пкс Расстояния б , м Количество пикселей, пкс

Высота 1,0 м Выс о та 1,5 м Высота 1,0 м Высота 1,5 м

Р А Р А Р А Р А

1 -> л с р. п й о 1 п

3 2981 8943 1081 3243 17 311 5287 131 2346

4 2160 8640 809 3236 18 277 4986 121 2178

5 1696 8480 644 3220 19 251 4769 112 2128

6 1362 8172 523 3138 20 220 4400 98 1960

7 1137 7959 442 3094 21 193 4053 90 1890

8 966 7728 377 3016 22 172 3784 83 1826

9 826 7434 327 2943 23 158 3634 77 1771

10 714 7140 281 2810 24 141 3384 72 1728

11 630 6930 253 2783 25 125 3125 64 1600

12 551 6612 225 2700 26 110 2860 58 1508

13 490 6370 202 2626 27 94 2538 53 1431

14 438 6132 180 2520 28 76 2128 47 1316

15 390 5850 167 2505 29 64 1856 43 1247

16 350 5600 155 2416 30 53 1590 39 1170

На основании данных табл. 1 построены графики зависимости расстояний d от количества содержащихся в них пикселей р привысоте расположения камеры 1,0 и 1,5 м (рис. 6).

По таким графикам, вычерченным в крупном масштабе, можно определять графически или аналитически расстояния d' в зависимости от количества пикселей р ' для применяемой методики фотографирования. Методика таких определений подробно

описана в работе

Особый интерес представляют произведения А = dp (см. графы 3, 5 и 8, 10 табл. 1). По их значениям построены графики, иллюстрирующие прямолинейную зависимость коэффициента А от расстояния d (рис. 7).

3500

3 4 5 6 7 В 9 1011 12131415 1617181920212223 24252627282930

Расстояния г1. м

Рис. 6. Графики зависимости расстояния d от количества пикселей р

и в ыс о ты ра с по ло ж е ния ка ме ры

Поскольку зависимость А от d носит прямолинейных характер, то на практике можно ограничиться тщательным определением А н в начале и А к в конце контролируемого участка, а любой размер А/ может быть найден по формуле

[¿|-ан)05н-Ак)

(¿к-4) , (4)

где А/ , А н и А к - размер коэффициента А соответственно на расстоянии б/ , б н и б к.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При использовании описанного метода определения прямолинейности подкранового рельса основная задача заключается в определении на снимке местоположения точек съёмки 1, 2, 3,. (рис. 1), которые, например, могут располагаться против каждой опорной колонны при их шаге 6 м. Для этого, рельс фотографируется фотокамерой, установленной над ним, как это показано на рисунке 2а без базиса,или с базисом (рис. 2б) или с отвесом (рис. 2в).

Рис.7. Графики зависимости коэффициента А от расстояния б

и в ыс о ты ра с по ло ж е ния фо тока ме ры

На снимке в растровом редакторе замеряются растровые координаты в пикселах р н и р к, , соответствующих расстояниям б н и б к. Далее вычисляются коэффициенты А н = б нр н и А к = б кр к. По формуле (4) определяются величины коэффициентов А/ длярасстояний б/ и вычисляется количество пикселей р / = А/ /б/ , соответствующих положению съёмочных точек / против каждой колонны или в любом другом месте. Откладываются на снимке вычисленные значения р / и в полученных точках / производят необходимые измерения Л, П и др.

Для определения точности предлагаемого метода были вычислены по формуле (4) теоретические значения А т и теоретические значения количества пикселей р т, соответствующие каждому расстоянию б .

На рис. 8 представлены графики, иллюстрирующие зависимость фактических и теоретических значений А ф, А т и р ф, р т от расстояний б . По разностям фактических и теоретических значений А и р получены ошибки определения расстояния, которые для высоты фотографирования 1,0 м и 1,5 м не превысили по модулю соответственно 19 мм и 36 мм. Для определения непрямолинейности подкрановых рельсов данная точность является достаточной.

Рис. 8. Графики зависимости А ф, А т (а) и р ф, р т (б) от расстояния б

Следует отметить, что описанный бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов, основанный на обработке цифровых фотоизображений в стандартных растровых редакторах, отличается простотой выполнения, объективностью и информативностью. Основная задача при этом заключается в разработке методики фотографирования с целью, во-первых, получения снимков наиболее высокого разрешения и, во-вторых, выполнения фотографирования так, чтобы на снимке имело место равенство (Лн + Пн)/2 = (Лк+ Пк)/2. В этом случае отпадает необходимость иметь на снимке референтную линию и определять ее растровые координаты О, поскольку все они будут постоянны. В противном случае растровые координаты О могут быть подсчитаны с учётом приведенных выше формул и без наличия на снимке референтной линии.

Библиография

1. Шеховцов Г.А. Современные методы геодезического контроля ходовой части и путей мостовых кранов: монография / Г.А. Шеховцов // Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - 2-е изд., перераб. и доп. - Нижний Новгород: ННГАСУ, 2018. - 185 с.

2. Лященко Ю.К. Исследование точности последовательных фотограмметрических створов / Ю.К. Лященко // Инж. геод. - 1984, - №27. - С. 65-68.

3. Уставич Г.А. О применении неметрических цифровых камер для инженерно-геодезических измерений / Г.А. Уставич, Я.Г. Пошивайло // Геод. и картогр. - 2005.

- № 8. - С. 19-24.

4. Кацарский И.С. О цифровой фотограмметрии и перспективах её применения / И.С. Кацарский // Геопрофи. - 2006. - № 6. - С. 4-8.

5. Барсуков К.Г. Исследование возможностей неметрических цифровых фотоаппаратов при решении инженерно-строительных задач / К.Г. Барсуков // Науч. вестн. Воронежск. гос. архит.-строит. ун-та. - 2007. - № 3. - С. 82-85.

6. Bernasik ^гсу, 5+амотк Automatyzacja fotogrametrycznych pomiar6w odksztafceh dachowych dZwigar6w 1па1 ргеету5Ьмус1п // Geodezja. - 2006. - 12, № 2.

- С. 113, 141-149.

7. Джарроуш Д. Бытовая цифровая камера как инструмент для точных геодезических измерений / Д. Джарроуш // Геопрофи. - 2014. - № 4. - С. 46-49.

8. Шеховцов Г.А. Контроль пространственного положения и формы строительных конструкций с помощью неметрических цифровых камер [Текст]: монография / Г.А.

Шеховцов, О.В. Раскаткина / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород: ННГАСУ, 2017. - 118 с. 9. Шеховцов Г.А. Теоретические основы бесконтактного фотографического способа измерения расстояний при определении деформаций инженерных сооружений / Г.А. Шеховцов, О.В. Раскаткина // Приволжский научный журнал / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Нижний Новгород. 2019. - №2. - С. 44-51.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.