Исследование возможности применения спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта в оптико-электронных системах контроля положения Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

3. Демин А.В., Перл И.А. Волновой алгоритм для работы с линейкой ФПЗС // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 3. - С. 19-25.

Демин Анатолий Владимирович

Денисов Андрей Васильевич Перл Иван Андреевич

Третьякова Анастасия Александровна

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected] ОАО «ЛОМО», аспирант, [email protected] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected] ОАО «ЛОМО», аспирант, [email protected]

УДК 681.786

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕКТРОЗОНАЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ О.Ю. Лашманов, А.В. Пантюшин, А.Н. Тимофеев, С.Н. Ярышев

Рассмотрены возможности использования оценок координат изображения излучающих реперных меток в синей,

зеленой и красной областях спектра на матричном приемнике, реализованном по шаблону Байера.

Ключевые слова: метод спектрозональный, система оптико-электронная, оценки координат изображений меток.

Введение

Существующие процедуры обследования технического состояния и экспертизы промышленной безопасности подавляющего большинства зданий и сооружений имеют нерегулярный характер, поэтому с целью предупреждения техногенных катастроф актуально применение распределенных оптико-электронных систем (РОЭС) долговременного и оперативного контроля пространственного положения элементов [1]. Для таких систем необходима возможность обеспечивать параллельные и независимые измерения смещений с погрешностью до 0,1 мм и высокой частотой обновления информации (до 10 кГц) для множества контрольных точек. РОЭС с многоэлементными фотоприемниками (МФП) имеют целый ряд преимуществ по сравнению с остальными методами измерения координат. Потенциальная точность для таких измерителей достигает 0,05 элемента от шага фотоприемной многоэлементной структуры [2]. К тому же комплексирование информации по длине волны оптического излучения в многоканальных РОЭИС с МФП [3] позволяет повысить эффективность работы проектируемых систем.

В современных РОЭС существенное влияние на процессы контроля оказывает среда распространения оптического излучения. Прежде всего, на величину погрешности измерений будут оказывать влияние такие явления в атмосфере, как рефракция и турбулентность воздушного тракта. Рефракция вызывает систематическое отклонение направления распространения оптического излучения, в основном, вследствие температурного градиента показателя преломления воздуха. Одним из способов уменьшения влияния рефракции является использование принципа спектрозональной селекции [4].

Наиболее доступным вариантом для реализации спектрозональной селекции является применение трехканального спектрозонального датчика, у которого каналы соответствуют трем основным цветам системы RGB. В результате такого выбора появляется возможность использования трех независимых спектрозональных каналов с единого фотоприемного матричного поля.

Таким образом, целью настоящей работы являлось изложение результатов исследований принципиальных возможностей и реализации спектрозонального метода для ослабления влияния воздушного тракта при контроле пространственного положения активных визирных марок РОЭИС с МФП.

Наиболее доступным вариантом для реализации спектрозональной селекции является применение трехканального спектрозонального датчика, у которого каналы соответствуют трем основным цветам системы RGB. В результате такого выбора появляется возможность использования трех независимых спектрозональных каналов с единого фотоприемного матричного поля. В связи с этим особенностями прикладных исследований являлась оценка характеристик РОЭС для случая реперных меток (РМ), реализованных в виде полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) белого цвета.

Вследствие различного количества элементов матричного цветного фотоприемника с байеровским шаблоном для каждого спектрозонального канала требуются различные алгоритмы обработки малоразмерного изображения РМ.

Алгоритмы оценки координат изображений реперных меток при спектрозональных измерениях

В соответствии с расположением элементов байеровского шаблона для матричного фотоприемника синие элементы (пиксели) занимают нечетные номера элементов матричного поля и располагаются в

нечетных строках (рис. 1, а), красные элементы (пиксели) занимают четные номера элементов и располагаются в четных строках (рис. 1, б), в то время как зеленые элементы (пиксели) занимают четные номера элементов и располагаются в нечетных строках (рис. 1, в), а нечетные номера элементов располагаются в четных строках.

а б в

Рис. 1. Пространственное расположение матричных цветовых полей фоточувствительных элементов единой приемной матрицы в соответствии с байеровским шаблоном: а - расположение синих полей (горизонтальная штриховка), б - расположение красных полей (вертикальная штриховка), в - расположение зеленых полей (наклонная штриховка)

Шаг синих элементов Pbx и Pby по координатам 0Х и 0Y будет составлять удвоенную величину по сравнению с шагом матричного поля x, и y, по соответствующим координатам:

Pbx Px , РЪу Ру •

Для функционирования алгоритма оценки координат малоразмерного объекта методом энергетического центра тяжести требуется, чтобы линейные размеры изображения РМ составляли не менее 4-5 размеров элемента (пикселя) [2]. В этом случае вычисление оценки координат центра изображения Хъ цЭ и Yb цЭ (рис. 1, а) для синей области спектра можно производить по формулам

i=N i=M

J=M Zfe (Xi ) ^ ] j=N Ц& (у ) У, ]

Zi=0__у1 _i=0_

i=N Zj i=M

J=0 iqi ( x, ) J=0 yQi (у, )

V —_i=0_г.. v __i=0_Г)

Хъ цэ = M ; Yb цэ = N 2,

где x,, yj - координаты элементов, входящих в окрестность М х N; M, N - величина окрестности, содержащей изображение объекта М (при этом, для квадратных областей M=N); Qj (х,) - суммарный сигнал с элементов J-ой строки, входящих в окрестность М ; Q, (у) - суммарный сигнал с элементов i-го столбца, входящих в окрестность М.

Для красного канала шаг элементов Prx и Pry (рис. 1, б), как и в синем канале, по координатам 0Х и 0Y будет составлять удвоенную величину по сравнению с шагом матричного поля x, и у, по соответствующим координатам:

P = P P = P

i rx J x J ry i у

В этом случае вычисление оценки координат центра изображения Xr цЭ и Yr цЭ для используемой системы координат 0XY в красной области спектра можно производить по аналогичным формулам синего канала:

i=N i = M

J=M Y\Q, (x,) x,] J=N Y\Q, (y,) У ]

Zi=0__у j=0_

i=N 2-i i = M

J=0 IQ, (x) J=0 50q, (y)

Xr цэ =--2 + Д rx ; Yr цэ =-~-2 + Д ry .

При искусственном разделении на два зеленых канала в первом канале оставим только те зеленые элементы, которые принадлежат нечетным строкам. Тогда для введенной системы координат 0XY значения оценок координат центра изображения Xg1 цЭ и Yg1 цЭ (рис. 1, в) составят

i=N

j =м Zfe(X) X]

Zi=00_

i=N

j=0 la(x)

i =M

j=N Yfei (yi) y»■]

Zi=0_

i =M

j =0

Z Qi (y<)

x,

g1 цэ

i=0

-2 + Д

М м

где Д^ - горизонтальная координатная поправка для первого зеленого канала, при этом Д^

Для второго, зеленого канала используются только четные строки. Тогда оценки координат центра изображения Х^2 цЭ и У^ цЭ для второго канала вычисляются по формулам

1=Ы 1=М

] =М Х1& (X) X ] Х1& (У/) У/ ]

Е.=0__Т _г=°_

.=М /=М

]=0 (X/) У=° Х& (У/)

Y,

gi ЦЭ

i=0

2

X

g 2 цэ

i 0

■2; Y,

i 0

М g2ЦЭ N

где ДЁУ - горизонтальная координатная поправка для первого зеленого канала, при этом Д^= РУ2.

Тогда суммарное значение оценки координат центра изображения в зеленом канале может быть вычислено как среднее арифметическое оценок двух раздельных зеленых каналов:

2+Д

gy ■■

x =х£1цэ^х£2цэ ; Y

xg цэ =-2-' Yg цэ

Yg1 цэ + Yg 2 цэ 2

Анализируя оценки координат изображения белой (RGB) реперной метки в трех спектральных диапазонах, можно при контроле пространственного положения метки синхронно определять и характеристики воздушного тракта (например, градиент температуры). В этом случае с помощью цветной видеокамеры, используя дисперсионный метод [4], можно ослаблять вредное воздействие воздушного тракта на процесс измерений пространственного положения реперной метки.

Для оценки практических возможностей рассматриваемого метода проводилось физическое моделирование процесса измерения пространственного положения реперной метки на специальном стенде.

Описание физической модели для оценки реализуемости спектрозонального метода

В физической модели РОЭС, основанной на спектрозональном методе, излучение от белой РМ проходит через объектив и попадает на матричное фотоприемное устройство, сообщающееся с персональным компьютером при помощи блока интерфейса камеры. Через блок интерфейса камера может получать команды от персонального компьютера, такие как разрешение передаваемого видеосигнала, контрастность или способ получения видеоинформации. В физической модели РОЭС использовалась камера VEC-545 (матрица КМОП 0V5620 формата 1/2,5" с размером пикселя 2,2x2,2 мкм, объектив «Юпитер-9»). В качестве РМ использован белый ПИД FYL3914WC RGB, создающий оптическое излучение в трех спектральных диапазонах (Xmax= 470, 525 и 625 нм) и питающийся от блока.

Рис. 2. Элемент блок-диаграммы цикла программы в среде

Для управления физической моделью РОЭС разработана специальная компьютерная программа в среде разработки ЬаЪУ1с^ Сигнал, поступающий от цифровой фотоприемной камеры испытуемого канала или системы, передается на блок предварительной обработки 1 (рис. 2), где сначала из поступившего электрического сигнала цифрового изображения выбирается необходимый цветовой канал, а затем из

сформированного изображения выбирается интересующая область (или области). Далее отфильтрованное изображение попадает в блок вычисления координат РМ 2. После проведения измерения результат записывается в таблицу результатов, которая может быть экспортирована в формат Excel при помощи блока экспорта 3. Измерения могут производиться одновременно в трех цветовых каналах и нескольких областях изображения.

Экспериментальные исследования характеристик определения координат изображений РМ

Целью экспериментальных исследований являлось доказательство возможности реализации спек-трозонального метода в РОЭС с помощью серийно выпускаемой камеры, каналы которой соответствуют трем основным цветам системы RGB. В качестве доказательств реализуемости метода использовались оценки систематической и случайной составляющих погрешностей измерения координат, по которым можно также судить и о качестве оценок среднеквадратического отклонения и оценок координат при многократных измерениях.

Для каждого из цветовых каналов камеры было проведено по три серии измерений координат изображений, в каждой из которых было проделано по 1000 измерений. Результаты записывались синхронно во всех каналах, что позволяет вычислить устойчивость показаний в процессе времени при многократных измерениях. В результате было определено положение центра изображения РМ для каждого из каналов. Среднее значение смещения центров РМ в красном и синем канале относительно зеленого (калибровочного) составляет 0,5 пикселя, что подтверждает теоретические выкладки. При этом стоит отметить, что величина среднеквадратической погрешности не превышала 0,02 пикселя.

В ходе эксперимента было определено, что при отсутствии температурного градиента разница в смещении энергетических центров изображения в различных цветовых каналах не превышает 0,04 пикселя, и при перемещении реперной марки ее изображение перемещается на одинаковую величину во всех цветовых каналах. При исследованиях влияния температурного градиента тракта на точность определения координат РМ было выявлено, что СКО определения центра изображения во всех каналах в вертикальном направлении возросло до 1,5 пикселя, в то время как в горизонтальном - до 0,6 пикселей. При этом показано, что наибольшая чувствительность к температурному градиенту обладает пара зеленый-красный канал (таблица).

Синий-красный Синий-зеленый Зеленый-красный

При локальном градиенте температуры до 0,01°/м 0,230 0,112 0,342

В нормальных лабораторных условиях 0,135 0,007 0,128

Таблица. Средняя величина разности координат центров изображений РМ в различных цветовых каналах (все значения в таблице приведены в пикселях)

Заключение

Предложены алгоритмы пересчета оценки координат изображений активных РМ при спектрозо-нальных измерениях к единому матричному полю анализа МФП.

На реализованной установке доказана возможность обеспечивать оценку СКО результата измерения положения изображения РМ не более 0,04 пикселя на выпускаемых серийно видеокамерах "УЕС-545 синхронно в трех спектральных диапазонах.

Экспериментальные исследования показали, что предложенный способ спектрозональных измерений координат активных РМ в поле зрения единого цветного МФП позволяет регистрировать воздействие градиента температур воздушного на процесс контроля РОЭС.

На основе полученных результатов целесообразно провести развитие методов спектрозональной селекции и адаптивных алгоритмов с целью ослабления влияния атмосферной трассы (дисперсии и турбулентности) и перекрестных связей между каналами.

Работа проводилась в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по государственному контракту № П1112 от 26 августа 2009 г.

Литература

1. Богатинский Е.М., Коротаев В.В., Мараев А.А., Тимофеев А.Н. Исследование путей ослабления влияния воздушного тракта в распределенных оптико-электронных системах предупреждения техногенных катастроф // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 3(67). - С. 130.

2. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Изв. вузов. Приборостроение. - 1986. - № 9. - С. 62-69.

В.В. Антонов, Г.Г. Ишанин

3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Логос, 2007. - 192 с.

4. Latyev S.M., Pankov E.D., Prokofjev A.V., Tymofeev A.N. Refraction's slacking in optoelectronic systems for positioning of elements of ecological dangerous objects // Proc. SPIE. - 2004. - V. 5381. - Р. 157-163.

Лашманов Олег Юрьевич Пантюшин Антон Валерьевич Тимофеев Александр Николаевич

Ярышев Сергей Николаевич

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, студент, [email protected] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected] Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, зав. лабораторией, [email protected]

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]

УДК 681.785

КОРРЕКЦИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ УФ РАДИОМЕТРА СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

В.В. Антонов, Г.Г. Ишанин

Рассматривается возможность измерения спектрозональных энергетических эффективных величин в ультрафиолетовой области спектра, основанная на измерении спектрального состава излучения исследуемого источника с последующей компьютерной обработкой информации. Традиционное решение этих задач связано с созданием обширного ряда спектрозональных приборов, имеющих индивидуальные спектральные характеристики чувствительности. Спектральная коррекция чувствительности фотоприемников, используемых в таких приборах - зачастую далеко не простая задача, решение которой сопряжено с неоправданным удорожанием измерительного прибора в целом. Предлагаемый метод определения спектрозональной облученности объектов в любом заданном участке спектра представляется перспективным.

Ключевые слова: спектрозональный метод, спектрофотометрический метод, эффективные величины, полихроматор.

Введение

Сегодня в промышленности широко используются различные источники ультрафиолетового (УФ) излучения. Применение УФ излучения очень разнообразно, а качество технологического процесса зачастую зависит от спектрозональной облученности в узких спектральных интервалах. Вместе с тем УФ излучение может оказывать вредное влияние на человека и на окружающую среду. Существуют санитарные нормы, которые регламентируют безопасные значения УФ облученности для человека по зонам. Международная комиссия по освещению (МКО) в 1963 г. предложила разделить УФ излучение на три зоны: УФ-А - от 315 до 400 нм; УФ-В - от 280 до 315 нм; УФ-С - от 200 до 280 нм [1]. В связи с этим возникает необходимость измерения спектрозональной УФ облученности в этих спектральных интервалах.

Условно все современные УФ радиометры можно разделить на два класса: спектрозональные и спектрофотометрические. Несмотря на широкий выбор УФ радиометров, как отечественного, так и иностранного производства, большинство из предлагаемых приборов имеют ряд существенных недостатков.

Так спектрозональные УФ радиометры для измерения облученности в зонах А, В и C имеют три фотометрические головки с индивидуальными спектральными характеристиками чувствительности. Обычно они используют один селективный приемник излучения на внутреннем фотоэффекте, спектральная чувствительность которого приводится к заданной фильтрами. Неселективные тепловые приемники излучения с достаточной УФ чувствительностью отсутствуют. Существенными для спектрозо-нальных УФ радиометров являются большая погрешность измерений и нецелесообразность их использования для измерения излучения УФ источников с линейчатым спектром излучения, так как для них погрешность измерения облученности может достигать 100% и более, несмотря на заявленную производителем погрешность измерений 10%. Например, УФ радиометры фирмы PRC Krochmann GmbH имеют погрешность измерения облученности 8%. Погрешности измерения облученности УФ радиометра, выпускаемого фирмой Konica Minolta, составляют в зонах A, В и С 5%, 7% и 10% соответственно. Следует заметить, что с такой погрешностью, судя по спектральным характеристикам приборов, можно измерить ограниченное число источников УФ излучения [2]. Также к недостаткам спектрозональных приборов следует отнести технологическую сложность подбора стеклянных оптических фильтров, с помощью которых корректируется спектральная чувствительность приемника оптического излучения радиометра, номенклатура которых ограничена количеством материалов, пропускающих УФ излучение. Для точных измерений в лабораторных условиях используются спектрофотометрические приборы, которые позво-