CC BY
90
РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ
Галина Вячеславна Симонова
Сибирская геодезическая государственная академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного,10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации; тел. 8-913-724-67-47, 361-07-45, e-mail: simgal@list.ru
Дмитрий Павлович Симонов
Сибирская геодезическая государственная академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного,10, аспирант кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. 8- 923-245-38-99, e-mail: dumkah@gmail.com
В работе предложена методика контроля качества поверхности на основе статистических характеристик распределения яркости отражённого светового сигнала.
Ключевые слова: структура поверхности, яркость отражённого сигнала, распределения плотности вероятности, гистограмма, стандартное отклонение.
DEVELOPMENT OF AN OPTICAL METHOD OF SURFACE INSPECTION
Galina V. Simonova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, str. Plakhotnogo 10, PhD. tech., assistant professor department of Metrology, Standardization and Certification; tel. 8-913-724-67-47, 361-07-45, e-mail: simgal@list.ru
Dmitry P. Simonov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, str. Plahotnogo, 10, graduate student department of Photogrammetry and Remote Sensing; tel. 8-923-245-38-99, e-mail: dumkah@gmail.com
The paper proposed a method for surface inspection based on the statistical characteristics of the brightness distribution of the reflected light signal.
Key words: surface structure, the brightness of the reflected signal, probability density distribution, histogram, standard deviation.
Качество обработки поверхности, а также наличие на ней примесей существенно влияют на возможность дальнейшего использования данного объекта. Современные методы контроля качества состояния поверхности очень разнообразны, но, как правило, требуют дополнительных технологических операций, что существенно усложняет процесс. Очень часто для оценки качества поверхности используется визуальное наблюдение исследуемого объекта с помощью микроскопа. Этот вид контроля не только достаточно трудоёмкий, но и требует специальной квалификации оператора. Оценочные параметры такого контроля носят субъективный характер и достоверность его не высока. Кроме того, как правило это выборочный контроль и нет информацию о состоянии поверхности всего объекта.
В случае идеальной поверхности отражение светового потока должно подчиняться законам геометрической оптики, но в реальных случаях этого не происходит, потому что материал поверхности и её структура существенно неоднородны Таким образом, результат распределения яркости отражённого от поверхности света является суммой многих случайных слабо взаимозависимых величин. Следовательно, исходя из правила теории вероятности для большого числа наблюдений распределение центрированного и нормированного результата должно стремится к нормальному [1].
Применительно к оценке качества поверхности, если контролируемым параметром является распределение отражённого от поверхности светового потока, то его распределение в той или иной степени должно отражать состояние поверхности и существенно меняться при изменении качества её обработки [2].
При стационарном освещении любой поверхности светом заданного спектрального состава отражённый от разных участков поверхности световой поток будет иметь разное направление и яркость. Изменение направления и интенсивности отражённого сигнала обусловлено как структурой поверхности, так и её материалом. Следовательно, располагая этой информацией и используя цифровые методы обработки результатов измерений можно получить как интегральные, так и локальные характеристики исследуемого объекта. В данной работе предлагается использовать в качестве параметра контроля поверхности яркость отраженного от неё светового потока.
На рис. 1 представлены изображения керамической поверхности алюмоок-сидной керамики разного типа.
а) керамика с крупными порами; б) вакуумная керамика Рис. 1. Типы керамических поверхностей
Как указывалось, выше, при наличие большого количества возмущающих факторов, распределение значений яркости для заданной поверхности должно подчиняться закону Гаусса. Однако, реальное распределение интенсивности отражённого сигнала носит более сложный характер [3].
Гистограмма этого распределения для одного из образцов приведена на рис. 2.
а) 1 канал ( Зелёный) б) 2 канал (Красный ) в) 3 канал ( Синий) Рис. 2. Гистограммы распределения количества пикселей в заданном интервале изменения яркости для разных спектральных интервалов
Полученный результат показывает, что гистограммы в разных спектральных интервалах существенно отличаются, следовательно для сравнительных оценок следует брать один и тот же узкий спектральный интервал [4].
Гистограммы распределения яркости отражённого сигнала трёх разных образцов для зелёной области спектра приведены на рис. 3.
а) образец 1
б) образец 2
и и и и
г) изменение среднего значения Рис. 3. Распределение яркости
Для дальнейшей математической обработки полученного результата удобно иметь аналитическое выражение зависимости. Однако аппроксимация полученного распределения какой-либо функцией требует индивидуального подхода и носит произвольный характер, что затрудняет интерпретацию результатов. Возможно в этом случае удобно не искать вид функции конкретного распределения яркости, а оценить отличие данного распределения от нормального используя известные методики, например Пирсона или Котельникова или, в простейшем случае, определить простые статистические характеристики зарегистрированного распределения, принимая за результат измерения значения сигнала от каждого пикселя.
В данной работе рассмотрен способ сравнительной оценки поверхностей на основании оценки среднеквадратического отклонения В таблице приведены соответствующие результаты измерений и расчёта.
Таблица
Образец 1 Образец 2 Образец 3
Класс кол-во сред*кол дельтал2 кол-во сред*кол дельтаЛ2 Класс сред*кол дельтаЛ2
1 554 242804,9 19245,53 558 288409 38488,82 1 36425 3100095 455,1616
2 838 415106,7 6666,762 682 403739,2 14654,23 2 28556 2971166 5,743292
3 505 266007,7 2525,69 579 367557,3 6120,508 3 14288 1595055 26,96188
4 665 362173,6 1048,61 671 442928,4 2803,244 4 9653 1105529 65,3427
5 511 284621,9 400,5699 736 499813,2 1152,852 5 5908 685328 91,32637
6 808 458529,5 90,57791 726 504972,2 306,0286 6 15183 1784746 123,3318
7 330 190563,5 0,212297 689 490179,4 2,597494 7 25131 3004989 172,3833
8 824 484135,4 111,0654 894 650005,1 196,7659 8 19679 2381159 211,8912
9 601 359077,7 418,7244 557 414477,6 965,8002 9 54886 6725072 258,7106
10 846 514877,3 998,4183 612 467609 2602,972 10 59394 7395028 326,3256
11 757 471144,7 2059,322 852 672360,9 5792,477 11 33024 4161024 382,456
12 1061 682178,4 4349,898 730 603933,4 13054,97 12 69571 8869259 442,744
13 556 378728,3 10849,67 570 508765,5 32228,62 13 54974 7118034 530,6796
5109950 48765,05 6314750 118369,9 577,0042 3751,157 713,0477 9105,376 61,24669 95,42209 14 24467 3205177 603,0209
15 34332 4545557 673,739
16 35595 4828853 853,6613
17 20009 2889700 1442,213
57593926 6665,692
106,4435 392,0996
19,8015
Полученные результаты показывают, что количественные значения средней величины отклонения существенно различны для разных образцов Таким образом, для практических задач возможно удобнее, информативнее и объективнее использовать не поиск аналитического вида зависимости каждого конкретного распределения яркости отражённого от поверхности света, а, как показано в данной работе, определять значения его статистических характеристик.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузнецов В.А., Исаев Л.К., Шайко И.А. Метрология. - М.: Стандартинформ, 2005. -
298 с.
2. Плетнев П.М., Симонова Г.В., Симонов Д.П., Степанова С.А. Оптимизация методов контроля качества функциональной керамики // Сб. материалов VII Междунар. науч. конгр. «ГЕО-СИБИРЬ-2011» - Т. 5, ч. 2: Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. - Новосибирск: СГГА, 2011. - С.222 - 226.
3. Симонов Д.П., Симонова Г.В., Плетнёв П.М., Степанова С.А. Разработка бесконтактных методов количественного определения структурных характеристик керамических материалов // Сб. материалов VIII Междунар. науч. конгр. «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь-2012» - Т. 5, ч. 2: Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 204 - 208.
4. Симонов Д.П. Анализ возможности создания цифровых эталонов признаков для структурированных поверхностей // Сб. материалов VIII Междунар. науч. конгр. «ИНТЕРЭКСПО ГЕО-Сибирь-2012» - Т. 5, ч. 2: Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 209-212.
© Г.В. Симонова, Д.П. Симонов, 2013
