CC BY
49
Рис. 3. Отображение аномальной зоны в штабеле
Выводы.
Разработанный программно-аналитический комплекс сконфигурирован для работы на усреднитель-ных складах агломерационных предприятий. Универсальность комплекса позволяет использовать его в любых отраслях промышленности, где требуется контролировать процесс усреднения сыпучих материалов. При этом необходима лишь дополнительная настройка разработанного программного обеспечения. Созданная трехмерная модель штабеля существенно упрощает контроль качества усредняемого материала, способствуя тем самым объединению нескольких переделов. Благодаря объектно-ориентированной структуре, все подсистемы, такие, как разгрузка железнодорожного транспорта, сборный конвейер, штабелеукладчик для загрузки штабеля, конвейеры различных складов, могут быть легко интегрированы в систему, позволяя отображать образы материальных потоков в графическом или в табличном виде.
Литература
1. Ендияров, С. В. Диагностика процессов подготовки и производства агломерата / С. В. Ендияров, С. Ю. Петру-шенко. - LAP Lambert Academic Publishing, Germany, 2013. - C. 332.
2. Ендияров, С. В. Синхронизация потоков данных в интеллектуальных многоагентных системах управления в черной металлургии / С. В. Ендияров, С. С. Головырин // Сталь. - 2013. - №9. - С. 93-95.
3. Ендияров, С. В. Система диагностики и управления процессом подготовки и производства железорудного агломерата / С. В. Ендияров, С. Ю. Петрушенко // Автоматизация в промышленности. - 2012. - №10. - Октябрь. -С. 65-68.
4. Chang, F. A Component-Labeling Algorithm Using Contour Tracing Technique / F. Chang // Proceedings of the Seventh International Conference on Document Analysis and Recognition (ICDAR 2003). - Edinburgh, UK, 2003. - P. 741745.
УДК 677. 076. 4
С. В. Ершов, Е. Н. Калинин
Ивановский государственный политехнический университет
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ АНАЛИЗА НАПРАВЛЕННОСТИ ВОЛОКОН В УГЛЕРОДНЫХ НЕТКАНЫХ СТРУКТУРАХ
В статье представлены результаты разработки программного комплекса для анализа направленности волокон в нетканых структурах средствами MATLAB. Для исследуемых образцов углеродных нетканых структур определены: направленность волокон, коэффициент анизотропии, максимальное и минимальное значения распределения волокон, расположенных в определенном направлении.
Направленность волокон, углеродная нетканая структура, метод анализа изображений, преобразование Фурье.
The article presents the software system for analysis of fiber orientation in nonwoven structures implemented in the software MATLAB. The authors carried out the analysis for carbon nonwoven samples where fiber orientation, anisotropy ratio, maximum and minimum frequency were determined.
Fiber orientation, carbon nonwoven structure, image analysis, Fourier transform.
Введение.
Основой синтеза композиционного материала на волокнистой основе, как конструкционного материала с заданными функциональными характеристиками, являются технологические процессы по формированию структуры нетканого материала (матрицы композита) с заданным расположением (направленностью) волокон.
Цель работы заключается в разработке компьютерной системы для оценки направленности волокон в структуре матрицы композита (нетканого материала) с последующим прогнозом мультиаксиальных физико-механических свойств синтезированного композитного материала.
Основная часть.
В соответствии с целью работы для определения направленности волокон в нетканом материале нами использован метод анализа изображений, в основе которого лежит преобразование Фурье [2], [6], [7], позволяющий вести обработку цифровых сигналов с использованием дискретного типа преобразования Фурье (ДПФ), а именно - его варианта с ускоренной процедурой вычислений - быстрого преобразования Фурье (БПФ) [1]. Процедура вычисления БПФ при анализе нетканой структуры волокнистого материала реализована в разработанном нами программном комплексе в системе МЛТЬЛБ.
Структура нетканого материала на изображении передается оттенками серого цвета и характеризуется переходами яркости от светлого к темному и от темного к светлому, т. е. волокна, которые образуют структуру нетканого материала, представлены как светлые линии на темном фоне (или наоборот). Для получения спектра изображения нами выполнено одномерное преобразование Фурье от каждой строки изображения, а далее та же операция проделана с каждым столбцом из полученных данных. В полученном после применения БПФ спектре сигнала низкочастотные компоненты характеризуют части изображения, где яркость практически не изменяется, а высокочастотные компоненты, наоборот, передают изменения в интенсивности. Таким образом, если волокна преимущественно расположены в каком-то определенном направлении в структуре нетканого материала, то величина интенсивности в этом направлении будет низкой, а интенсивность в перпендикулярном направлении будет высокой.
В двухмерной системе координат БПФ описывается следующей выражением [5]:
+да +да
^ (и, V) = | | /(х,у)ехр[-]2п(их + ух)]ёхёу,
—да —да
где _Дх, у) - изображение нетканой структуры; ¥(и, у) - преобразование Фурье; и - характеризует величину интенсивности в направлении оси х; V - характеризу-
ет величину интенсивности в направлении оси y; j -мнимая единица.
В разработанном нами программном комплексе для анализа направленности волокон в нетканом материале процедура вычисления БПФ осуществлена набором функций MATLAB [3]. Изображение нетканого материала с разрешением (M*N) пикселей распознается в виде матрицы f к которой для вычисления БПФ применяется следующая последовательность операций:
>> F=ifft2(f); "/«Вычисление БПФ >> Fc=fftshift(F); /Перемещение начала координат в центр частотной области
>> S=log(1+abs(Fc)); /Получение спектра изображения
>> imshow(S) /Вывод на экран Распределение интенсивности пикселей получаемого в результате вычислений спектра S характеризует расположение волокон в исходном изображении нетканой структуры материала (рис. 1 А, Б).
Для графического представления результатов преобразования Фурье выполнено сложение интен-сивностей пикселей Да,) частотной области полученного нами спектра изображения нетканого материала под углами от 0 до 180° с шагом в 1° вдоль окружности радиусом R для каждого радиуса r (рис. 1 Б). Функция F(a,), характеризующая направление волокон, определяет вероятность того, что волокна будут расположены под углом а, (рис. 1 В):
F (а,) = £/ (а,, r).
r = 0
Для проверки точности вычислительного эксперимента с использованием разработанного нами программного комплекса и достоверности получаемых результатов был проведен анализ изображений нетканой структуры с заданными параметрами расположения волокон, которые были программно сгенерированы в системе GeoDict 2013 [4] (рис. 1). Структурные характеристики в соответствии с изображениями нетканых структур приведены в табл. 1.
Сумма значений интенсивности пикселей для каждого угла а, от 0 до 180° дает 100 /-ю вероятность того, что направленность волокон в нетканой структуре материала будет определена значениями углов а,- в этом диапазоне. Это дает возможность определить процент волокон от их общего количества в образце нетканого материала, которые имеют некоторую направленность в зависимости от угла а,. В случае для каждого из рассматриваемых образцов нетканой структуры диапазон от 0 до 180° разбивается на 18 интервалов по 10° и находится процент волокон в каждом интервале. Графическое представление результатов вычисления направленности волокон в структуре анализируемых образцов приведены на рис. 2.
Таблица 1
Структурные характеристики нетканых структур
Изображение нетканой структуры Направление волокон Плотность нетканой структуры, г/см3 Диаметр волокон, мкм
Среднее значение, град. Отклонение от среднего значения, град.
Образец 1 90 0 1,8 6
Образец 2 90 15 1,8 6
Образец 3 90 30 1,8 6
Образец 4 90 45 1,8 6
9 180° ...... 0 °
\ ^ . .
-
(В)
'■'
§
и
о
И ' .1.:
15 8
Преобразование Фурье
(О 1(0 1Я
Угол
(Е)
Преобразование Фурье
» то та
Угол
(И)
Преобразование Фурье
к
I
0.2
100 120 140 1С» 100
Угол
(М)
'■'
н
§
о
н
^
н
8
Преобразование Фурье
V Ч/Ч^ уЛ^чЛ
«О 100 1Я 110 1«! 180
Угол
Рис. 1. Анализ изображений нетканой структуры с заданными параметрами расположения волокон: (А) - Образец №1, (Г) - Образец №2, (Ж) - Образец №3, (К) - Образец №4
Из анализа рис. 2 следует, что распределение волокон для исследуемых образцов №1, 2 и 3 (табл. 1) имеет одну вершину, в то время, как распределение для образца №4 не имеет ярко выраженных вершин. В данном случае вершина определяет основное направление расположения волокон в структуре материала, и в случае образца №4 ее отсутствие свидетельствует о равномерном распределении волокон в структуре нетканого материала под углами в диапазоне от 0 до 180°.
Численные значения результатов определения направленности волокон в рассмотренных нетканых структурах приведены в табл. 2.
Максимальное и минимальное значение распределения волокон определяет наибольшее и наименьшее количество волокон, расположенных в определенном направлении. В свою очередь, коэффициент анизотропии нетканой структуры определяется как отношение среднего максимального значения расположения волокон к среднему минимальному
F (amax )
F Kn )
метром, характеризующим физические свойства нетканой структуры материала и технологический процесс ее формирования.
[5] и является важным структурным пара-
(A)
Результаты расчета
о- ■ й* ^Ж^'ЛйЧР ^ & ^ ^
(Б)
Результаты расчета
ж # & # ^ ^ т -г
Угол
Угол
(В)
Результаты расчета
О- ■ ^ rntr^rJ'J'Jlf ^ & & ^ & 4P
Угол
(Г)
о4
К
о
И
о л о
И
18 -; 16 -
12 -' 10 -
Результаты расчета
Р
нам
fj* Jp dp ^ ^ >Q
Угол
Рис. 2. Результаты вычисления направленности волокон в структуре анализируемых образцов: (А) - Образец №1, (Б) - Образец №2, (В) - Образец №3, (Г) - Образец №4
Таблица 2
Численные значения результатов определения направленности волокон в нетканых структурах
Изображения нетканой структуры Максимальное значение распределения волокон, % Минимальное значение распределения волокон, % Среднее максимальное значение, % Среднее минимальное значение, % Коэффициент анизотропии
Образец 1 16,14 2,94; 3,03 16,14 2,99 5,4
Образец 2 11,03 3,4 11,03 3,4 3,24
Образец 3 8,22; 7,54; 7,44 4,21; 4,28 7,73 4,25 1,82
Образец 4 6,44; 6,45; 6,1 4,79; 4,92; 5,01 6,33 4,91 1,29
Однако изображения реальных образцов нетканого материала, получаемые с помощью цифровых камер, сканеров, оптических или цифровых микроскопов, представляют собой полноцветные изображения, в которых довольно часто не используется весь диапазон значений интенсивностей, присутствуют искажения яркости и ее неравномерность. Все это отрицательно отражается на качестве визуальных данных и в большинстве случаев не позволяет четко выделить линии волокон в структуре нетканого материала. Поэтому для анализа изображений реальных образцов нетканого материала нами выполнена их предварительная обработка с целью максимально четкого выделения линий волокон. Процедура обработки включала в себя следующую последовательность действий: во-первых, полноцветное изображение конвертировалось в полутоновое изображение, представляющее плавный переход цветов от черного через серый к белому. При этом волокна, которые образуют структуру нетканого материала, представлялись светлыми линиями на темном фоне. Затем настраивались параметры контрастности, яркости и резкости полутонового изображения с целью разделения волокон и усиления четкости их границ на общем фоне.
Описанная процедура коррекции изображений достигнута использованием функций МЛТЬЛБ [3], на основе которых нами создан программный блок,
позволяющий реализовать процесс обработки изображений автоматически при их загрузке в разработанный нами программный комплекс для определения направления волокон в нетканом материале. Для коррекции изображений нетканого материала применена следующая последовательность операций:
>> G=rgb2gray(f); / Преобразование оригинального изображения нетканого материала f в полутоновое изображение G
>> Q=imadjust(G); / Изменение контрастности полутонового изображения нетканого материала G
>> H = fspecial('unsharp',1); / Создание фильтра H для коррекции параметров яркости и резкости
>> L = imfilter(Q,H,'replicate'); / Применение фильтра H к изображению Q
>> imshow(L) / Вывод на экран обработанного изображения нетканого материала
На рис. 3 А-В представлено преобразование оригинального изображения нетканого материала f (А) в полутоновое изображение с увеличенной контрастностью Q (Б) и финальное изображение L после применения фильтра коррекции параметров яркости и резкости (В).
Таким образом, проведя анализ изображения реального образца волокнистой структуры нетканого материала технического назначения, мы получили следующие результаты (рис. 4), численные значения которых приведены в табл. 3.
Рис. 3. Процедура коррекции изображения реального образца нетканой структуры
Угол
Рис. 4. Результаты анализа изображения реального образца нетканой структуры
