CC BY
45
УДК 681.325; 621.397.61
ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗОРУ ДЛЯ КОНТРОЛЮ ЗА ПРОЦЕСОМ ВІДСТОЮВАННЯ
КОНОВАЛЕНКО I.B.
Розглядається можливість використання систем технічного зору (СТЗ) для контролю за процесом відстоювання. Описується структура лабораторної установки на основі СТЗ для такого контролю. Пропонується алгоритм для обчислення швидкості руху границі розподілу твердої та рідкої фаз у рідині, що відстоюється. Наводяться результати використання розробленого алгоритму при відстоюванні деяких рідин.
Вступ
В наш час один з перспективних напрямків автоматизації процесів вимірів та контролю пов’язаний з використанням оптоелектронних методів і відповідних технічних засобів, особливе місце серед яких займають системи технічного зору. Специфіка таких систем полягає в отриманні оптичної інформації про зображення у реальному масштабі часу в формі, яка забезпечує найбільш простий спосіб обробки обчислювальними пристроями [1]. В процесі таких вимірів на поверхні фоточутливої матриці формується світлове поле, параметри якого тісно пов’язані з оптичними параметрами досліджуваного об’єкта.
Крім функції вимірювання, така система повинна вирішувати задачі адаптації до нових умов виміру, взаємодії з оператором та керуючою ЕОМ. Вирішення цих задач вимагає використання в ній гнучких програмованих інтерфейсів вводу/виводу даних, здатних працювати в реальному масштабі часу, та відповідного алгоритмічного забезпечення. Виконання цих умов робить контрольно-вимірювальну систему універсальною, і для її налагодження на конкретну задачу достатньо змінити параметри оптичного блоку та програмне забезпечення. Контрольно-вимірювальна система на основі засобів технічного зору була випробувана для контролю за процесом відстоювання напівпродуктів цукрового виробництва.
1. Структура контрольно-вимірювальної системи
Структура контрольно-вимірювальної системи для контролю за процесом відстоювання показана на рис. 1. До складу системи входить напівпровідниковий лазер
1, який живиться від високовольтного блокуживлення
2, кювета з досліджуваною рідиною 3, корпус 6 та цифрова відеокамера 4, під’єднана до мікроЕОМ 5.
Лазер 1 типу ЛГН208А з довжиною хвилі випромінювання із червоного діапазону використано як висо-костабільне джерело опорного світлового потоку заданої інтенсивності. Динамічне світлове поле, яке формується на виході кювети під час відстоювання досліджуваної рідини, несе інформацію про динаміку цього процесу.
Для світлової ізоляції кювета 3 з досліджуваною рідиною поміщена у світлонепроникний циліндричний корпус 6, у якому виконано два діаметрально симетричних відносно поздовжньої осі корпусу отвори, призначені для входу лазерного променя та для зчитування зображення відеокамерою.
Рис. 1. Структура контрольно -вимірювальної системи
Відеокамера 4 формує покадровий цифровий образ оптичної картини процесу відстоювання. У даній системі застосовано відеокамеру TRV-9 фірми Sony (Японія). Роздільна здатність фоточутливої матриці камери становить 800 точок на дюйм.
Оцифроване зображення покадрово передається на керуючу мікроЕОМ 5 через плату вводу відеозображен-ня. Ввід зображення у ЕО М здійснюється за допомогою відеокарти ASUS 3DP-V264GT/PRO виробництва фірми Asus Computer GmbH (Німеччина), якаоснащена4Мбайт відеопам’яіі (типу SGRAM). Відеоплаїа під’єднується до системного блоку ЕОМ через інтерфейс PCI, а до відеокамери- через роз’єм S-Video.
Роль керуючої ЕОМ виконує персональний комп’ютер типу IBM AT на основі процесора Pentium-200MHz фірми Intel, що містить 32Мбайт оперативної пам’яті. ЕОМ на основі отриманої інформації за заданим алгоритмом здійснює обчислення величин, які характеризують стан досліджуваної рідини:
— концентрацію завислих часток у контрольному шарі, який лежить у горизонтальній площині, що проходить через промінь лазера. Концентрація в загальному випадку є змінною в часі величиною, яка ідентифікує поточний стан рідини;
— швидкість руху завислих у рідині твердих частинок. Величина швидкості характеризує динаміку процесу вістоювання та дозволяє здійснювати частковий прогноз стану рідини у часі [2]. Швидкість обчислюється протягом переходу границі розподілу твердої та рідкої фаз через зону контрольного рівня, яка попадає в поле зору відеокамери.
2. Обробка отриманої інформації комп’ютером
2.1. Загальний опис даних, які отримуються ЕОМ
Нами було проведено ряд досліджень щодо відстоювання рідин, які імітували склад напівпродуктів цукрової промисловості. Склад досліджуваних рідин був такий: сухі речовини — від 5 до 50 г; цукор — від 0 до 20 г; вода — 300 мл. Досліди проводились при різних концентраціях сухих речовин (СР) і цукру та при різних значеннях температури.
Зображення, яке безпосередньо отримується комп’ютером від камери, є багатоградаційним та кольоровим. Застосовуючи до нього відповідні цифрові способи обробки зображень та методи аналізу, прийняті у колориметрії, можна отримати інформацію про стан рідини в даний момент часу: концентрацію завислих частокта колірність [3]. Концентрація обчислюється на основі порівняння яскравості відповідної частини зображення з власною яскравістю лазерного променя
92
РИ, 1998, № 3
(тобто яскравістю за відсутністю будь-яких перешкод між лазером та камерою, за виключенням повітряного проміжку). Власна яскравість променя визначається заздалегідь та вводиться у програму як постійна величина. Колірність рідини може визначатися на основі розкладу елементів отриманого растрового зображення (пікселів) на складові кольори (червоний, зелений і синій) та спектрального аналізу кожного з отриманих зображень [4]. Проте кольорове багатогра-даційне зображення є незручним для обчислення швидкості відстоювання, оскільки воно потребує значних ресурсів пам’яті, багато процесорного часу при обробці та складних алгоритмів аналізу.
2.2. Алгоритм обчислення швидкості відстоювання Описаний нижче алгоритм призначений для визначення швидкості відстоювання рідини шляхом пошуку на зображенні границі розподілу твердої та рідкої фаз і порівняння положення цієї границі на зображеннях, отриманих в різні моменти часу. Головна складність цього способу полягає у .пошуку границі розподілу фаз. Основні кроки алгоритму для визначення положення границі розподілу твердої та рідкої фаз представлено на рис.2.
Рис.2. Головні стадії алгоритму для виявлення границі розподілу фаз
2.2.1. Ввід зображення
Баїатоградаційне зображення досліджуваної рідини вводиться в ЕОМ, перетворюється з кольорового на багатоградаційне сіре та запам’ятовується у вигляді двохвимірного масиву P:
0 < P(i, j) < Tmax,
де Tmax — рівень максимальної яскравості; N — кількість колонок у зображенні; M — кількість рядків.
2.2.2. Згладжування зображення
По заданих рівнях границі яскравості T]im і граничного градієнта Ekm з багатоградаційного зображення формується бінарне зображеня В0. Елементи зображення з рівнем яскравості менше T»m видаляються. Крім того, видаляються також елементи, для яких величина градієнта перевищує межу Elim. Величина градієнта розраховується за допомогою перехресного оператора Робертса [5], тобто бінарне зображення В0 формується таким чином:
1,
Во(i- J ) = <
P(i,J
P(i, J) - P(i +1, J +1) +
P(i +1, J) - P(i, j +1) <Elim,
0 , в іншому випадку.
В0 є стиснутим зображенням нульового рівня.
Порівняння з границями яскравості та градієнта є першим етапом процесу усунення із зображення шумових елементів, які заважають пошуку границі розподілу фаз. Вибір границі яскравості є важливим фактором, який визначає успіх цієї процедури.
Вибір границі яскравості Тцт можна проводити двома способами. Перший полягає у присвоєнні Т^ значення яскравості, яке характерне для рідини, що вже відстоялась. Цей спосіб можна використовувати для рідин з наперед відомими відстоювальними характеристиками. Інший спосіб реалізується через аналіз яскравостей окремих елементів зображення та обчислення усередненого значення границі яскравості з урахуванням вагових коефіцієнтів:
T
-‘•max
Tlim = 2 T!t ,
T = 0
де nT — ваговий коефіцієнт для рівня яскравості Т;
RT
Пг = , де RT — кількість елементів зображення
R
з яскравістю Т; R — загальна кількість елементів зображення, R=M4N.
Другий спосіб є більш складним в реалізації, але його можна використовувати для рідин з наперед невідомими параметрами. Крім цього, для класу рідин з нечіткою границею розподілу фаз цей спосіб є більш чутливим, оскільки дозволяє швидше зафіксувати початок зміни прозорості у контрольному шарі. За даними експериментальних досліджень, до цього класу належать рідини з порівняно невисокою концентрацією завислих часток.
2.2.3. Стискання
Після отримання бінарного зображення здійснюється його стискання на кілька рівнів. Це досягається шляхом видалення всіх елементів зображення, серед сусідніх елементів яких є елемент фону. Конкретно, для зображення Bk-1 з рівнем стискання k-1 зображення наступного рівня стискання Bk Таким чином:
1,
Bk (i,J) =
2 YBk-1(i+m,J+n)=9
1< i < N,
0, в іншому випадку.
Визначимо індикаторну функцію наявності вертикального градієнта яскравості в даній точці зображення I(i,j):
1,
h ( J ) = <
Bk (E j + 0* Bk (i, J \
1 < j < M,
0, в іншому випадку.
Тоді кількість перепадів яскравості у колонці зображення Gk(i) дорівнює:
РИ, 1998, № 3
93
M -1
Gb(i) = I Ik(i,j).
j= 1
Середня кількість перепадів яскравості у колонках зображенню
_ і N
Gk = n IGk(i)
Операцію стискання проводять повторно до тих пір, доки не буде досягнуто рівень стискання L, який задовільняє умовам
Gk < Glim , Lmin^L-
Параметри Lmin та G]im задають обмеження степені стискання. Невеликі об’єкти або шумові елементи видаляються при виконанні операції стискання мінімум Lmin разів. Зображення з нульових або одиничних елементів після рівня стискання Lmjn відповідає ситуації, коли границя розподілу фаз у рідині знаходиться за межами поля зору відеокамери (відповідно вище контрольного рівня чи нижче від
нього). Величина Glim задає точність визначення положення границі розподілу фаз.
2.2.4. Пошук границі розподілу фаз
Пошук границі розподілу може здійснюватись різними способами. У описаній вище контрольно-вимірювальній системі ця операція здійснюється шляхом виявлення на зображенні критичних точок— місць перепадів яскравості від високого до низького рівня — вздовж кожної N з колонок зображення у напрямку зверху донизу. Область найбільшої густини критичних точок на зображенні вважається границею розподілу твердої та рідкої фаз у рідині.
На рис.3 представлено результати використання різних кроків описаного алгоритму по відношенню до двох зображень досліджуваної рідини, отриманих в різні моменти відстоювання. Склад рідини описано в п.2.1, протяжність часового інтервалу між отриманням двох наведених кадрів становить 12 с, рівень максимальної яскравості Tmax=255, параметри бінарного перетворення такі: границя яскравості Тцт=80, граничний градієнт Elim= 100. Горизонтальні прямі лінії на рис. 3 (в, г, ж, з) показують границі розподілу фаз у рідині, обчислені згідно із запропонованим алгоритмом. Різниця знайденого положення границі розподілу фаз на зображеннях першого і другого рівня стискання становитьприблизно 4 елементи зображення, яким в даній системі відповідає приблизно 0,2 мм.
При здійсненні двох рівнів стискання у пошуку границі розподілу фаз за описаним алгоритмом помилок не спостерігалось. При здійсненні лише одного рівня стискання мали місце випадки неправильного визначення границі розподілу.
2.2.5. Обчислення швидкості відстоювання
Операції, що вказані на рис.2, проводяться для двох різних кадрів зображення, зміщених один відносно одного в часі на заданий інтервал Dt. Результатом використання описаного вище алгоритму до кожного з отриманих кадрів є координати границірозподілутвердої та рідкої фаз у рідині в два певних моменти часу. За відомим зміщенням цієї границі Dr протягом проміжку часу Dt обчислюється швидкість відстоювання рідини v:
Ar
v = AtГо,
д е ж з
Рис.3. Використання алгоритму пошуку границі розподілу фаз до двох зображень, отриманих в різні моменти часу: а, д — багатогра-даційні сірі зображення; б, е — бінарні зображення; в, ж — зображення після першого рівня стискання; г, з — зображення після другого рівня стискання
де уО — коефіцієнт передачі оптичною системою геометричних розмірів об’єктів, який залежить від роздільної здатності фотоматриці камери та відстані між кюветою і камерою.
3. Висновки
У статті запропоновано схему контрольно-вимірювальної системи для процесу відстоювання, яка дозволяє автоматично проводити обчислення основних якісних параметрів досліджуваної рідини: концентрації завислих часток та швидкості відстоювання. Наведено досить простий та надійний алгоритм для визначення вказаних показників. Система може використовуватись дла аналізу рідин, які змінюють свої оптичні характеристики в процесі відстоювання. Встановлено, що більш надійно описаний алгоритм працює для рідин з більшою концентрацією завислих часток. Застосування у запропонованій схемі стандартного обладнання на основі персональної ЕОМ робить можливим її інтеграцію в АСУ вищого рівня. Дана система випробовувалась лише в лабораторних умовах, її використання в промислових умовах потребує доопрацювання.
Література: 1. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение) / А.Н.Писаревский, А.Ф.Чернявский, Г.К.Афа-насьев и др.; Под общ. ред. А.Н.Писаревского, А.Ф.Чер-нявского. Л.: Машиностроение, 1988. 424 с. 2. Буняк А Коноваленко I. Відповідає технічним вимогам: Розроблено прилад для вимірювання швидкості відстоювання напівпродуктів // Харчова та переробна промисловість. 1997. №5. C. 22-23. 3. Туричин А.М. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергия, 1966. 672с. 4. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2-х кн. М.: Мир, 1982. 790 с. 5. Келли Р.Б., Мартинш
Э.А.Ш., Берк Дж.Р, ДессимосЖ.-Д. Три алгоритма технического зрения для задачи взятия деталей из бункера// Тр. ин-та инженеров по электрике и радиоэлектронике (ТИИЭР). 1983. Т.71, №7. С. 23-43.
Надійшла до редколегії 12.09.98 Рецензент: д-р техн. наук Стухляк П.Д. Коноваленкоігор Володимирович, аспірант, асистент кафедри автоматизації виробничих процесів Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. Наукові інтереси: комп’ютерна інженерія, мікропроцесорна техніка, програмування, експертні системи. Захоплення: філософія, психологія. Адреса: Україна, 282001, Тернопіль, вул. Руська, 56, тел. (0352) 25-24-77, (0352)28-29-42.
94
РИ, 1998, № 3
