Корреляционные системы технического зрения

1. Корреляционные системы технического зрения 1. Классификация корреляционных систем технического зрения Корреляционные СТЗ используют корреляционно-экстремальный метод обработки зрительной информации и по сути представляют собой разновидность корреляционно-экстремальных систем КЭС 1.1 - 1.5 . Известно, что работа КЭС базируется на распознавании объекта и определении его характеристик путем обработки информации, представленной в виде реализаций случайных функций полей . Термин КЭС объясняется тем 1.1, 1.2 , что по принципу действия большинство известных КЭС представляют собой системы экстремального управления, в которых для построения экстремальной зависимости используется свойство корреляционной функции одного или нескольких аргументов достигать наибольшего значения при нулевом значении аргументов.

В функциональной схеме каждой КЭС присутствует три основных блока моделей, генерирующих эталонную информацию вычисления функционала сравнения, в частности, взаимно-корреляционной функции ВКФ эталонной и текущей информации от датчиков и блок определения экстремума этого функционала.

Общие принципы построения КЭС могут быть применены для обработки данных от датчиков текущей информации любой физической природы. Данные принципы построения КЭС положены в основу оптимальной обработки информации от датчиков внешней визуальной информации промышленных роботов ПР . Система, реализующая эту обработку, располагается на верхнем уровне иерархической системы управления адаптивного робота и называется корреляционной СТЗ КСТЗ 1.6, 1.7 . В КСТЗ в качестве эталонной информации используется эталонное изображение ЭИ детали либо рабочего инструмента в требуемом программном положении, текущая информация представляется в виде текущего изображения ТИ той же детали или рабочего инструмента в текущем, действительном положении.

Таким образом, ЭИ является моделью внешней среды, отражающей с точность до параметров ее состояние, а ТИ отражает фактическое состояние внешней среды.

С помощью аналоговых либо цифровых вычислительных устройств определяются линейные и угловые рассогласования изображений ЭИ и ТИ, а затем управляющие воздействия, пропорциональные этим рассогласованиям, поступают на соответствующие приводы манипулятора ПР. Разъясним более детально принцип действия КЭС, а следовательно, и КСТЗ на примере, использующем модифицированный коррелятор Лустберга-Лалушкина 1.2 . Работу коррелятора этого типа иллюстрирует рис. 1.1, где 1 - экран запоминающей электронно-лучевой трубки с ТИ 2 - линза 3 - маска ЭИ 4 - корреляционная плоскость f1 и f2 - передний и задний фокусы линзы. Предполагая, что при описании ТИ функцией, а ЭИ где где - соответственно линейные и угловое рассогласования одного изображения относительно другого 1.2 . В корреляционной плоскости будет воспроизводиться изображение взаимно-корреляционной функции сравниваемых изображений ТИ и ЭИ 1.1 где S - площадь изображений.

В КСТЗ осуществляется анализ ВКФ ТИ и ЭИ и определяются координаты главного максимума ВКФ, являющиеся оценками линейных и углового рассогласований ТИ и ЭИ. Поиск координат главного максимума ВКФ осуществляется с помощью алгоритмов адаптации 1.1, 1.2 . Об этом речь пойдет и в следующих параграфах нашей книги, а сейчас обратимся к классификации КСТЗ рис. 1.2 . При исследовании КСТЗ обычно используются следующие признаки классификации 1.2, 1.6, 1.7 вид рабочей информации, объем начальной априорной информации, способ хранения и обработки ее методом определения отклонения от экстремума.

По виду рабочей информации, воспринимаемой датчиками, КСТЗ делятся на четыре класса 1.7 системы, в которых информация снимается в точке KCT3I , с отрезка линии KCT3II , с участка площади KCT3III , с части объема KCT3IV . Рабочая информация в KCT3I представляет собой скалярную величину, а в системах второго, третьего и четвертого классов - вектор. КСТЗII, КСТЗIII, KCT3IV по назначению вплотную примыкают к системам распознавания образов и совмещения изображений 1.6 , Кроме указанных четырех классов систем существуют и промежуточные виды, представляющие собой комбинации упомянутых систем 1.5, 1.7 , К классу KCT3IV относятся системы, использующие методы голографии 1.9 . По объему начальной информации КСТЗ делятся на два подкласса 1.2 -системы без памяти и системы с памятью в КСТЗ без памяти информация извлекается сопоставлением сигналов реализацией, один из которых задержан во времени, в КСТЗ с памятью привлекается априорная информация об используемом случайном процессе например, фотоизображение местности или участка сцены. В зависимости от способа хранения и обработки рабочей информации подклассы КСТЗ подразделяются на аналоговые непрерывные, цифровые дискретные и аналого-цифровые комбинированные. Итак, на основе результатов исследований, изложенных в 1.5, 1.6, 1.7 , предложим структурную схему КСТЗ, способную реализовать различные алгоритмы управления роботом.

На рис. 1.3 представлена обобщенная схема КСТЗ совместно со средствами формирования сцены и системой управления робота.

Здесь приняты следующие обозначения ДТИ - датчик или датчики ТИ, воспринимающий изображения рабочей зоны РЗ с помощью телевизионной камеры или лазера НТИ -накопитель текущего изображения, обеспечивающий обработку, запись и хранение ТИ, например, с помощью запоминающей ЭЛТ ЗЭЛТ БХЭИ - блок хранения эталонной информации в виде изображения или информативных признаков ЭИ - эталонное изображение например, позитив фотографии объекта ФМБ -формирователь меры близости оптический или цифровой корреляторы АМБ -анализатор меры близости, обеспечивающий совмещение ТИ и ЭИ по геометрическим параметрам v линейный сдвиг изображений, относительный разворот изображений по углу, изменение масштабов изображений и т.п. УА - устройство адаптации, осуществляющее смещение ДТИ по различным координатам, углам наклона или изменение некоторых параметров датчика например, резкость объектива ДТИ О - осветители, управление яркостью и положением которых осуществляет устройство управления осветителями УУО ФРЗ - формирователь рабочей зоны конвейер, устройство подачи изделий в рабочую зону БС, БУ - соответственно блоки связи и управления, обеспечивающие преобразование выходных сигналов КСТЗ в управляющие сигналы исполнительного механизма ИМ , в качестве которого может использоваться манипулятор ПР, тележка транспортного робота и т. п. Задачей КСТЗ является определение типа и положения объекта манипулирования на основе вычисления оценки , 1.2 где R - мера близости ТИ и ЭИ - ТИ - ЭИ. Таким образом, проблема создания КСТЗ содержит в себе решение вопросов, связанных с разработкой алгоритмического и программного обеспечения, методов расчета и автоматизации проектирования, технической реализации и согласования с существующими системами управления роботами. 1.2. Обобщенная схема алгоритма работы корреляционных систем технического зрения.

Из результатов исследований, изложенных в гл. 2, следует, что в обобщенной форме процесс технического зрения содержит следующие основные этапы 1.6, 1.10 формирование, сегментацию, описание, анализ изображения с распознаванием образов и интерпретацией сцен. Удельный вес каждого из этапов неодинаков в конкретных разработках СТЗ, и они, в свою очередь, разбиваются на различные подэтапы.

Изложенное и результаты исследований КСТЗ приводят к схеме алгоритма обработки видеоинформации в системе, представленной на рис. 1.4. Данная схема является в определенном смысле обобщенной, и в действующих образцах КСТЗ отдельные подэтапы стадии обработки видеоинформации могут совмещаться или вообще отсутствовать.

Важно отметить, и это отражает рассматриваемая обобщенная схема алгоритма корреляционного зрения, что для КСТЗ желательна обратная связь между этапами и лодэтапами обработки видеоинформации, алгоритмы работы КСТЗ необходимо строить итеративно, чтобы в зависимости от результатов данного этапа подэтапа происходил либо переход к очередному, либо возврат на какой-либо из предшествующих этапов, но уже с активным использованием полученной к этому моменту информации.

Рассмотрим кратко каждый из этапов обобщенной схемы на рис. 1.4. Первый этап обработки зрительной информации - формирование текущего изображения - включает в себя автоматическую настройку выбор поля зрения, фокусировка, установка диапазона дальности действия, ввод ТИ запись изображения в накопитель ТИ и предварительная обработка ТИ нелинейное масштабирование 1.6, 1.7, 1.22 . На втором этапе обработки зрительной информации реализуются алгоритмы сегментации и кодирования ТИ. Третий этап обработки зрительной информации - формирование и анализ корреляционных функций обеспечивается любым из отмеченных на рис. 1.4 корреляционных алгоритмов КА 1.4, 1.11 . Суть КА в его классическом виде пояснялась выше в 1.1 рис. 1.1 . Наиболее прост классический КА, проводящий вычисления ВКФ 1.1 или интеграла типа свертки с последующим поиском максимума этого функционала.

В классическом варианте КА требует значительных вычислительных мощностей для осуществления операций умножения и интегрирования при всех сдвигах, разворотах ТИ и ЭИ. Модифицированный КА осуществляет фильтрацию несовпадающих частей помех ТИ, ЭИ, ВКФ в предположении о верности аддитивной модели смысл полезного сигнала и шума на ТИ. Разностный КАЮ основанный на поэлементном вычислении разностей интенсивности ТИ, по объему вычислении имеет преимущество перед классическим КА из-за отсутствия необходимости проводить операцию умножения.

Общее выражение для разностных алгоритмов имеет вид , 1.3 где - функция, описывающая ВКФ, ТИ и ЭИ - функция, описывающая ТИ - функция описывающая ЭИ Разновидностью разностного КА является алгоритм последовательного определения сходства изображения, уменьшающий объем вычислений по сравнению с обычным разностным КА в 10 - 50 раза счет проведения точных вычислений только окрестности максимума корреляционной функции 1.4 . Корреляционный алгоритм, основанный на обработке с помощью парных функций, осуществляет последовательное поэлементное сравнение ТИ и ЭИ, представленных в цифровой форме.

Если каждый из элементов ТИ и ЭИ, имеют уровни квантования соответственно, то парная функция увеличивается на единицу.

Здесь - число уровней квантования.

Следовательно, функция при равна количеству элементов, уровни интенсивности которых совпадают, а при - количеству элементов, интенсивности которых не совпадают. Если ТИ и ЭИ размера, идентичны, то, при 6.4 0, при Корреляционный алгоритм, использующий неизменные инвариантные признаки, основан на применении теории алгебраических инвариантов инвариантных моментов, не изменяющихся при определенных преобразованиях координат.

В данном алгоритме корреляционная функция определяется через моменты систему моментов ТИ и ЭИ, инвариантных к сдвигу, вращению и изменению масштаба. Корреляционный алгоритм с амплитудным ранжированием представляет собой семейство корреляционных алгоритмов двоичных, троичных и более высокого уровня ранжирования.

Троичный алгоритм и алгоритм более высоких уровней получаются путем незначительных изменений двоичного алгоритме, который представляет двухэтапную процедуру.

На первом этапе меньшее изображение кодируется е бинарные корреляционные матрицы. Предполагается, что ТИ значительно меньше ЭИ или наоборот, ЭИ меньше ТИ . На втором этапе эти бинарные матрицы последовательно коррелируются с уменьшением подмножества матрицы, имеющей большие размеры.

Корреляционный алгоритм с использованием градиентных векторов инвариантен к вращению ТИ относительно ЭИ в значительном диапазоне углов их рассогласования.

Вначале по данному алгоритму вычисляются градиенты серого уровня значения видеосигнала ТИ и ЭИ. Затем из градиентных векторов, попадающих в дискретные интервалы углов, для ТИ и ЭИ формируется гистограмма сумм этих векторов.

Эти функции обрабатываются с помощью классического либо фазового КА. Особенность рассматриваемого алгоритма заключается в том, что если ТИ или ЭИ повернется на определенный угол, то градиентный вектор, вычис-леный для соответствующих элементов ТИ и ЭИ, также окажется повернутым на тот же угол. Суть двухуровневых КА разъясним на примере двух наиболее совершенных алгоритмов этого типа. В начале работы первого алгоритма производится корреляционная обработка ТИ и части ЭИ с наиболее информативными признаками характерным сюжетом. Данная обработка осуществляется при всех возможных сдвигах ТИ относительно ЭИ. Затем используется полное ЭИ, но сравнение выполняется только для участков изображения с наибольшей корреляцией, которые были выбраны на первом этапе.

Во втором двухуровневом КА уже на первом этапе используется полное ЭИ с пониженным разрешением, которое получается с помощью замены каждых m элементов разрешения исходного изображения так называемым усредненным.блоком, интенсивность которого равна средней интенсивности т элементов.

Второй этап этого алгоритма не отличается от соответствующего этапа первого двухуровневого КА. Структурные синтаксические или лингвистические КА базируются на трех процедурах на выделении контуров ТИ и дескрипторов линий определенной формы, сегменты, описании их параметров, синтаксическом анализе с использованием грамматики классификация. При реализации алгоритма производится сравнение его признаков, а не полных изображений.

Выделяют два класса признаков локальные линии определенной формы, их пересечения, средние интенсивности участков и изображения и глобальные области или участка изображений, имеющие замкнутые границы. Корреляционный алгоритм линейных признаков разработан с учетом возможных значительных геометрических искажений изображений.

Причем в качестве ЭИ используется трехмерная модель ОМ, а ТИ представлено двумерным изображением. В эталонную модель включены все линии, которые попадут в нее при различных разворотах ОМ. Каждый линейный признак полностью описывается с помощью координат одной из конечных точек, ее длиной и ориентацией.

Фазовый КА или алгоритм фазовой корреляции основан на использовании фазовой составляющей спектра сигналов. Алгоритм фазовой корреляции включает следующие операции вычисления дискретных преобразований- Фурье исходных ТИ и ЭИ, формирование матрицы фазовой разности на каждой пространственной частоте путем вычисления взаимного энергетического спектра и деления его на модуль этого спектра, вычисление обратного преобразования Фурье полученной функции и поиск максимального значения функции взаимной корреляции ТИ и ЭИ. 1.3. Типовые узлы корреляционных систем технического зрения К основным узлам КСТЗ относятся накопители текущего изображения, блоки запоминания и смены эталонного изображения, корреляторы и анализаторы корреляционных функций 1.2, 1.6, 1.7,1.8 . Кратко рассмотрим особенности их построения.

Накопители текущего изображения. Накопители-индикаторы ТИ делятся на оптико-механические, оптоэлектронные, оптико-электронные и электронные 1.7 . В оптико-механических накопителях текущее изображение проецируется на изо тропный материал например, матовое стекло, являющийся отображающей поверхностью ТИ. Примером реализации такого накопителя является система, проецирующая обьекты детали в рабочую зону сборочного конвейера с помощью объектива на плоскость ТИ 1.6 . В оптоэлектронных накопителях ТИ канал восприятия и передачи изображения выполнен на основе световолоконной оптики 1.12 . Оптико-электронные накопители ТИ основаны на использовании индикаторных устройств светодиодных матриц 1.13 , матричных индикаторов на жидких кристаллах 1.14 и электронно-лучевых трубках 1.15 , оптических управляемых транс-порантов 1.7, 1.16 . Электронные накопители ТИ, запоминающие сигналы, которые характеризуют изображение, реализованы на аналоговых или цифровых элементах.

Из всего ряда перечисленных накопителей ТИ наибольшее распространение в СТЗ получили запоминающие ЭЛТ ЗЭЛТ , оптические управляемые транспоранты и электронные ЗУ. Рассмотрим кратко эти накопители ТИ. Накопители ТИ на ЗЭЛТ обычно содержат кроме ЗЭЛТ блоки разверток и обработки видеосигнала, синхронизатор и источник питания.

Такой накопитель ТИ формирует на экране ЗЭЛТ изображение, отображающее форму и пространственное положение исследуемого объекте.

С помощью блока обработки видеосигнала можно формировать контурное или точечное ТИ 1.6 . Различные варианты накопителей на ЗЭЛТ описаны в 1.6, 1.7 . Отметим здесь, что основным элементом этих накопителей являются ЗЭЛТ, способные воспроизводить бинарное или полутоновое, черно-белое или цветное ТИ 1.15 . Разрешающая способность ЗЭЛТ - в пределах 10 - 100 лин мм. Интерес представляют ЗЭЛТ, в которых имеется возможность поворота ТИ, что необходимо для совмещения сравниваемых изображений по углу. Вариант такой ЗЭЛТ описан в 1.17 . В этой трубке поворот изображения осуществляется с помощью магнитных линз. Оптические управляемые транспоранты по принципу действия делятся на четыре группы 1.6, 1.16 1 реверсивные приборы рутиконы , 2 жидкие кристаллы, 3 магнитооптические приборы, 4 электрооптические приборы.

Рутиконы, в свою очередь, делят на эластомерные и фототермопластичные приборы.

Прибор состоит из стеклянной подложки, проводника, фотопроводника и эластомера изолятора. Перед записью видеоинформации эластомеру сообщают положительный заряд высоковольтным электрическим зарядом, и между поверхностью эластомера и проводником возникает электрическое поле. После засветки выбранного участка рутикона ТИ запоминается в виде деформации эластомера, сохраняемой после прекращения освещения, рутиконы используются в оптических ОЗУ в том числе голографических, а также в усилителях изображения.

Использование фототермопластических пленок позволяет получать изображение с разрешающей способностью до 100 лин мм, но время перезаписи изображения составляет около 1 мин. Жидкокристаллический прибор состоит из жидкого кристалла толщиной около 2 мк, имеющего нематическую структуру, стеклянной пластины, прозрачного проводящего электрода окислы индия и олова, фотоприемника сульфит калия, светозапорного слоя химически инертный, прокладки.

Между двумя электродами подается переменное напряжение 5-10 В частотой несколько килогерц ТИ записывается в жидкий кристалл с одной стороны, а считывается - с противоположной при отражении. Конструкция жидкокристаллического прибора позволяет одновременно записывать и считывать информацию.

Так называемое включенное состояние получается за счет эффекта закручивания нематического кристалла. В 1.16 указаны параметры описанного прибора разрешающая способность -60 лин мм площадь апертуры - 2,54 см2 контраст - 100 1 число уровней яркости - 9 время записи - 0,1 с время стирания - 0,015 с чувствительность -0,1 эрг мм2. Этот прибор Целесообразно использовать как преобразователь некогерентного излучения в когерентное. Считывание производится когерентным лучем лазера. Магнитооптические приборы обычно выполняются в виде магнитооптических пленок, нанесенных на толстые диэлектрические подложки.

Запись ТИ осуществляется путем воздействия светового потока и магнитного поля. Энергия световых импульсов используется для нагрева материала до температуры, при которой изменяются свойства материала структура намагниченности. Электрооптические приборы модуляторы света основаны на использовании ячеек Поккельса. Согласно эффекту Поккельса разность фаз световой волны пропорциональна приложенному напряжению видеосигнала.

Для записи ТИ или сигнала используется синий свет, вызывающий спад напряжения пропорционально количеству света, падающего на кристалл, поэтому ТИ запоминается как разность потенциалов. Считывание ТИ производится когерентным, лучем линейно поляризованного красного света. Кристалл малочувствителен к красному свету, поэтому считывание не разрушает накопленную информацию. Приборы имеют следующие предельные характеристики разрешающая способность - 500-1000 лин мм контрастность - 104 время переключения - 0,1 мкс. Более совершенным представителем этого класса управляемых транспорантов являются гибридные электрооптические элементы типа Латриксы, в основе функционирования которых лежат ячейки Поккельса совместно с БИС, управляющими работой прибора.

Известны индикаторные трубки, в основе которых лежит электрооптический кристалл, обладающий продольным линейным электрооптическим эффектом. Путем модуляции катодного напряжения трубки на поверхности кристалла создается зарядовое изображение, которое осуществляет фазовую и поляризационную модуляции проходящего лазерного луча, ТИ записывается в телевизионном формате.

При электронном запоминании ТИ преимущественно применяются запоминающие полупроводниковые устройства с произвольным доступом ПЗС - линейки, ПЗС - матрицы, электронные диски, регистры сдвига и др. 1.18 . Блоки запоминания и смены эталонного изображения. В зависимости от типа используемого коррелятора различают аналоговые оптические или цифровые способы записи и хранения ЭИ. Изображения, используемые в оптическом корреляторе, могут запоминаться на оптических управляемых транспорантах, на фотопленке негатив или позитив или на маске, изготовленной вытравливанием на металлической пленке или вырезанием изображения из непрозрачного материала.

Оптические управляемые транспоранты подробно описаны ниже, а изготовление ЭИ первым и третьим способами не вызывает затруднений. Следует отметить, что самыми распространенными способами представления ЭИ является изготовление их в виде фотопленки или маски.

Данные по разрешающей способности некоторых отечественных и зарубежных пленок даны в табл. 6.1 1.19 . Блоки таких ЭИ могут быть выполнены в виде лентопротяжных механизмов или механизмов смены слайдов, причем применение второго типа механизма предпочтительнее, так как исключает механическое повреждение пленки ЭИ. Предназначенные для использования в цифровых КСТЗ, ЭИ могут запоминаться на ПЗС-структурах 1.18 , перепрограммируемых постоянных ЗУ ППЗУ , оперативных ЗУ ОЗУ 1.20 , гибких или жестких дисках и магнитных лентах.

Корреляторы. В зависимости от технической реализации корреляторы делятся на оптические, оптико-электронные и цифровые. Наиболее часто используются некогерентные оптические корреляторы, приведенные на рис. 1.5 - 1.8. Модифицированный коррелятор Берджера рис. 1.5 состоит из ЭЛТ 1, ЭИ 2, линзы 3, корреляционной плоскости 4. При наличии относительных смещений ТИ и ЭИ на величины по соответствующим осям и относительном развороте на угол ТИ и ЭИ координаты ВКФ характеризуются следующими выражениями где - функция, описывающая ТИ - функция, описывающая ЭИ - площадь сравниваемых изображений - коэффициент пропорциональности.

Модифицированный коррелятор Майера-Эпплера рис. 1.6 построен аналогично коррелятору Берджера за исключением того, что в корреляторе Майера-Эпплера используются разномасштабные ТИ и ЭИ, связанные соотношениями где М - линейный масштаб первой маски относительно второй а и b - соответственно расстояния по оптической оси между ТИ и ЭИ, ЭИ и плоскостью регистрации ВКФ на рис. 1.6 буквами А и В обозначены линейные размеры ТИ и ЭИ соответственно. В модифицированном корреляторе Лустберга-Лапушкина рис. 1.7 совмещены идеи работы, реализованные в корреляторах Берджера и Майера-Эпплера.

Особый интерес представляют оптические корреляторы, применяемые для анализа цветных изображений. При использовании оптического коррелятора основные операции по обработке цветных изображений могут быть выполнены путем разделения цветного ТИ на основные слагаемые составляющие цвета и последующего формирования ВКФ сравниваемых изображений.

Для простоты рассмотрим вариант реализации оптического коррелятора Лустберга-Лапушкина, осуществляющего обработку цветных изображений рис. 1.8 1.33 . Цветное ТИ с экрана плоского диффузионного источника света ПДИС 1 экран электронно-лучевой трубки проектируется с помощью объектива 2 на первое цветоделительное зеркало 3 и второе цветоделительное зеркало 4. Зеркало 3 обладает свойством отражать красную компоненту светового потока, а зеркало 4 -синюю компоненту 8. Зеленая же компонента G света проходит с малыми потерями через оба зеркала, 3, 4, через линзу 5, фильтр ЭИ в зеленой области оптического сигнала 6. Красная компонента R света, проходя через линзу 8 и фильтр ЭИ в красной области оптического сигнала 9, поступает на плоскость регистрации ВКФ 10, а синяя компонента В света, проходя через линзу П и фильтр ЭИ в синей области оптического сигнала 12, поступает на плоскость регистрации ВКФ 13. Цветное ТИ, представленное на ПДИС 1, расщепляется на три составляющие Цеегз - красный, синий, зеленый.

В результате этого образуются три монохромныхцветных потока - красный, синий, зеленый.

Фильтры ЭИ 6, 9, 12 соответствуют эталонному положению объектов, представленных на ЭИ. Таким образом, в плоскостях регистрации ВКФ 10, 7, 13 формируются три соответствующих ВКФ , где - функция, описывающая цветное ТИ в системе координат - функции, описывающие соответственно ЭИ в системах координат, пропускающие красную, синюю и зеленую компоненты цвета к - коэффициент пропорциональности.

Параметры этого оптического коррелятора связаны следующим соотношением для простоты рассматриваются выражения только для одной координаты где T - расстояние по оптической оси между зеркалами 3, 4 и соответствующими главными плоскостями линз 5, 8, 11 - фокусное расстояние линз - расстояние по оптической оси между плоскостями ЭИ 6, 9, 12 и соответствующими плоскостями регистрации ВКФ 7, 10, 13 - смещение ТИ от центра системы координат - смещение координата главного максимума ВКФ в системе координат, связанной с плоскостями регистрации ВКФ. Параметр выбирается, учитывая требуемый масштаб ТИ, воспроизводимого на ПДИС 1 1.7 . Основным недостатком рассмотренного коррелятора является громоздкость из-за наличия трех каналов разделения цвета.

В этой связи представляют большой интерес одноканальные оптические корреляторы, осуществляющие разделение цвета путем размещения перед плоским диффузионным источником света управляемого фильтра.

Этот фильтр выполняется в двух вариантах в виде оптического или электрооптического фильтра. Первый вариант реализации фильтра обеспечивает смену фильтра от красного до фиолетового за счет поворота его вокруг оптической осп коррелятора. Второй вариант реализации фильтра, представляющего сложное устройство хроматические нейтральные поляризаторы, хроматические фазовые пластины, электрооптические фазовые пластины, хроматические поляризаторы и изотропные фильтры, осуществляет электронную смену фильтров красного, синего и зеленого цветов 1.34 . Следует отметить, что реализация второго фильтра сложнее, чем первого, однако она более надежна.

Оптико-электронные корреляторы могут строиться с применением скиатронов, использующих свойство записывать и стирать на прозрачном экране любое изображение за счет окрашивания ионных кристаллов материала мишени под действием электронного луча с энергией 10-15 кВ 1.7 . Известны также гибридные оптико-электронные корреляторы, или корреляторы, выполненные в одном корпусе колбе 1.16, 1.17, 1.21 . Цифровые корреляторы, используемые для сравнения двумерных изображений, как правило, реализуются на основе универсальных микроЭВМ или спецпроцессоров.

Примеры построения таких корреляторов рассмотрены в 1.6. Анализаторы корреляционных функций. В КСТЗ анализаторы корреляционных функций выполнены в виде аналоговых, аналого-цифровых и цифровых вычислителей.

Из аналоговых и аналого-цифровых анализаторов наибольшее распространение получили устройства, реализующие поисковые методы оценки координат. Варианты таких анализаторов, содержащие телевизионную передающую трубку диссектор, блок разверток, видеоусилитель, блок выделения максимума корреляционной функции, блок оценки линейных координат главного максимума корреляционной функции, фокусирующе-отклоняющую систему и источник питания, описаны в 1.2, 1.6,1.7 . Цифровые анализаторы двумерных корреляционных функций, имеющие сложную структуру и реализующиеся программно-аппаратными методами, подробно рассматриваются в п. 1.6. 1.4. Метрология корреляционных систем технического зрения. 1.4.1. Общие сведения о метрологическом обеспечении. Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения заданной точности.

К слагаемым метрологии относят общую теорию измерений, единицы физических величин и их системы, методы измерений, методы определения точности измерений, основы, эталоны и образцовые средства измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений 1.23 - 1.25 . Применительно к КСТЗ под измерением понимается операция распознавания или нахождения характеристик ОМ длины, ширины, периметра, наличия и величины сколов и царапин и т.п. Найденное значение называют результатом измерения.

Корреляционная СТЗ является сложным устройством, получающим необходимое значение искомой величины путем косвенных измерений по известной математической зависимости между текущими и эталонными функциями.

Измерения, производимые КСТЗ, являются совокупными, так как производится одновременное измерение одной или нескольких величин. Корреляционная СТЗ как средство измерения представляет собой либо измерительный прибор, вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем оператором, либо измерительный преобразователь, вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем, но удобной для передачи дальнейшего его преобразования и или хранения.

Кроме того, КСТЗ может выступать в качестве информационно-измерительной системы, объединяющей измерительные, вычислительные и другие вспомогательные технические средства для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью представления пользователю в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

Метрологические характеристики КСТЗ - это характеристики свойств зрительной системы, включая их алгоритмическое, аппаратурное и программное обеспечения, которые влияют на результаты и погрешности измерений. Погрешности измерения - отклонение результата измерения значение величины, найденное путем ее измерения от истинного значения измеренной величины.

К основным метрологическим характеристикам КСТЗ согласно ГОСТ 8.009-84 следует отнести 1 характеристики, определяющие результаты измерении функцию преобразования, цену деления, вид выходного кода и др. 2 точностные характеристики КСТЗ 3 характеристики чувствительности КСТЗ к внешним факторам, влияющим на ее работу неравномерности освещенности ОМ в рабочей зоне, вибрации и др. 4 динамические характеристики 5 характеристики, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия КСТЗ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов например, ОМ, формирующие блики 6 неинформативные или информативные сигналы входного или выходного сигналов КСТЗ. Внедрение и эксплуатация КСТЗ обязательно предполагает их поверку, под которой понимается определение метрологической службой подразделением погрешностей зрительной системы и установление ее пригодности к эксплуатации.

Обязательным является также нормирование метрологических характеристик КСТЗ. 1.4.2. Метрологические характеристики корреляционных систем технического зрения.

Метрологические характеристики КСТЗ существенно зависят от типа используемого датчика ТИ и назначения КСТЗ. Используемый датчик ТИ определяет чувствительность, область рабочих частот и другие метрологические характеристики. В зависимости от назначения КСТЗ может распознавать тип и цвет, определять координаты ОМ на плоскости или в пространстве, оценивать скорость движения объекта и другие параметры.

Как отмечалось выше, к основным метрологическим характеристикам КСТЗ относятся характеристики, предназначенные для определения результатов измерений, оценки погрешностей, определения чувствительности к влияющим величинам, оценки динамических характеристик КСТЗ. Характеристики, определяющие результаты измерения КСТЗ, описываются следующим образом. 1. Функция преобразования корреляционная функция - зависимость информативного параметра выходного сигнала КСТЗ от информативного параметра его входного сигнала, т. е. зависимость параметров выходного сигнала КСТЗ, описывающего корреляционную функцию, от параметров сигнала, характеризующего рабочую зону тип, положение и взаимосвязь объектов, считываемую датчиком ТИ. 2. Значение однозначной или многозначной меры - физическая измеряемая величина например, координаты выдаваемая КСТЗ, используемой а качестве измерительного эталонного устройства. 3. Параметры выходного сигнала - вид выходного кода число разрядов, цена единицы наименьшего разряда, предназначенного для выдачи результатов в цифровом виде, или амплитуда и диапазон изменения выходного сигнала, осуществляющего выдачу результатов в аналоговом виде. Характеристики, описывающие точность работы погрешность КСТЗ роботов, представляются следующими величинами 1. Значение систематической составляющей Ј, математическое ожидание Ј и среднеквадратическое отклонение Ј систематической погрешности. 2. Среднеквадратическое отклонение Ј а также автокорреляционная функция или функция спектральной плотности случайной составляющей погрешности. 3. Случайная составляющая Ј погрешности от гистерезиса - вариация показания КСТЗ. 4. Характеристика погрешности в интервале влияющей величины систематические и случайные составляющие погрешности. Статистические характеристики величин, указанных в п. 1 - 4, приведены в 1.4.3, 5. Помехоустойчивость - это сохранение работоспособности системы при наличии помех различного вида мультипликативные, аддитивные. Характеристикой помехоустойчивости является вероятность Р правильной работы, определяемая отношением числа правильных ответов nпр КСТЗ к общему числу испытаний nоб, т. е. P nпр nоб. Помехоустойчивость может также оцениваться коэффициентом К, пропорциональным отношению совпадающей части Hr присутствует на ТИ и ЭИ к несовпадающей части Нг присутствует либо на ТИ, либо на ЭИ сравниваемых изображений, K Cr Ch. 6. Разрешающая абсолютная способность, которую следует различать по всем измеряемым параметрам например, по линейным и угловой координатам, по дальности и др Разрешающая способность по линейным координатам и развороту ДЈ -это минимальное смещение и разворот ОМ в рабочей зоне, определяемые КСТЗ с необходимой точностью нормированной погрешностью. Разрешающая способность по дальности ДH - минимальное расстояние между ОМ и датчиком ТИ, оцениваемое КСТЗ с требуемой точностью. 7. Диапазон показаний - область значений индикаторного отсчетного устройства КСТЗ, ограниченная начальным например, Дxmin, Дymin, ДЈmin и конечным например, Дxmax, Дymax, ДЈmax значениями шкалы означающих соответственно минимальные и максимальные смещения и разворот ОМ в рабочей зоне. Диапазон измерений диапазон измеряемых величин - допустимые смещения и развороты в рабочей зоне, для которых нормированы допускаемые погрешности КСТЗ. Предел измерений - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Характеристики чувствительности КСТЗ к влияющим величинам выбираются из числа следующих 1. Функция влияния - зависимость изменения метрологической характеристики например, От изменения влияющей величины например, наличие и значение Нг из-за неравномерной освещенности сцены или недопустимой взаимной ориентации ОМ от датчика ТИ . 2. Изменения значений метрологических характеристик КСТЗ, вызванные изменениями влияющих величин Hr и др в установленных пределах. К динамическим характеристикам КСТЗ относятся следующие 1. Полная динамическая характеристика аналоговых КСТЗ линейного типа, которая выбирается из известных характеристик переходная, импульсная переходная, амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточная функция 1.24 . Поясним сущность этих характеристик.

Переходная функция КСТЗ - это временная характеристика, полученная при ступенчатом изменении входного сигнала КСТЗ пропорциональная ступенчатому изменению положения ОМ в рабочей зоне. Под временной характеристикой КСТЗ понимается динамическая характеристика, являющаяся функцией времени и описывающая изменение выходного сигнала КСТЗ во времени при воздействии на входе КСТЗ, принятом за типовое средство измерения. Передаточная функция КСТЗ - отношение преобразования Лапласа выходного сигнала к преобразованию Лапласа входного сигнала при нулевых начальных условиях.

Амплитудно-фазовая характеристика КСТЗ - зависящее от круговой частоты отношение преобразования Фурье выходного сигнала к преобразованию Фурье его входного сигнала при нулевых начальных условиях.

Амплитудно-частотная характеристика КСТЗ - отношение, зависящее от круговой частоты амплитуды выходного сигнала в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала. 2. Частотные динамические характеристики, к которым относятся время реакции tr, максимальная частота измерений fmax, время измерения параметров tц. Время реакции tr - это время установления показаний для КСТЗ с показывающей индикацией или время установления выходного сигнала для измерительных КСТЗ . Другими словами, время реакции tr - это время, прошедшее с момента скачкообразного изменения положения или типа ОМ в рабочей зоне и одновременной подачи синхросигнала до момента, начиная с которого показания КСТЗ и его выходного сигнала кода отличаются от установившегося показания или сигнала на значение, не превышающее заданного.

Максимальная частота скорость измерений fmax - максимальное число nmax измерений в единицу времени. Быстродействие КСТЗ может также характеризоваться временем измерения.

Время измерения длительность цикла tц оценки параметров - время, прошедшее с момента изменения измеряемой величины до момента регистрации нового результата измерения на отсчетном устройстве с нормированной погрешностью.

К метрологическим характеристикам КСТЗ относятся также неинформативные параметры выходного сигнала, не используемые для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала или не являющиеся выходной величиной меры 1.24 . К неинформативным параметрам выходного сигнала КСТЗ относится часть сигнала, соответствующая синхроимпульсу или несущая информацию о помехах несовпадающих частях изображений. Важной метрологической характеристикой является объем хранимых эталонной и теущей информации.

Объем хранимой эталонной или текущей информации количество запоминаемой информации I необходимой для выполнения с заданной точностью и быстродействием требуемой работы КСТЗ. Косвенной характеристикой I является число Nэ запоминаемых кадров ЭИ. При этом необходимо учитывать способность КСТЗ к обучению. Обучаемость - возможность многократного программного или аппаратного получения набора параметров данных об объектах измерения контроля, при этом время обучения есть время подготовки КСТЗ к работе.

Важной метрологической характеристикой КСТЗ является область рабочих частот - полоса частот, в пределах которой точность работы КСТЗ, вызванная изменением частоты, не превышает допустимого предела. При использовании в качестве датчика ТИ телевизионной камеры необходимо оценить ее чувствительность спектральную, интегральную и динамический диапазон.

Спектральная чувствительность - чувствительность приемника излучения на облучение его монохроматическим потоком.

Интегральная чувствительность -реакция приемника излучения на облучение его интегральным лучистым потоком, содержащим колебания различных длин волн. 1.4.3. Погрешности корреляционных систем технического зрения.

Классификация погрешностей.

При классификации возможных погрешностей КСТЗ используем следующие основания закономерность проявления погрешностей, причину их возникновения, характер взаимодействия объекта манипулирования с внешней средой и КСТЗ, компоненты системы.

Дадим краткую характеристику основных видов погрешностей. Рис. 1.9 . Методические погрешности КСТЗ - это погрешности, обусловленные особенностями реализованного алгоритма работы системы, различными аппроксимациями, округлениями, неучетами различных факторов, влияющих на результат измерения.

Погрешности модели - это ошибки, связанные с тем, что измеряемый ОМ ТИ и его модели ЭИ , хранимые в памяти КСТЗ, как правило, не идентичны.

Это приводит к возникновению ошибок при оценке координат ОМ и других его параметров.

Погрешности классификации возникают при осуществлении операции распознавания ОМ. Субъективными называют погрешности, зависящие от личности экспериментатора, опыта и аккуратности его работы при измерениях и фиксации их результатов.

Такие погрешности возникают чаще всего при съеме информации со стрелочных или цифровых приборов и при невозможности автоматической фиксации результатов измерений. Внешние погрешности - это ошибки, связанные с влиянием на КСТЗ внешней среды изменение освещенности сцены с ОМ и взаимной ориентации ОМ, а также ТИ, вибрации, электрические помехи и другие отклонения окружающей среды от нормальных условий, при которых осуществлялась калибровка градуировка КСТЗ. Энергетическая составляющая погрешности измерений обусловлена потреблением КСТЗ мощности от исследуемого объекта.

Энергетическая составляющая мощности может также возникать при передаче мощности исследуемому объекту от КСТЗ, например, из-за изменения цвета ОМ, освещаемого внешним источником света. Типичными для КСТЗ являются четыре следующие составляющие инструментальной погрешности измерений 1. Погрешность, обусловленная неидеальностью собственных свойств системы, т.е. отличием действительной корреляционной функции в нормальных условиях от номинальной функции - действительного значения выходной величины меры в нормальных условиях от номинального значения этой величины, называется основной погрешностью. 2. Погрешность, обусловленная реакцией системы на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их нормальных значений, называется дополнительной погрешностью. 3. Погрешность, обусловленная реакцией КСТЗ на скорость частоту изменения входного сигнала характеризующего, например, скорость изменения положения ОМ , называется динамической погрешностью. 4. Погрешность, обусловленная взаимодействием КСТЗ и объекта измерения.

Следует различать погрешность КСТЗ в динамическом режиме и динамическую погрешность.

В первом случае понимают погрешность КСТЗ, возникающую при изменении характеристик очертание контура, цвета и положения ОМ при его движении. Во втором случае - разность между погрешностью КСТЗ в динамическом режиме и его статической погрешностью.

Инструментальные погрешности определяются по-разному для аналоговой аналого-цифровой и цифровой КСТЗ КСТЗ аналогового с оптическим коррелятором типа обусловлены погрешностями работы основных устройств ДТИ, накопителя ТИ, коррелятора, анализатора корреляционных функций, блока смены и хранения ЭИ. Погрешности ДТИ вызваны следующими факторами 1 ошибками установки размещения или наведения ДТИ на объект, 2 нелинейностями разверток и видеоусилителя, 3 изменением масштаба ТИ, 4 конечной разрешающей способностью фотоприемнике.

Погрешности накопителя ТИ следует рассматривать в зависимости от реализации аналоговая или цифровая. В случае использования оптического ЗУ запоминающая ЗЭЛТ и транспорант погрешности накопителя ТИ обусловлены а нелинейностями разверток и видеоусилителя, б изменением масштаба ТИ, в изменением яркости ТИ, г конечной разрешающей способностью. Погрешности, вызванные изготовлением коррелятора, можно отнести за счет 1 неточности плоскостей элементов коррелятора, 2 неточности изготовления линзы линз коррелятора аберрации , 3 конечной толщины экрана индикатора ТИ, носителя пленки ЭИ, экрана фотоприемника анализатора корреляционных функций, А механической вибрации относится за счет влияния условий эксплуатации. Погрешности анализатора корреляционных функций вызваны следующими факторами а неточностью совмещения ТИ и ЭИ по углу их относительного разворота, б конечной разрешающей способности фотоприемника, в нелинейностью разверток и видеоусилителя, г внутренних шумов.

Погрешности, обусловленные качеством работы блока хранения и смены ЭИ, определяются погрешностью установки ЭИ в оптическом корреляторе и качеством надежностью хранения ЭИ механическое повреждение носителя или стирание изображения. Анализ вышеперечисленных погрешностей аналоговых КСТЗ подробно рассмотрен в 1.1,1.6 . Погрешности цифровых КСТЗ вызваны ошибками работы следующих блоков зрительной системы погрешностями датчика ТИ, интерфейсов, процессоров, блока хранения эталонной информации.

Погрешность датчика ТИ цифровых КСТЗ определяется аналогично погрешностям датчика ТИ КСТЗ аналогового типа. Погрешность буферного ЗУ для запоминания ТИ интерфейса обусловлена ошибками оцифровывания и записи ТИ в память БЗУ из-за ошибки работы АЦП при использовании полутоновой обработки изображений , ЦАП, синхронизатора, блока памяти и блока связи с микроЭВМ. Погрешности процессоров вызваны в основном методическими ошибками и сбоями в их работе. Аналогично характеризуются ошибками, как и погрешности процессоров, блоки хранения эталонной информации.

Оценка статистических характеристик погрешностей КСТЗ. Определим статистические характеристики погрешностей КСТЗ. Для простоты рассмотрим определение статистических характеристик погрешности оценки трех искомых параметров ОМ - линейных и угловой координат Оценка - математического ожидания среднего значения Ј систематической составляющей погрешности КСТЗ определяется следующими хорошо известными формулами 1 ?i где M - число КСТЗ или число отсчетов измерении - значения измеряемых параметров ОМ для i - го экземпляра КСТЗ или i - го эксперимента.

Оценка среднеквадратического отклонения систематической составляющей погрешности КСТЗ находится следующим образом Оценка СКО случайной составляющей погрешности конкретного экземпляра КСТЗ, обладающего вариацией определяется следующей формулой где n - число реализаций погрешности измеряемого параметра при определении или - среднее значение погрешности в точке диапазона измерения КСТЗ, полученные экспериментально при медленных непрерывных изменениях положения ОМ в рабочей зоне со стороны меньших для, и больших для, значений до значения i - реализации отсчетов погрешностей и, полученные экспериментально при изменении информативного параметра положения ОМ со стороны меньших значений до значения. Вариация выходного сигнала КСТЗ характеризует гистерезис в показаниях системы и определяется как разность двух оценок математических ожиданий информативного параметра выходного сигнала, несущего информацию о координатах объекта, получающихся при измерении величины, имеющей одно и то же значение с плавным медленным подходом к этому значению со стороны меньших и больших значений.

Если вариацию не учитывать, то выражения 1.7 запишутся в виде где - i - е измерение отсчет погрешности - оценки систематических составляющих погрешности конкретного экземпляра КСТЗ. Значения, в формулах 1.7 находятся следующим образом При этом систематической составляющей погрешности конкретного экземпляра КСТЗ, обладающего вариацией в точке диапазона измерений, определяется формулами Если вариация отсутствует, то данные оценки определяются Суммарная погрешность КСТЗ при независимости ее случайных составляющих равна где - i - я постоянная систематическая погрешность определения - число постоянных систематических погрешностей - предельное значение i - переменной систематической составляющей погрешности оценки - число переменных систематических погрешностей - СКО i - й случайной составляющей погрешности оценки - число случайных составляющих - коэффициент, учитывающий переход от СКО случайной составляющей погрешности к предельной погрешности u. Доверительная погрешность для погрешности определяется по результирующей функции распределения частных систематических и случайных погрешностей КСТЗ, которая находится как композиция распределения упомянутых частных погрешностей 1.26 где - результирующее распределение погрешностей, плотности распределения которых выражаются уравнениями z - вспомогательная переменная, введенная так, что, а. В 1.26 приведены примеры суммирования различных частных погрешностей, имеющих место при расчете и проектировании высокочастотных угловых преобразователей.

Этот подход можно применять для расчета и проектирования КСТЗ. Рассмотрим определение инструментальной составляющей погрешности КСТЗ. Данная погрешность измерений состоит из основной, дополнительной и динамической погрешностей и погрешности, обусловленной взаимодействием КСТЗ с объектом измерений.

Так как эта составляющая погрешности измерений является случайной величиной, то определить ее - значит найти интервал, в котором, с заданной вероятностью находится погрешность.

Этот интервал можно оценивать в три этапа 1.24 . 1 определение математического ожидания и дисперсии каждой из четырех составляющих инструментальной погрешности. 2 определение математического ожидания и дисперсии инструментальной составляющей погрешности. 3 оценка интервала, в котором с вероятностью лежит инструментальная составляющая погрешности измерений где коэффициент, зависящий от вида закона распределения погрешности и от заданной вероятности. Для выбора коэффициента необходимо знать вид закона распределения погрешности. Например, известно, что при нормальном законе распределения погрешности при . 1Если допустима приближенная оценка искомого интервала, то, полагая, что плотность распределения вероятностей погрешностей - усеченная, одномодальная, симметричная функция, находящаяся в широкой области плотностей распределения от равномерной до весьма острой рис. 1.10 , можно выбрать среднее значение коэффициента по графику, приведенному на рис. 1.11 1.24 . Этот график показывает зависимость от вероятности среднего значения коэффициента для данной группы плотностей распределения.

На рис. 1.11 заштрихована область возможных действительных функций зависимости от. При увеличении вероятности отклонения границ этой области от возрастает, так что при погрешность коэффициента в границах, а при - в границах. Статистические характеристики составляющих инструментальной погрешности зависят от реализации и условий эксплуатации КСТЗ. 1.4.4. Поверка корреляционных систем технического зрения Рассмотрим вопросы метрологической поверки КСТЗ, при которой должны выполняться следующие операции внешний осмотр, опробование, определение влияния наклона на прибор, проверка электрической прочности и изоляции, определение погрешности работы системы. Поверка должна производиться в нормальных внешних условиях влажность, температура, освещенность как для проверяемых, так и для образцовых КСТЗ. Следует учитывать, что образцовые КСТЗ имеют более высокую точность и область нормальных значений для них более узкая, поэтому условия поверки определяются нормальными внешними условиями именно образцовых, а не проверяемых КСТЗ. Нормальные допустимые значения влияющих величин указываются в технической документации. При поверке КСТЗ следует также учитывать, что если система комплектуется серийно выпускаемыми изделиями телекамера, микроЭВМ , то необходимо соблюдать условия поверки, указанные в технической документации на данные изделия.

Поверку КСТЗ можно производить по двум основным схемам, реализующим метод непосредственно сличения проверяемой и образцовой систем рис. 1.12, а, б. В первой схеме рис. 1.12 а ДТИ воспринимает изображения рабочей зоны РЗ видеосигнал с датчика ТИ передается через коммутатор К на проверяемую и образцовую КСТЗ КСТЗП и КСТЗО , информация с которых фиксируется на устройствах отображения информации УОИ цифровая печать, осциллограф, телевизор. Во второй схеме рис. 1.12 б используются два датчика ТИ, а воспринимаемое ТИ расщепляется оптическим коммутатором ОК на два изображения.

В процессе поверки с исследуемым ОМ производят необходимые манипуляции возмущения, смещения, развороты в рабочей зоне, контролируемые средствами контроля СК . Следует отметить, что для поверки КСТЗ весьма затруднительно использовать метод измерения проверяемых КСТЗ, так как невозможно всю информацию включая ТИ передать с образцовой системы на проверяемую. Метод поверки определяется также типом КСТЗ. Если, например, используются цифровые КСТЗ, то поверку в комплексе и побочно можно производить по схеме, представленной на рис. 1.13. Здесь ТИ индицируется сначала на экране первого телевизора ТВ1 после датчика ТИ ДТИ , а затем на экране второго телевизора ТВ2 с выхода буферного запоминающего устройства БЗУ . Причем ТИ, отображаемое на экране ТВ2, можно выводить на телевизор как с датчика ТИ, так и из ЭВМ. Качество работы БЗУ оценивается визуально оператором по сличению ТИ на экранах ТВ1 и ТВ2 . Так как погрешность КСТЗ может принимать в разных точках диапазона измерений разные значения, то необходимо нормировать пределы допускаемых погрешностей, т.е. необходимо установить какие-то границы, за пределы которых погрешность КСТЗ не должна выходить при эксплуатации зрительной системы.

В зависимости от допускаемых значений погрешности можно присваивать класс точности КСТЗ, как и для любой измерительной системы предел допускаемой погрешности КСТЗ может устанавливаться в виде абсолютной, относительной и приведенной погрешностей, определяемых известными способами.

Наряду с основной нормированию подлежит и дополнительная погрешность.

Методика нормирования указанных погрешностей дана в 1.24 . 1.5. Проектирование корреляционных систем технического зрения 1.5.1. Структура САПР корреляционных систем технического зрения.

Проектирование - это процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе начального описания технического задания, преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта и алгоритма его функционирования, коррекции начального описания и последовательного представления описанной на Различных языках, разработки изготовление и исследование макета системы и подготовки производства 1.28 - 6.30 . Как и при автоматизации проектирования любого другого устройства, САПР корреляционных СТЗ представляет собой комплекс средств автоматизации проектирования организационного, методического, лингвистического, информационного, математического, программного и технического обеспечения. Однако процесс проектирования корреляционных зрительных систем имеет отличия от проектирования СТЗ другого типа. Эти отличия обусловлены особенностями реализации КСТЗ и спецификой ее применения.

Обобщая результаты по моделированию и проектированию корреляционных систем 1.5 - 6.7, 1.28, 1.31 и учитывая рекомендации по разработке САПР СТЗ, изложенные в гл. 4, предложим следующую схему САПР КСТЗ, изображенную на рис. 1.14. Эта схема представляет собой итерационный процесс.

Проектирование КСТЗ - это совокупность задач синтеза выбор структуры и численных значений параметров разрабатываемых систем и анализа исследования синтезированной системы 1.28 . Этап синтеза КСТЗ может повторяться, если будут отрицательными результаты анализа.

В случае удовлетворительного результата итерационного процесса на данном этапе детализации процесс проектирования переходит на следующий уровень.

На каждом уровне проектирования составляется модель КСТЗ, воплощенной в форме, отличной от действительной.

Модели могут быть представлены в виде абстрактных математических формул аналитическое моделирование, алгоритмов, позволяющих имитировать функционирование КСТЗ на ЭВМ машинное моделирование, копий или макетов физическое моделирование. Процесс проектирования можно условно разделить на три этапа верхний, нижний и промежуточный.

На первом верхнем этапе проектирования КСТЗ ее модель представляется в виде содержательной модели, которая может описываться на естественном языке, поясняться схемами, эскизами, рисунками, чертежами, таблицами, графиками.

Таким образом, содержательная модель представляется на одном из входных языков САПР КСТЗ. При этом необходимо формировать техническое задание - привести к характеристикам, параметрам и выражениям, понятным САПР КСТЗ. Второй уровень проектирования уточнения и параметризации называют также уровнем синтеза математической модели, представляющей собой совокупность математических объектов чисел, переменных векторов, множеств и т.п. и отношений между ними, адекватно отражающая существование с позиций проектировщика, свойства зрительной системы 1.28 . Поскольку часто среди вариантов структуры КСТЗ ищется наилучший в некотором смысле, то такую задачу синтеза называют структурной оптимизацией, а расчет параметров, оптимальный с позиции некоторого критерия при заданной структуре КСТЗ, называют параметрической оптимизацией.

Если информативность содержательной модели окажется недостаточной для построения модели, то следует вернуться на первый уровень проектирования и декомпозировать содержательную модель по подсистемам проектируемой КСТЗ. При выборе содержательной модели и синтезе структуры КСТЗ следует использовать методы функционально-стоимостного анализа 1.35 . Второй этап проектирования заканчивается составлением технического задания ТЗМ для следующего этапа проектирования КСТЗ. Третий нижний уровень проектирования должен содержать разработку КСТЗ и заканчиваться этапом подготовки производства.

В случае необходимости техническое задание на разработку макета ТЗП может корректироваться по результатам его испытания.

На этом этапе проектирования могут использоваться подсистемы САПР блоков КСТЗ. Следует еще раз отметить, что по результатам каждого уровня проектирования могут корректироваться уточняться технические задания на данный этап либо общее ТЗ на разработку КСТЗ если это допустимо. После испытания макета и создания опытного образца производится коррекция исправление и дополнение библиотек этапов.

На рис. 1.14 это воздействие показано пунктирной линией.

Если произведен выбор содержательной модели, осуществлены структурная и параметрическая оптимизации КСТЗ, то следует установить основные параметры и разработать методику расчета зрительной системы, пользуясь рекомендациями по проектированию, изложенными в 1.6, 1.7 . 1.5.2. Автоматизированная система корреляционной обработки изображений Автоматизированная система корреляционной обработки изображений АСКОИ обеспечивает обработку двумерных черно-белых, цветных и трехмерных черно-белых изображений.

Она основана на 4-х микроЭВМ, образующих локальную сеть со звездообразной топологией ЭВМ центральная ЭВМ ЦЭВМ и три периферийных ЭВМ - ПЭВМ1, ПЭВМ2, ПЭВМ3. При организации сети используется локальная сеть передачи данных CMNET разработана в НИИЯФ СО АН CCCP г. Новосибирск, работающая под управлением операционной системы RT - 11 RAFOS 5-й версии и реализует доступ к удаленным дискам периферийных ЭВМ. Эта сеть характеризуется следующими известными принципами построения вычислительного процесса, разработанными О.Н. Гутче. 1. Программное обеспечение ПО сети разделено на несколько уровней - верхний, нижний и промежуточные.

Верхний уровень ПО обеспечивает взаимодействие с пользователем, а нижний уровень - физическую передачу информации.

Промежуточные уровни, скрытые внутри ПО сети, используются для обеспечения переносимости программ и легкой замены устройств связи на другие. 2. Верхний уровень ПО соответствует уровню взаимодействия с дисками ЭВМ, т.е. все имеющееся ПО от операционной системы до пользовательских программ может работать с сетью без модификаций. 3. Виртуальный диск отображается на реально имеющийся в сети диск с помощью канала пользователя, через который ведется обмен программ с физическим диском.

Сетевое ПО позволяет открыть канал установить однозначную связь виртуального диска с физическим, закрыть канал, считать информацию в канал и т.д. Причем виртуальный диск может отображаться на определенную часть физического, или на дисковый файл. В процессе работы канал пользователя может использоваться для передачи сообщений пользователем, управления устройствами обработки изображений и т. п. Функциональная схема АСКОИ на четыре рабочих места исследователя рис. 1.15 состоит из ЭВМ ЦЭВМ, ПЭВМ1 ПЭ8М2 - Электроника 60 , ПЭВМ3 - Электроника 85 , терминалов Т , накопителей на жестких магнитных дисках НЖМД , накопителей на гибких магнитных дисках НГМД , алфавитно-цифровых печатающих устройств АЦПУ , графопостроителя двухкоординатный самописец, интерфейса И , модуля управления цветным монитором МУЦМ , цветного монитора ЦМ , черно-белых мониторов ЧБМ . АСКОИ включает также в себя четыре устройства ввода изображений в ЭВМ среднеформатных изображений с микроскопа УВСИМ , среднеформатных изображений с участка сцены УВСИУС , малоформатных объемных изображений ВМОИ , среднеформатных цветных изображений УВСЦИ , содержащих блоки управления подсветкой БУП . Кроме того, УВСИУС оснащено исполнительным механизмом смещения сцены ИМСС , осуществляющим автоматическое по сигналам от ПЭВМ смещение рабочей зоны сцены по двум взаимноперпендикулярным направлениям. УВСИМ позволяет вводить с оптического микроскопа в ДЭВМ черно-белое двумерное изображение полутоновое - с 16-ью градациями яркости размерностью 256x256 элементов УВСИУС осуществляет ввод черно-белого двумерного изображения полутоновое - с 16-ью градациями яркости размерностью 256x256 элементов, отображающее участок сцены УВСИМ и УВСИУС оснащены телекамерами на ПЗС-матрице. УВМОИ обеспечивает ввод черно-белого объемного изображения, осуществляемого двумя телевизионными камерами на фотодиодной матрице МФ-14 с разрешающей способностью 32x32. УВСЦИ производит ввод двумерных цветных изображений размерностью 256x256 полутоновое - 16-градационное. Как наиболее совершенное из описанных выше, оно может вводить, кроме одного кадра цветного изображения размерностью 256x256 элементов, один кадр монохромного изображения из 512x512 элементов либо четыре кадра 256x256 элементов.

Более подробно УВСИМ, УВСИУС, УВМОИ и УВСЦИ рассмотрен в 3.7, 3.8. Связь между ЭВМ осуществляется блоками дальней связи БДС типа БДС-60 БДС1 и БДС-85 ВДС2 , описанными в 2.9. Программное обеспечение АСКОИ, сформированное в виде библиотеки подпрограмм, позволяет проводить моделирование следующих алгоритмов фильтрацию и сегментацию изображений, различные корреляционные алгоритмы сравнения распознавание, оценка положения объектов двумерных черно-белых или цветных или трехмерных черно-белых изображений, исследовать влияние различных факторов на точность оценки положения объекта неравномерность освещенности сцены, взаимной ориентации ДТИ и исследуемого объекта и т.п исследовать алгоритмы управления движением ОМ и оценивать КСТЗ в динамике, проводить расчет параметров и выбирать структуру зрительной системы, проектировать блоки КСТЗ. 1.6. Примеры корреляционных систем технического зрения 1.6.1. Одномерные корреляционные СТЗ. Одномерные КСТЗ основаны на анализе информации, снимаемой с точки или линии изображений.

Ниже приведены два варианта одномерных КСТЗ. Корреляционная СТЗ для оценки положения кристаллов интегральной схемы ИС 1.27 . При простейшем, классическом корреляционном алгоритме совмещения ТИ и ЭИ, представленных в виде точечных изображений, осуществляется плоскопараллельное смещение изображения эталона в зоне поля зрения телевизионной камеры и вычисляется функция, характеризующая меру соответствия величину сходства двух изображений.

Теоретически хорошо известный и простой метод сравнения с эталоном достаточно сложно реализовать технически т.е. вычислить меру соответствия двумерных функций интенсивности, описывающих изображения объекта и эталона за время около 0,1 с при помощи недорогой аппаратуры е установках сборки ИС. Поэтому вместо вычисления двумерной корреляционной свертки иногда осуществляют преобразование плоскостного изображения кристалла ИС в одномерное распределение путем проекции его изображения на прямую, ортогональную к направлению преимущественной ориентации деталей изображения кристалла, затем вычисляют одномерные функции меры соответствия.

Это позволяет значительно упростить вычислитель и получить время вычислений 20-30 мс при тактовой частоте 1 МГц. Меру соответствия двух функций можно определить с помощью различных зависимостей связи, характеризующих расстояние между исследуемыми функциями и называемых метрикой L. Метрики в большинстве случаев выбираются эвристическими методами, исходя из реальных условий работы КСТЗ, и их ценность определяется результатами практической проверки.

В КСТЗ 1.27 установки присоединения проволочных выводов ЭМ-4060 осуществляется проекция изображения кристалла А рис. 1.16 в окне В. Из-за малой ширины окна, насыщенного рисунка топологии и невысокой контрастности изображения основная информация, которую содержит его проекция, полученная преобразованием двумерного изображения в одномерное распределение С, заключается не в уровне яркости, а в форме распределения.

Поэтому вычислителем этой установки определяется взаимное положение функций интенсивности объекта и эталона, для которого количество пар совпадений максимально. Вычислить меры соответствия установки присоединения проволочных выводов ЭМ - 4060 реализует следующую метрику если при если где - функция интенсивности объекта, заданная в области значений от О до М - функция интенсивности эталона, заданная в области значений от О до N - допуск на точность совпадения объекта и эталона в точках сравнения.

В установке дисковой резки ЭМ-2005 объектом распознавания для КСТЗ является кремниевая пластина с рисунками топологии ИС. Наиболее характерной деталью изображения являются дорожки разделения.

В корреляционной СТЗ осуществляется проекция изображения пластины D рис. 1.17 , находящейся в поле зрения ТВ-датчика.

При этой двумерное изображение преобразуется в одномерное распределение Е. В данном случае наиболее информативной является часть распределения Е, полученная в зоне дорожки разделения, так как она не зависит от смещения пластины по координате интегрирования проекции. Форма этой части распределения достаточно проста, но амплитуда значительна из-за большой длины интегрирования ширины растра телевизионной камеры и относительно постоянной величины сигнала, отраженного от дорожки разделения.

Ширина зоны эталона при этом не должна быть намного больше ширины дорожки разделения.

Вычислитель меры соответствия установки дисковой резки реализует метрику, которая для предыдущего случая менее предпочтительна, так как не нормирована в отношении средней яркости.

Электрическая схема КСТЗ, реализующая метрики , 1.15 , 1.16 , содержится в 1.27 . Корреляционная СТЗ для измерения скорости движения объекта.

Известные корреляционные измерители скорости движения объекта основаны на следующем методе 1.2 , суть которого заключается в перемножении сигналов с двух пространственно разделенных датчиков и достижении максимального значения произведения посредством регулирования времени задержки одного из сигналов.

По величине времени задержки и известному расстоянию между датчиками вычисляется скорость.

Положительной стороной данного метода является его универсальность, тан как датчики могут иметь различную физическую природу.

Недостатком метода являются необходимость в регулируемой линии задержки аналоговых сигналов и работа только в одном направлении вектора скорости.

Для устранения вышеуказанных недостатков предложен метод, заключающийся в получении сигнала с ряда датчиков поочередным коммутированием их, формировании импульсов по локальным экстремумам, временные положения которых пропорциональны величине скорости, а направление смещения - направлению вектора скорости.

Таким образом, величина скорости движения объекта прямо пропорциональна величине смещения локальных экстремумов за время опроса. Для повышения точности измерения в случае малоконтрастных изображений необходимо получать и использовать как можно больше локальных экстремумов видеосигнала.

Следует отметить, что данный оптоэлектронный метод позволяет измерять относительно точки наблюдения нормальные составляющие скорости движения, тогда как радиолокационные - радиальные 1.2, 1.3 . На основе этого метода разработан корреляционный измеритель скорости. Технические характеристики Диапазон измерения скорости в плоскости сканистора, м с 10 Погрешность измерения, не более 5 Скорость измерений, изм с 400 Минимальный контраст произвольного оптического сигнала, 4 Диапазон освещенности в плоскости сканистора, лк 50 - 50000 Габаритные размеры электронного блока, мм3 120x60x50 оптоэлектронной головки, мм3 50x60x60 Потребляемая мощность, Вт 3 Устройство имеет электронный блок и выносную оптоэлектронную головку.

В КСТЗ в качестве датчика ТИ использован сканисторный датчик информации. Исследования КСТЗ показали, что в тех случаях, когда отсутствует естественная засветка поверхности полотна дороги, изделия или она недостаточна, необходима дополнительная подсветка с помощью ламп накаливания, лазеров или светодиодов. 1.6.2. Двумерные

Корреляционные системы технического зрения

Это обеспечивает разворот ЭИ от 0 до 360 и запоминание величины углово... Величины, снимаемые с, определяются усреднением по шести измерениям ск... Схема данного типа КСТЗ, приведенная на рис. КСТЗ работает следующим образом блок цифровой обработки видеосигнала Б... Точечное изображение формируется путем равномерного распределения точе...

Заключение В работе принята попытка обобщить результаты проектирования, разработки, исследования и эксплуатации СТЗ различного назначения.

Необходимо отметить, что область применения СТЗ расширяется например, планируется использовать СТЗ для измерения диаметра провода, контроля плотности и вмятины оболочки хлопковых коконов, контроля чистоты стеклянных поверхностей емкостей, проверки спелости фруктов и овощей и т. д В перспективе развития расчета, проектирования и создания элементной базы СТЗ отметим следующие неразрешенные задачи 1. Разработка новых и совершенствование известных алгоритмов адаптивных эффективной с высокой точностью и быстродействием обработки видеоинформации включая цветную обработку изображения . 2. Синтез быстродействующих вычислительных структур обработки видеоинформации. 3. Синтез и анализ СТЗ с учетом характеристик внешнего технологического оборудования и меняющихся условий работы изменение освещенности, влияние вибраций и др т. е. создание адаптивных СТЗ, обеспечивающих заданные функциональные качества. 4. Разработка метрологического обеспечения СТЗ 5. Создание САПР СТЗ 6. Разработка более совершенной элементной базы СТЗ эффективных видеопроцессоров, включая реализацию их в виде БИС , адаптивных датчиков оптической информации, имеющих входы от управления от ЭВМ, прецизионных, быстродействующих, дешевых, простых и малогабаритных механизмов смещения и разворота объектов, рабочей зоны и др. Список использованной литературы 1. Медведев Г.А Тарасенко В.П. Вероятностные методы исследования экстремальных систем.

М. Наука, 1967. 456 с. 2. Белоглазов И.Н Тарасенко В.П. Корреляционно-экстремальные системы.

М. Сов. радио, 1974. 392 с. 3. Красовский А.А Белоглазов И.Н, Чигин Г.П. Теория корреляционно-экстремальных систем навигации.

М. Наука, 1979. 448 с. 4. Бочкарев А.М. Корреляционно-экстремальные системы навигации Зарубежная радиоэлектроника. 1981. 9. с. 28 - 53. 5. Буймов А.Г. Корреляционно-экстремальная обработка изображения.

Томск Издательство Том. университета, 1987. 134 с. 6. Корреляционно-экстремальные видеосенсорные системы для роботов Ю.А. Андреев, Н.Н. Белоглазов, А.М. Кориков, В.И. Сырямкин, В.П. Тарасенко.

Томск Издательство Том. университета, 1986. 240 с. 7. Кориков А.С, Сырямкин В.И Титов В.С. Корреляционные зрительные системы.

Томск Радио и связь. Томское отделение. 1990. 264 с. 8. Жовинский В.Н Арховский В.Ф. Корреляционные устройства.

М. Энергия, 1974. 248 с. 9. Василенко Г.И Голографическое опознавание образов.

М. Сов. радио, 1977. 238 с. 10. Петров А.А Алгоритмическое обеспечение информационно-управляющих систем адаптивных роботов алгоритмы технического зрения роботов Итоги науки и техники. Сер. Техническая кибернетика. М. Радио и связь, 1986. 216 с. 11. Баклицкий В.К Бочкарев А.М Мусьяков М.П. Методы фильтрации сигнгалов в корреляционно-экстремальных системах навигации.

М. Радио и связь, 1986. 216 с. 12. Оптико-электронные измерительные устройства и системы Тез. Доклад Всесоюзной конференции. Томск Радио и связь. Томское отделение, 1989. Ч. 2. 181 с. 13. Радиолокационный индикатор на светоизлучающих диодах Радиоэлектроника за рубежом Техническая информация, М. НИИЭИР, 1972. Вып. 51.С.8. 14. Иванов В.И Аксенов А.И Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы Справочник.

М. Энергоатомиздат, 1988. 448 с. 15. Денбновецкий С.В Семенов Г.Ф. Запоминающие трубки в устройствах обработки информации. М. Сов. радио, 1973. 472 с. 16. Карпов А.Г Раводин О.М. Оптические управляемые транспоранты Корреляционно-экстремальные системы. Томск Издательство Том. университета, 1981. 6. С. 79 - 102. 17. Карпов А.Г Карпов Е.Г Фофонов В.С. Некоторые пути технического совершенствования корреляционно- экстремальных радиолокационных координаторов Корреляционно-экстремальные системы обработки информации и управления.

Томск Издательство Том. университета, 1975. С. 144 - 156. 18. Твердотельное телевидение Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах Л.И. Хромов, Н.В. Лебедев, А. К Цыкулин, А.Н Куликов. М. Радио и связь, 1986. 184 с. 19. Обиралов А.И. Дешифрование снимков для целей сельского хозяйства. М. Недра, 1982. 144. с. 20. Полупроводниковые БИС запоминающих устройств Справочник В.В. Барабанов, Н.В. Бекин, А.Ю. Гордонов.

М. Радио и связь, 1987. 360 с. 21. Casasent D.P. A hybrid digital-optical computer system IEEE Trans. Comput. 1973. Vol. 22. No. 9. 22. Методы сплайн-фунций Ю.С. Завьялов и др. М. Наука, 1980. 352 с. 23. Бондер В.А Алферов А.В. Измерительные приборы М. Издательство стандартов, 1986. Т. 1. 390 с. 24. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений ГОСТ 8.008 - 84 . М. Издательство стандартов, 1985. 150 с. 25. Любимов Л.И Форсилова И.Д Шапиро Е.З. Проверка средств электрических измерений Справочная книга.

Л. Энергоатомиздат, 1987. 296 с. 26. Высокочастотные угловые измерения Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин, В.С. Титов и др. Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М. Машиностроение, 1987. 480 с. 27. Одномерные вычислители меры соответствия в устройствах определения положения кристаллов ИС Л.Г. Битно, С.Г. Бойко, О.А. Грабек, В.С. Седякин. Электронная промышленность. 1986. 4. С. 63 - 65. 28. Алексеев В.И Буймов А.Г Тарасенко В.П. Принципы автоматизированного проектирования и исследования корреляционно-экстремальных навигационных систем Корреляционно-экстремальные системы управления. Томск Издательство Том. университета, 1981. С. 137 - 150. 29. Комплекс общеотраслевых руководящих методических материалов по созданию АСУ и САПР. М. Статистика, 1980. 119 с. 30. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование иехнических устройств и систем.

М. Высшая школа, 1980. 311 с. 31. Славнин М.Г Штыхно В.В. Об алгоритмическом обеспечении автоматизированной системы эскизного проектирования КЭС анализа изображений Корреляционно-экстремальные системы и их проектирование.

Томск Издательство Том. университета, 1988. С. 117 - 122. 32. Техническое зрение роботов В.И Мошкин, А.А Петров, В.С. Титов и др. М. Машиностроение, 1990. 272 с. 33. Загорский М.Ю Пивоваров В.Т. Процедура согласования стереоизображений Техника средств связи. 1989. Вып. 1. С. 84 - 89. 34. Сырямкин В.И Титов В.С Боровик О.С. и др. Система технического зрения для определения цвета, формы и положения объектов в рабочей зоне робота Механизация и автоматизация производства. 1991. 1. С. 8 - 11. 35. Колбина Л.В Сырямкин В.И Титов В.С. Методика выбора варианта системы технического зрения на основе функционально-стоимостного анализа Приборостроение, 1990. 6. С. 53 - 55.