Problemas aplicados resueltos utilizando sistemas técnicos de visión..
SEMIN Mikhail Sergeevich
PROBLEMAS APLICADOS RESUELTOS MEDIANTE SISTEMAS TÉCNICOS DE VISIÓN
Recientemente, el progreso de la microelectrónica en el desarrollo de dispositivos de grabación de imágenes ha sido evidente. El alcance de su aplicación se ha ampliado: ya hay cámaras de televisión instaladas en los cascos de los paracaidistas, en los coches de Fórmula 1 e incluso en las cerraduras.
¡Y esta es una tecnología en serie!
Al mismo tiempo, se están desarrollando con la misma intensidad tecnologías para la producción de receptores de imágenes especiales. Los receptores ópticos matriciales con una resolución de 4000×4000 elementos y más se dominan desde hace mucho tiempo, y recientemente han aparecido matrices que combinan alta resolución (más de 1000×1000 elementos) y una velocidad de disparo que es órdenes de magnitud superior a la de un televisor habitual de 25 fotogramas por segundo. así como matrices que permiten grabar fotones individuales.
Junto con el rápido desarrollo de los dispositivos de grabación de imágenes, se está creando un soporte matemático para el procesamiento de imágenes, lo que nos permite hablar de sistemas técnicos de visión (VS), cuyo “producto final no es la imagen en sí, sino los parámetros de la imagen controlada. proceso.
Así, para cualquier caso concreto, es posible crear un sistema técnico de visión que supera con creces las capacidades del ojo humano y, en ocasiones, incluso de una persona como analizador de imágenes. Al mismo tiempo, el uso de algoritmos especiales para procesar la imagen resultante permite a veces lograr soluciones completamente inesperadas en términos de eficiencia, aparentemente en situaciones sin salida.
Existe la creencia común de que la demanda crea oferta. Sin embargo, en tiempos de avances tecnológicos, la oferta de nuevas soluciones a menudo supera la demanda por la sencilla razón de que los consumidores potenciales de estas innovaciones no las conocen o, debido a la inercia del pensamiento, “no pueden adivinar” cómo aplicarlas. en su práctica.
STZ en tecnologías de imágenes térmicas y medición de temperatura
Desarrollado por la empresa científica y de producción “TERMOTECH”
Para obtener campos de temperatura de diversos objetos con una temperatura de 700 °C y superior, se ha desarrollado un complejo de software y hardware «TERMO», que realiza las siguientes funciones principales:
- cálculo de temperatura, emisividad, densidad integral del flujo de radiación en cada punto visible del objeto;
- representación de la imagen de temperatura del objeto en tiempo real según los siguientes parámetros: emisividad del objeto, transmitancia del medio, reflexión especular , temperatura de los objetos circundantes;
- una señal sobre la temperatura que excede los límites especificados en áreas específicas de la imagen térmica;
- grabar una serie de fotogramas en el disco con la posibilidad de reproducción y procesamiento posteriores.
Las imágenes térmicas se analizan de las siguientes formas:
- termograma de color (varias paletas, límites de paleta dinámicos);
- perfiles de distribución en puntos específicos a lo largo de direcciones específicas;
- distribución de temperatura en momentos seleccionados en el tiempo;
- isotermas;
- estadísticas para la región seleccionada (máximo, mínimo, promedio, desviación estándar, etc.);
- histograma de valores en la región.
Todas las funciones de análisis están disponibles en modo de imagen “en vivo”.
Fig. 1. Ejemplos de uso de una cámara termográfica (cámara termográfica) para monitorear los parámetros del proceso tecnológico de postcombustión de subproductos durante el refinado de petróleo (se controla la presencia de una antorcha, el volumen de gas quemado y la temperatura de combustión)
Detección de defectos por rayos X
Desarrollado por el Centro de Investigación Ruso “Instituto Kurchatov”
El departamento de desarrollo de sistemas de detección ha creado y puesto en producción un complejo de diagnóstico por rayos X para controlar las soldaduras y el espesor de las paredes de los tubos de acero. El uso de un sistema de televisión digital por rayos X permite controlar una costura de unos 4 metros de longitud en sólo 8 minutos y controlar el espesor de las paredes de los tubos a una velocidad de hasta 3 m/min. Usando la tecnología de radiografía de película tradicional, estos procesos toman varias horas.
Grabador de imágenes gamma
Desarrollado por el Centro de Investigación Ruso “Instituto Kurchatov”
Este dispositivo está diseñado para obtener imágenes gamma (imágenes en rayos gamma), que pueden usarse para detectar fuentes radiactivas desde una distancia segura y determinar la distribución de la radiactividad.
El dispositivo (Fig. 2) consta de un colimador que forma una imagen; un centelleador que emite luz al absorber rayos gamma; amplificador de luz basado en una placa de microcanal (MCP) y una cámara CCD digital.
Se pueden guardar fotogramas de las zonas defectuosas para su posterior análisis.
Fig. 2. Diagrama de un dispositivo para obtener imágenes gamma
Foto 1a
Imagen de la fuente gamma Am-241 obtenida de un distancia 5 m en 100 segundos. La fuente proporciona un aumento en la tasa de dosis del orden del valor de fondo natural en el sitio de observación
Foto 1b
Superposición de la distribución de intensidad en una fuente gamma (paleta azul) sobre una imagen de vídeo de un objeto contaminado
Fig. 3. Otra forma de presentar los resultados de medir la distribución de la radiactividad es una mancha radiactiva en el suelo de la habitación.
A la derecha — la distribución de radiactividad en el lugar,
a la izquierda — la superposición de la distribución resultante
(en forma de isolíneas de la misma intensidad) en una imagen de vídeo de la sala
Visualización de flujos hidroaerodinámicos
Desarrollador del laboratorio de aerodinámica del Instituto Central de Investigaciones que lleva su nombre. Académico UN. Krylova
Debido a su claridad y alto contenido de información, la visualización de flujos en experimentos hidroaerodinámicos se utiliza cada vez más, lo que permite resolver de manera rápida y eficiente problemas de mejora de las estructuras de los barcos y obtener información confiable sobre procesos complejos que ocurren en los flujos hidroaerodinámicos.
El conjunto de instalaciones para el soporte de visualización del flujo hidrodinámico incluye: un tubo hidrodinámico con una sección de trabajo transparente (sección transversal — 15×15 cm, longitud — 60 cm); un conjunto de modelos de cámaras mezcladoras y dispositivos tecnológicos de estaciones de agua; un conjunto de modelos de salas de barcos con paredes transparentes para el modelado hidráulico de flujos convectivos en la etapa inicial de un incendio y procesos de ventilación en una escala de 1:10.
Visualización de flujos hidrodinámicos El stand está equipado con modernos equipos de grabación de películas, fotografías y vídeos que permiten la grabación y posterior procesamiento de imágenes con alta precisión. El equipamiento incluye: dispositivo óptico IAB-451, cámaras cinematográficas y fotográficas de 35 y 60 mm y un complejo de vídeo.
El stand lleva a cabo investigaciones fundamentales y aplicadas destinadas a resolver problemas prácticos de mejora de las estructuras de los barcos.
Principales direcciones de la investigación fundamental:
- flujos separados y formación de vórtices en capas de condiciones de contorno;
- flujos separados espacialmente;
- interacción de un chorro con un flujo a la deriva;
- formación de vórtices en un flujo inestable;
- desarrollo de flujos convectivos en un espacio limitado.
Fig. 4. Investigación básica (el flujo se dirige de derecha a izquierda). Interacción del flujo con un par de cilindros giratorios:
a) la dirección de rotación de los cilindros coincide;
b) los cilindros giran en direcciones opuestas,
creando un chorro que atraviesa el flujo
La investigación aplicada tiene como objetivo mejorar las estructuras de los barcos:
- reducir la contaminación por humo de los barcos de transporte;
- formación de vórtices en los elementos sobresalientes del casco de una embarcación submarina, las causas de la falta de homogeneidad del flujo en el disco de la hélice;
- la influencia de los modos de funcionamiento de la hélice, los ángulos de ataque y la deriva de la embarcación submarina en la estructura del flujo alrededor del extremo de popa;
- formación de vórtices sobre la cubierta de vuelo de un portaaviones durante el cabeceo;
- formación de vórtices en las rejillas de los intercambiadores de calor;
- estudios de flujos convectivos en las etapas iniciales de un incendio en las instalaciones de un barco para optimizar las ubicaciones de instalación de los sensores de alarma contra incendios.
Fig. 5. Investigación aplicada:
a), b) – contaminación por humo del puente de navegación de un barco de transporte con chimenea baja;
c), d) – etapas de formación de vórtices sobre la cubierta de vuelo de un portaaviones durante el balanceo
Detector de defectos de proyectiles para monitorear las superficies internas de chimeneas y tuberías de ventilación de empresas industriales
Desarrollado por TsIEKS EMERCOM de la Federación Rusa
La tarea de inspección del estado de las chimeneas sin enfriamiento previo es muy relevante, especialmente cuando se utilizan procesos tecnológicos continuos.
Examinar el estado del revestimiento de la superficie interna de chimeneas, el promotor ha creado un detector de defectos (foto 2).
Foto 2. Proyectil detector de defectos
El diseño de este proyectil con estabilizadores aerodinámicos anulares instalados asegura su posición estable durante el descenso/ascenso y, junto con un conjunto de mecanismos auxiliares de elevación y transporte, permite trabajar sin detener el proceso tecnológico o con enfriamiento parcial de la tubería para una temperatura de 200°C. En la parte inferior de la carcasa está instalada una unidad de grabación de imágenes (desarrollada por NPK VIDEOSCAN), que incluye 12 cámaras de televisión instaladas en anillo y un complejo informático de a bordo, que garantiza: cuando se activa el detector de defectos, la obtención de una serie de imágenes anulares de la superficie interna de la tubería y registrarlas en el disco duro, y después de retirar el detector de fallas de la tubería, leer los datos recibidos a través de un canal de comunicación estándar en una computadora externa para su análisis y archivo.
Foto 3. Fragmento de la imagen de la pared interior de la chimenea
La foto 3 muestra imágenes fragmentadas de la pared interior de la chimenea cerca de la boca. Las grietas y otros defectos formados durante el funcionamiento de la tubería son claramente visibles.
Selección y lectura automática de códigos de barras
Desarrollado por IIT e Intermec Corp.
El dispositivo está diseñado para su uso en sistemas automatizados de control de almacenes, así como para clasificación y registro automático de mercancías, paquetes, etc.
La imagen de un objeto con un código de barras se graba con una cámara de vídeo y se introduce en una computadora personal. Al analizar la imagen digital resultante, se detectan y leen los códigos de barras existentes. En este caso, se detectan y leen todos los códigos de barras en el campo de visión de la cámara, independientemente de su tamaño, posición, orientación y propiedades geométricas de la superficie sobre la que se aplican; se permite la contaminación parcial y el roce de los códigos de barras, así como el recubrimiento del objeto con celofán sobre los códigos; Los códigos de barras se reconocen en cualquier fondo estructurado complejo.
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Selección y filtrado automático de rastros de partículas
Desarrollado por IIT e IVT RAS
El sistema permite automatizar el proceso de procesamiento y análisis de imágenes digitales de 12 bits de pistas de partículas obtenidas mediante fotografía de alta velocidad y proporciona una identificación confiable de pistas de partículas con precisión de subpíxeles, así como su filtrado según los parámetros requeridos. (longitud de la pista de partículas, intensidad máxima a lo largo de la longitud de la pista, tamaño transversal de las partículas de la pista teniendo en cuenta el ángulo de la pista, el ángulo de inclinación de la pista de partículas con respecto a los límites de la imagen).
Foto 5. Pistas seleccionadas de partículas que satisfacen parámetros específicos
Selección automática del rostro humano y seguimiento de sus rasgos
Desarrollado por IIT y SPIRIT Corp.
Se soluciona el problema de la detección automática de un rostro y sus grandes elementos característicos (ojos, boca, cejas, nariz), así como el seguimiento de estos objetos y su posterior visualización en tiempo real en un ordenador personal como un IBM PC. Se utiliza una cámara web como dispositivo de entrada, que proporciona un flujo de datos de entrada en formato RGB (24 bits) a una velocidad de al menos 10 fotogramas por segundo. Tamaño de la imagen de entrada: 320×240 píxeles. La cara del usuario se coloca frente a la cámara y no queda oculta por ningún otro objeto. Se permiten giros e inclinaciones de la cara dentro de los 10 grados. La iluminación es la iluminación normal de una oficina. Los resultados de resaltar los límites de las cejas, la nariz y la boca se aproximan mediante splines basados en varios puntos característicos. Los resultados de la detección de ojos se caracterizan por el indicador “ojo abierto/cerrado”, así como por los centros y radios de los círculos correspondientes (Fig. 6).
Higo. 6. Detección automática de un rostro y sus elementos característicos
Además de las imágenes originales, se muestra información seleccionada sobre el rostro y sus características, presentada en forma de elementos gráficos vectoriales para su transmisión a través de redes o visualización adicional de personajes virtuales mediante gráficos por computadora en tiempo real.
Detección de obstáculos en la carretera frente a un vehículo en movimiento
Desarrollado por GosNIIAS y NC “Module”
Para solucionar el problema del control automático de vehículos se ha desarrollado un sistema de detección de obstáculos en las carreteras. Su trabajo se basa en el análisis de imágenes digitales estéreo obtenidas mediante dos cámaras de vídeo CCD. La detección de obstáculos se produce dentro del propio carril del vehículo en tiempo real. El sistema proporciona una detección estable de varios tipos de obstáculos a una distancia de hasta 100 m.
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Foto 6. Resultados de la identificación del propio carril y los obstáculos observados en la carretera en diferentes condiciones de iluminación y diversas situaciones de conducción
Complejo forense de escritorio GENETIKA-02
Desarrollado por NIIIN MNPO “SPECTR”
El complejo está diseñado para la verificación en profundidad de documentos, billetes, valores, etc..
Composición del complejo: bloque forense; lupa de vídeo por infrarrojos remota; monitor de vídeo en color, así como un conjunto óptimo de herramientas para el control operativo de documentos y la comunicación con una PC para procesar y archivar información.
Es posible modernizarlo con unidades y bloques funcionales adicionales.
Foto 7. a), b) identificación de adiciones y correcciones;> p>
c), d) visualización de la imagen bajo relleno de tinte.
Funciones principales del complejo:
- control de calidad del papel, diseño tipográfico y manuscrito de marcas de agua, fibras luminiscentes, marcas de seguridad de tintes luminiscentes, metaméricos y otros — hojas de diversos formatos, incluidos los grandes;
- detección de tachaduras, borraduras, falsificaciones de texto , sellos, rastros de pegamento y presión de instrumentos de escritura;
- detección de rastros de exposición a compuestos de grabado con visualización de piezas destruidas;
- visualización de detalles de diseño y detalles llenos de tintes en el reverso de la hoja y la siguiente.
A continuación se muestran algunos ejemplos del funcionamiento del complejo (banda de detección de radiación IR en el rango de 720 — 1000 nm) .
Comprobación de la autenticidad de los billetes:
Foto 8. Imagen de un billete de la Federación de Rusia en radiación reflejada:
a) en el rango visible;
b) en radiación IR
Desarrolladas por NIIIN MNPO “SPECTR”
Las cámaras termográficas están diseñadas para la vigilancia eficaz de objetos y áreas protegidos y controlados en cualquier momento del día en diversas condiciones climáticas, incluidas las difíciles. Proporciona visualización de objetos emisores de calor y observación de la dinámica de transferencia de calor. Puede usarse para resolver problemas especiales. Las principales áreas de su aplicación:
- garantizar la seguridad tecnológica:
- diagnóstico por imágenes térmicas de objetos, edificios, estructuras y vehículos saturados de energía;
- búsqueda de fugas y roturas en oleoductos y redes de calefacción, así como desde el aire en busca de incendios ocultos e incendios subterráneos en turberas;
- identificación de áreas peligrosas de incendio y explosión, de sobrecalentamiento en equipos eléctricos, etc.;
- actividades de búsqueda e inspección:
- búsqueda, detección y encubrimiento vigilancia del movimiento y acciones de objetos remotos;
- buscar personas desde el aire en mar abierto, montañas, desiertos y otros lugares de difícil acceso;
- un dispositivo móvil eficaz para la seguridad exterior las 24 horas del día de edificios, estructuras y objetos extendidos;
- detección de anomalías ocultas (huecos, inclusiones extrañas).
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Foto 9. Calentamiento residual (en zonas completamente enfriadas) y reflejo del asfalto seco en los cubos de las ruedas y el silenciador 20 minutos después de detener el coche (delta T = 5 °C)
Grabación multicanal de procesos ultrarrápidos
Desarrollado por JSC NPK Videoscan
La solución al problema se muestra utilizando el ejemplo de grabación de imágenes. del rebote de una bala al disparar con un rifle de asalto Kalashnikov en un ángulo agudo con respecto a la superficie del agua (foto 10).
Foto 10. Registro de imágenes de un proceso ultrarrápido
Las imágenes fueron grabadas por tres cámaras electroópticas del sistema Nanogate Frame-4 [1], instaladas a lo largo de la trayectoria de vuelo de la bala. La exposición de cada cámara es de 300 ns. El intervalo entre disparos es de 200 μs.
La primera fase: la bala vuela hacia la superficie del agua, mientras que el fuerte cabeceo de la bala es causado por la pérdida de estabilización al pasar la pared de poliuretano de la zanja.
La segunda fase es la entrada de la bala al agua. Es interesante observar que la perturbación del agua supera al vuelo de la bala.
La tercera fase: la bala sale del agua.
El uso de sistemas para registrar procesos ultrarrápidos es relevante en diversos campos de la ciencia y la tecnología.
Aplicación de STZ en la producción industrial (usando el ejemplo de la industria médica) industria)
Desarrollado por JSC NPK Videoscan
Para prevenir y tratar los ataques en pacientes con asma bronquial, la empresa Pulmomed ha creado un fármaco de acción prolongada llamado Saltos, cuya característica más importante es su liberación dosificada. Para hacer esto, se quema con un rayo láser un agujero de un tamaño estrictamente definido en la cáscara insoluble de cada tableta. Dado que cualquier desviación de un parámetro dado puede ser fatal para el paciente, la compañía Pulmomed decidió proporcionar un control 100% totalmente automatizado del tamaño de los agujeros en las cubiertas de las tabletas producidas utilizando medios STZ.
Foto 11. Se obtuvo la imagen del agujero en la carcasa de la tableta con un sistema de vídeo VSSTT-075-2001 equipado con una lente microscópica
A pesar de que el brillo medio de la imagen en la zona de los agujeros casi no difiere de los valores de brillo medio en otras partes de la imagen (foto 11), NPK Videoscan ha desarrollado algoritmos que solucionan el problema de identificar el área de la superficie de la tableta que contiene un orificio y determinar el área del orificio en la velocidad de la línea de producción: hasta 2 tabletas por segundo. En la foto 12 se muestran ejemplos del funcionamiento de este algoritmo.
Foto 12. Ejemplos de identificación de áreas de orificios
Los resultados de la medición de áreas de orificios se utilizan en una línea industrial para regular la potencia de radiación de una instalación láser y productos rechazados.
Literatura
1. Krutik M.I. Complejos electrón-ópticos multicanal controlados por software para la grabación a alta velocidad de una serie de imágenes de un proceso que fluye rápidamente.//Equipo especial, 2002, No. 1, p. 36 – 41.