До питання реалізації системи технічного зору для інформаційного забезпечення АСУ технологічного процесу прокатного виробництва Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

2007 р.

Вип.№ 17

УДК 681.5.08

Зайцев В.С1., Пономарьов С.Ю.

2

ДО ПИТАНИЯ РЕАЛ13АЦП СИСТЕМИ ТЕХН1ЧНОГО ЗОРУ ДЛЯ 1НФОРМАЦ1ЙНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ АСУ ТЕХНОЛОГИЧНОГО ПРОЦЕСУ ПРОКАТНОГО ВНРОБННЦТВА

Розглянута загалъна структура систем техтчного зору та проанал1зоват icnyioHi программ компоненты обробки eideodanux. Розглянута можлив1сть pecvii3atfiï системы техтчного зору реального часу на 6a3i ОС Microsoft Windows з еыкорыстанням Microsoft DirectShow технологи для тформацтного забезпечення АСУ ТП прокатного еыробныцтеа. Наведет перееагы та недолты таког peaлiзaцiï.

Автоматизащя технологичного процесу прокатного виробництва е невщ'емною складовою шдвищення його сфсктивносп. В р'яд\ випадюв для виршення задач автоматизацп необхщно встановлювати та контролювати параметри руху прокату (координат задньо1 та передньо1 граней прокату, геометрiï прокату, швидкосп та прискорення). Звичайно ця задача виршуеться за допомогою встановлення вщповщних датчиков. Але зважаючи на особливосп технолопчного процесу прокатного виробництва, а саме його важю технолопчш умови (безперервний режим роботи, значш перевантаження, вплив в1брацш та удар ¡в. pi3Ki змши температури навколишнього середовища тощо), контактш датчики не знайшли широкого застосування [1].

Одним з напрямюв виршення uieï задачi е розробка безконтактних систем визначення параметр ¡в рухомих об'екпв (рухомого прокату), одним Î3 р1зновид1в тако! системи може бути система техтчного зору (СТЗ). СТЗ - це складна система збору та обробки вщеоданих в реальному 4aci. 3 метою виршення задач автоматизацп тсхнолопчного процесу прокатного виробництва, така система повинна задовольняти наступиi вимоги: працювати в реальному 4aci;

забезпечувати високу ст1йюсть i точшеть встановлення параметр ¡в рухомого прокату в

потощ вщеоданих;

забезпечити простоту використання;

повинна бути недорогою та мютити розповсюджену елементарну базу; повинна допускати можливють подалыпо1 модерн1зац11.

Зважаючи на стр1мкий picT обчислювальних можливостей персональних комп'ютер1в та значний розвиток шформацшних технолог1й, зокрема мультимед1йних технолог1й, створення та впровадження на практищ таких систем стае все бшып доступним [2].

U,i системи на даний час широко застосовуються для автоматизацп процесу охорони р1зномаштних об'екпв (адм1н1стративних, житлових, виробничих та ш.), для контролю безпеки дорожнього руху тощо [3].

Метою дано! роботи е аналп можливост1 застосування та побудови СТЗ реального часу з використанням передових шформацшних тсхнологш для ¡нформац1йного забезпечення оптимального управл1ння динам1чними режимами процесу прокатки на обтискному стаж.

В загальному вигляд1 системи техтчного зору складаються з ряду апаратних та програмних засоб1в, що здшенюють отримання вщеоданих (totobî вщеокамери, ПЗС матриц! тощо), ïx обробку за певними, здебшыпого складними, алгоритмами та вщображення. Отриманий з вщеокамери сигнал надходить на аналогово-цифровий перетворювач (АЦП), який може бути конструктивно виконаний разом з видеокамерою, або бути у вигляд1 окремо! плати розширення до ПЕОМ, теля чого цифровий сигнал обробляеться за допомогою спешалпованого програмного забезпечення на ПЕОМ. Дал1 результата обробки вщеоданих

1 ПДГУ, д-р техн. наук, проф.

2 ПДГУ, acnipaHT

в i д об р аж\ ют ь с я на скран1 мон1тора, зберпаються у фай.и та використовуються як вим1рювальна и-гформащя за призначенням у контур! АСУ ТП.

На тепершнш час ринок апаратних saco6ÍB представлений широким спектром в1дсокамср р¿зномаштних виробниюв, яким властивий ряд певних характеристик, що обумовлюють яюсть отримання вщеопотоку (динам1чний .лапазон. роздшьна здатнють, спектральш характеристики, штерфейс передач! даних тощо), що в свою чергу впливае на !х варткть. Тому для кожно! конкретно! задач i необхщно ретельно вибирати в1дсокамсру. аналгзуючи вище перерахован1 характеристики, та виходячи з критерда максимуму вщношення яисть, вартють.

Стр1мкий розвиток апаратних 'засобж. а також ix велика сортиментна р1зноман1тн1сть, до недавнього часу призвели до вщетавання програмних компонент СТЗ, з точки зору розробки единих метод i в та пщход1в до процесу вводу та програмно! обробки вщеоданих. Зважаючи на це, виробники вщеокамер к о м п л с кт у в а л и !х власними i н ст р у м е нта л ь н и м и засобами розробки програмного забезпечення (Software Development Kit - SDK) [4]. Така ситуащя значно ускладнювала розробку СТЗ та робила майже неможливим застосування та дослщження цих систем для автоматизацп технолопчних npoucciB р1зних галузей народного господарства, включаючи i прокатне виробництво.

Зазначеш обмеження були пов'язаш з вщеутшетю можливосп ¿золяцн програмно! компонента СТЗ вщ апаратно!. Тобто при замш, наприклад, вщеокамери на вщеокамеру але вже ¡ншого виробника поставала задача, якщо не повно!, то частково! переробки програмних компонентов СТЗ з застосуванням SDK ново! вщеокамери. А це, в свою чергу, вимагало необхщшеть вивчення специф1чних принцишв та методик робота з SDK ново! вщеокамери, що значно пщвищувало складшсть та вар tí от ь тако! системи.

KpÍM того, бшытстъ таких SDK звичайно призначеш для виконання задач гнучкого управл1ння станом вщеокамери, в и с о к о ui в и д к i с н о г о захвату та попередньо! обробки потоку вщеоданих. 3 метою вир1шення бпьш складних задач, подальшо! обробки вщеоданих, необхщно було застосовувати допо\пжн1 б1бл1отеки обробки зображень, серед яких отримали популяршеть б1блютски LeadTek LeadTools, Matrox Imaging Library, HALCON тощо. Основними характеристиками цих та под1бних до них б1блютек е загалом !х висока cxJ)CKTiiBH¡CTb та широка функгцональшеть, але вони розповсюджуються на комерц1йшй ochobí i мають досить високу варткть. KpÍM того, ui б1блютеки, як правило, мають закритий код для подальшо! модифшацп 3Í сторони користувача [4].

Проте на користь використання спещалпованих SDK виступае !х висока eфeктивнicть (з точки зору попередньо! обробки вщеоданих), можливють повного програмного контролю апаратних засоб1в та можливкть переносу на ¡ншу програмну платформу.

На вщмшну В1д cпeцiaлiзoвaниx SDK, та з метою вироблення единих тдходт до задач вводу та програмно! обробки вщеоданих (зд1йснсння стандартизацп), компанш Microsoft розробила та впровадила пщсистему DirectShow. Дана пщсистема е складовою частиною DirectX i в повнш Mipi використовуе переваги дано! системи, а саме: DirectX - це високопродуктивний штерфейс взаемодй' з мультимедшною апаратурою, що дозволяе здшенювати бсзпоссрсдн1й доступ до апаратних 3aco6ÍB з боку прикладно! програми [2,5]. Таким чином, DirectShow, з одного боку, забезпечуе безпосереднш доступ до апаратних 3aco6ÍB (драй вер i в апаратних 3aco6ie), але, з другого боку, цей доступ виконаний у в игл яд i СОМ -opieHTOBaHoro штерфейсу прикладного програмування (Application Programming Interface -API), який формуе своерщний абстрактний шар над програмою обробки вщеоданих та набором драйвер: в апаратних 3aco6ÍB. Така концепт я DirectX/DirectShow звшьняе розробника СТЗ вщ реал паи i í складних MexaHÍ3MÍB отримання та вщображення вщеоданих, та дае розробнику безпосередньо сконцентруватися на модул i обробки вщеоданих (в термшах DirectShow трансформуючий ф1льтр). Таким чином, пщ час використання uití технологи прикладна програма може отримувати вщеодаш з рiзномаштних джерел, не звертаючи уваги на ф1зичну рсалгзащю апаратних 3aco6ÍB. Для цього апаратьп засоби, що будуть використовуватися, повинш мати WDM (Windows Driver Model) драйвера.

DirectShow програма формуе своерщний направлений граф в вузлах якого знаходяться так зваш фшьтри (рис.), кожний з яких виконуе певну одномаштну операшю над потоком вщеоданих. Такий граф називаеться графом фiльтpiв (Filter Graph). Програмний компонент, що 5'правляе графом ф1льтр!в називаеться менеджером графа ф1льтр1в (Filter Graph Manager).

Складовими елементами графа фшьтр1в е DirectShow фшьтри, яю можна подшити на три велию групи [2]:

фшьтри-джерела (Source Filters). До uiei групи фшьтр1в вщносяться фшьтри, що дозволяють отримувати вщеодаш як з файл ¡в локально! або вщдалено! файлово! системи, так i фшьтри, що дозволяють отримувати вщеодаш з апаратних засоб1в, що мають WDM драйвери;

трансформукт фшьтри (Transform Filters). До uiei групи фшьтр1в вщноситься велика група фшьтр1в, яка певним чином перетворюе вхщний пот ¡к вщеоданих. Це можуть бути фшьтри, що перетворюють внутрппнш формат вщеоданих, покращують я клеть вщеоданих, трансформують (змшюють po3\iip. масштаб) або виконують iHmi специф1чш функцп. 3 точки зору рсалпацп СТЗ клас трансформуючих фшьтр1в е дуже важливим, бо саме на цей клас фшьтр1в ляже рсалпашя необхщних алгоршмв обробки вщеоданих;

фшьтри в1зуал1затори {Rendering Filters). Ця група фшьтр1в забезпечуе в1зуал1защю або збереження потоку вщеоданих у файл.

Менеджер графа фшьтр1в може поеднувати в co6i рпномаштну клльклеть фшьтр1в, якл з'еднуються м1ж собою за допомогою шшв (pins). Пш це своерщний контакт, вивщ ф1льтра. Пш характеризуемся напрямком (вхщний, вихщний) та типом мед1а нос ¡я (media type). Потп< даних вщ одного ф1льтра до ¡ншого в граф1 фшьтр1в йде саме через ni пши. Вихщний niH першого ф1льтра з'еднуеться з вхщним п1ном другого фшьтра, але такий зв'язок можливий лише за умови, якщо у них сумюш мед1а типи. Тому пщ час створення певного графа фшьтр1в (послщовност1 ф1льтр1в), необх1дно враховувати сумюшсть мед1а тип1в i'x вхщних та вихщних шшв.

□ ВИХЩНИЙ niH О ВХЩНИЙ niH

Рис. - Структура графа фшьтр1в DirectShow програми

Тсхнолопя DirectShow заснована на модсл1 компонентних об'ект1в (Component Object Model - COM) [2,5,6], кожний об'ект DirectShow е СОМ об'ектом. Прикладний програмют мае можливють використовувати Ha6ip вже готових DirectShow фшьтр1в, але найбшып важливою властив1стю DirectShow технологи е те, що розробник мае можливють створювати cboï власш фшьтри, яю будуть реал1зовувати специф1чн1 алгоритми обробки потоку вщеоданих. Даш фшьтри оформлюються у вигляд1 СОМ об'екпв, та згодом можуть бути застосоваш в будь-яких прикладних програмах, що пщтримають СОМ ор1ентований штерфейс, та в 61льшост1 сучасних системах програмування.

Таким чином, до переваг на користь використання DirectShow технологи можна вщнести:

певну незалежнють програмно1 компоненти СТЗ вщ апаратних засоб1в;

наявн1сть великого набору готових трансформуючих фшьтр1в (в першу чергу фшьтр1в,

що перетворюють внутр1шн1й формат вщеоданих та фшьтр1в-джерел);

пщтримку широкого класу недорогих засоб1в вводу в1деоданих (USB Web-камер),

пщтримка вщеокамер FireWire (IEEE 1394) i т.п.;

штерактивне та швидке формування графу фшьтр1в за допомогою вщповщно1 утилии „GraphEdit", що значно полегшуе процес дослщження розроблених фшьтр1в; можливють використання технологи DirectShow в Visual Basic, Visual С++, Borland Delphi, Borland С++ Builder i т.п.;

можливють розробки власних DirectShow фшьтр1в, що будуть реалповувати специф1чш (вщповщно до конкретно! задач i) алгоритми обробки вщеоданих; можливють багатопотоково! обробки вщеоданих; невелику вартють програмно! компонента СТЗ.

Але, не зважаючи на вищезазначеш переваги, DirectShow тсхнолопя мае i ряд певних недолтв серед яких можна вщзначити:

прив'язка до програмно! платформи, а саме до операцшно! системи Microsoft Windows; необхщшеть розумшня та навичок розробки СОМ-ор1ентованих програм [6]; дещо занижена ефектившеть обробки потоку вщеоданих. у пор1внянш з ф1рменими SDK.

Отже, на етапах розробки, ¡хптацшного моделювання та впровадження недорогих промислових систем техшчного зору, технолопя DirectShow е дешевим, досить ефективним та гнучким шструментар1ем, що дае можливють рсалпацп СТЗ з використанням широкого спектра апаратних засоб1в. Але не зважаючи на це, для рсалпацп та впровадження на практищ крупних СТЗ, як приклад можна навести охоронш системи великих адмшютративних об'екпв, бшып доцшьним ршенням може виявитись СТЗ на ochobî SDK конкретного апаратного забезпечення, що дасть пщвищення ефективносп використання апаратних засоб1в, але це в свою чергу значно збшыпить вартють програмно! компонента СТЗ.

Як приклад, в данш робот i була використана тсхнолопя DirectShow для рсалпацп рпницевого вщеодетектора руху об'екпв. Даний детектор дозволяе визначати pyxoMi об'екти в n0T0ui вщеоданих, знятих 3i статично розташовано! вщеокамери та трасувати цей рух. Принцип робота даного детектора базуеться на тому факп, що вщеодаш зшмаються 3i статично розташовано! в1деокамери, при цьому вони набувають ряд корисних властивостей, а саме, Bei кадри потоку вщеоданих (особливо сусщш кадри) мають приблизно однаковий фон, який змшюеться повшьно з часом, за винятком тих випадюв, коли в noni зору камери з'являються pyxoMi об'екти [3]. Зважаючи на цю особливють, був створений DirectShow трансформуючий фшьтр, що реалповуе вщеодетектор руху об'ект1в з наступним алгоритм обробки вщеоданих: попередня обробка - пол1пшення потоку вщеоданих (контрастування, пщвищення яскравосп, лшшна ф1льтрац1я даних);

формування базового кадру потоку вщеоданих - кадр який не мютить рухомих об'ект1в; розрахунок \пжкадрово1' р1зниц1 - р1зниця м1ж поточним кадром та базовим кадром, формування маски руху;

обробка \пжкадрово!' р1зниц1 з метою визначення рухомих об'екпв та встановлення ïx параметр ¡в (геометрп об'екта, координат, швидкост1, прискорення); трасування рухомих об'екпв.

Експериментальш дослщження показали, що розроблений на ochobî DirectShow технологи вщеодетектор, дозволяе в реальному 4aci визначати pyxoMi об'екти в потощ вщеоданих. Ст1йюсть щентифпчацп рухомих oocktîb та точн1сть встановлення ïx параметр ¡в зал ежить вщ двох основних фактор1в. По-перше, це точнють використаних апаратних засоб1в, по-друге, це складнють i адекватн1сть до конкретно! задач i алгоршмв та метод ¡в обробки вщеоданих. Зважаючи на це, подалыпою перспективою роботи в даному напрямку е дослщження метод ¡в та алгоршмв обробки цифрових зображень, ïx адаптащя, та розробка нових пщход1в до обробки потоку вщеоданих з метою досягнення bhcokoï точносп визначення параметр ¡в рухомого прокату, що дасть можливють застосування uieï ¡и фор мац iï для оптимального управлшня динам1чними режимами процесу прокатки на обтискному стаж. Зокрема, команда на гальмування перед викидом злитка з валю в проводиться по довжиш частини злитка, яка ще

не прокатана. Застосування СТЗ дозволить îctotho шдвищити точшсть при виконанш ujeï oncpauiï.

Висноеки

1. Технологи вщеоспостереження (СТЗ) на даний час crpiviKO розвиваються, що дае можливють ïx застосування для виршення певного ряду задач автоматизацп технолопчного процесу прокатного виробництва, а саме встановлення параметр ¡в рухомих об'екпв технолопчного процесу, там де юнуючими датчиками цю задачу виршити неможливо.

2. На основi проведеного анал1зу запропонована можливють рсалпацп тако! СТЗ на ochobî DirectShow технологи на користь використання яко1 говорить ïï апаратна незалежнють, зручшеть у використанш (програмуванш) та низька вартють.

3. DirectShow тсхнолопя дае можливють створювати системи обробки потоку вщеоданих з використанням багатоетапних складних алгоритм1в, при цьому забезпечуе функцюнування тако! системи в реальному 4aci. Бона може бути використана як для ¿мпацшного моделювання, так i для практично! рсалпацп системи встановлення та оц1нки параметр ¡в рухомих об'екпв для вир1шення задач автоматизацп прокатного виробництва на обтискному сташ.

FlepeniK посиланъ

1. Выдрин В.Н. Автоматизация прокатного производства: Учебник для вузов. /В.Н. Выдрин, А.С. Федосиенко. - М.: Металлургия, 1984. - 472 с.

2. Pesce M. D. Programming Microsoft DirectShow for digital video and télévision. IM.D. Pesce Copyright © 2003 by Microsoft Corporation Press.

3. Forsyth D. A. Computer Vision: A Modem Approach. ID. A.Forsyth, J. Ponce. Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J., 2002, http://www.cs.berkeley.edu/~daf/book.html.

4. Богуславский A. A. Программно-аппаратные средства ввода зрительных данных в память персонального компьютера: Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН: /А.А.Богуславский, С.М. Соколов. - М., 2002. - №52. - 22 с.

5. Microsoft DirectX 9.0 SDK Update (December 2004), documentation.

6. Роджерсом Д. Основы СОМ: Пер. с англ. /Д. Роджерсом - М.: Издательско-торговый дом „Русская редакция", 2000. - 228 с.

Рецензент: В.И.Капланов д-р техн. наук, проф., ПГТУ

Стаття над шиша 17.01.2007