Тепловизионный метод измерения линейных размеров трехмерных объектов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 681.7.015.2

В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Ю.А. Фесько СГГ А, Новосибирск

ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ

В статье рассмотрен тепловизионный метод дистанционного измерения линейных размеров трехмерных объектов на основе поляризационного тепловидения, а также приведен анализ информативности экспериментальных поляризационных термограмм.

V.M. Tymkul, L.V. Tymkul, Y.A. Fesko Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

THERMOVISION METHOD OF MEASURING LINEAR DIMENSIONS OF THREEDIMENSIONAL OBJECTS

In article is considered a thermovision method of remote measurement of linear dimensions of three-dimensional objects on the basis of the polarization thermovision, and give the analysis of informative of experimental polarization thermograms.

Оптико-физический анализ и интерпретация классических тепловизионных изображений объектов показывает, что их яркость зависит от индикатрисы коэффициента излучения элементов поверхности объекта, температуры этих элементов и формы самой излучающей поверхности. В этой связи, в работе [1] сформулирован вывод о неоднозначности решения задачи по определению формы выпуклых объектов внутри их контура на основе классических тепловизионных изображений. В работах [2-5] рассмотрен ряд способов распознавания формы объектов внутри их контура, которые защищены одним авторским свидетельством и тремя патентами РФ на изобретения. Эти способы основаны на получении, анализе и обработке экспериментальных поляризационных термограмм с базисными азимутами поляризации. Это дает основание полагать, что эти материалы, могут быть использованы для интерпретации объемной формы объектов как искусственного, так и естественно-природного происхождения. Метод бесконтактного измерения трехмерных объектов может быть использован в измерительной технике для измерения размеров и визуализации профиля измеряемой поверхности трехмерных объектов.

Метод заключается в записи и обработке регистрируемого поляризационного теплового изображения поверхности исследуемого объекта по схеме, которая изображена на рис. 1. В оптическую схему 3 перед матричным приемником излучения (МПИ) 4 устройства, регистрирующего тепловое излучение объекта, устанавливается ИК-поляризатор 2. ИК-поляризатор снабжен приводом [6], позволяющим ему вращаться вокруг оптической оси, за счет чего тепловому излучению измеряемого объекта

придается необходимый азимут поляризации. В предлагаемом методе две из трех декартовых координат определяются размерами изображения (МПИ), третья вычисляется по полученной зависимости между яркостью элемента поляризационного изображения и ориентацией соответствующего элемента на поверхности измеряемого объекта.

Рис. 1. Функциональная схема получения и обработки поляризационных

термограмм

Полученная информация об объекте 1 программным обеспечением 6 обрабатывается в блоке обработки информации 5 и сохраняется в памяти 7, откуда может быть передана на устройство вывода или индикации 8.

Для подтверждения наличия информации об объемности формы внутри контура объектов в поляризационных термограммах на рис. 2 и 3, в качестве примера, представлены термограммы сферы и диска, полученные нами в поляризованном свете при азимутах поляризации 1п=0° и 1^=90°

Рис. 2. Поляризационные термограммы сферы с азимутами поляризации 1п=0° и

1п=90°

Рис. 3. Поляризационная термограмма плоского диска

При проведении анализа полученных тепловых поляризационных изображений объектов различной формы можно отметить следующее:

1) При 1:и=0° яркость изображения элементов сферы вдоль горизонтальной линии сканирования от центра к краю растет, что объясняется ростом угла \|/ ориентации нормали к элементам поверхности сферы по отношению к направлению наблюдения.

2) При 1:п=0° яркость изображения элементов конуса вдоль горизонтальной линии сканирования от центра к краю постоянна, что объясняется одинаковым значением угла ц/ ориентации нормали к элементам поверхности сферы по отношению к направлению наблюдения.

3) При 1:п=0° или при ^ равному любому значению угла в диапазоне от 0° до 360°, яркость изображения плоского диска практически постоянна по всей его поверхности, что объясняется тем, что для всех элементов поверхности диска угол 1|/=0°.

4) При 1:п =90° как для сферы, так и для конуса картина изменения яркости их изображения поворачивается на угол 90°.

На основании результатов проведенного анализа поляризационных термограмм по функциональной зависимости их сигналов от угла \|/ ориентации нормали к элементам поверхности объектов по отношению к направлению наблюдению, приведенные в работах [2-5], основные положения метода измерения линейных размеров трехмерных объектов следующие:

Путем ввода в оптическую схему тепловизора линейного ИК поляризатора, который выполнен с возможностью вращения вокруг оптической оси [6], реализуются поляризационные термограммы объектов при азимутах поляризации 1:п =45° и 1:п =90°.

Для всех элементов разложения кадра, который содержит Ь строк и N элементов в каждой строке, величины видеосигналов запоминаются и по ним определяется степень поляризации Р(^Ь) изображения объекта по формуле[5]:

Р(К,Ь) =

[И45(К,Ь)-1]

28ІП< [ и45(Ы,Ь)-1 ] >- и45(М,Ь)-1

ь 1-и90(М,Ь)

(1)

где и4з(К,Ь), и9о(К,Ь) - величина видеосигналов элементов

изображения объекта при азимутах поляризации ^=45° и tп=90o.

На основании работ [1,2] принимается во внимание тот факт, что угол ш(К^) связан со степенью поляризации P(N,L) по формуле:

Р(ВД=а 1-со8п(Щ.) , (2)

где а - постоянная, которая зависит от материала поверхности объекта.

На основании соотношений (1) и (2) формируется следующее выражение для определения угла ш(К^):

н<ТЧ,Ь) = агссоБ* 1- и45(ад

[її 28ІП ап*Ви«<М’Ь>-1 _ Б1-и90(К,Ь)_

1

- и45(ВД-1

(3)

При анализе поляризационных термограмм (см. рисунки 2-3) две из трех исследуемых координат поверхности объекта (в данном случае координаты x(N,L) и у(К^)) при сканировании строки (координата x) и вдоль кадра (координата у) определяются по размерам термограммы.

Практически при обработке поляризационных термограмм, третья координата z(N,L) для всех элементов поверхности объекта определяются по формулам:

2(Ы)|у=СОП81 (К), (4)

2(Ь)1х=сом (Ц, (5)

где Дх(Ы); Ду(К) - шаг сканирования в системе координат пространства изображений при сканировании, соответственно, вдоль координат OX и OY; шК2, Шу2 - проекции угла ш на координатные плоскости XOZ и YOZ.

Полученные значения 3-х координат всех NxL элементов изображения поверхности объектов можно использовать для формирования объемной картины его поверхности в изометрической проекции с использованием пакета MATLAB.

На рис. 4 приведены результаты экспериментальных исследований по получению линейных размеров и формированию реальной формы сферы вдоль горизонтальной линии сканирования, которые получены с использованием предложенной выше методики.

х (отн. ед.)

Рис. 4. Формирование формы сферы вдоль горизонтальной линии сканирования

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тымкул, О.В. Методика определения объемной формы объектов на основе поляризационной комбинированной термограммы / О.В. Тымкул, В.М. Тымкул, О.К. Ушаков // Оптический журнал. - 1999. - Т.66, №2.- С.54 - 59.

2. А.С. №166727 СССР, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, М.И. Ананич, П.Г. Голубев, С.Г. Смагин /СССР/. - №4738971/09; заяв. 06.06.89; опубл. 30. 07.91, Бюл. №28.

3. Пат. 2024212 РФ, МКИ H04N 5/33. Способ распознавания формы объектов / А.Б. Гринев, Т.Б. Куроптева, В.М. Тымкул /РФ/. - №4925084 /09/ 028136, заяв. 3.04.91; опубл. 10.05.94, Бюл. №22.

4. Пат. 2099759 РФ, МКИ G02B 27/18. Тепловизионный способ распознавания формы объекта и устройство для его осуществления / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, М.И. Ананич, С.Г. Смагин /РФ/. - №93037825/09; заяв 23.07.93; опубл. 20.12.97, Бюл. № 35.

5. Пат. 2141735 РФ, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознования формы объектов / В.М. Тымкул, О.В. Тымкул, Л.В. Тымкул, М.И. Ананич /РФ/. - №95111870; заяв 11.02.95; опубл. 20.11.99, Бюл. №32.

6. Тымкул, В.М. Тепловизионная система с автоматизированным управлением поляризационной насадкой / В.М. Тымкул // III Междунар. конф. «Измерение, контроль и автоматизация производственных процессов» (ИКАПП-94). Т.1, 4.2.: Тез. докл.- Барнаул, 1994. - С. 13.

© В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Ю.А. Фесько, 2010