Введение к работе
з
Актуальность работы. Измерение деформации различных объектов является одной из наиболее часто встречающихся задач в современной науке и технике. Такие задачи возникают в строительстве, авиастроении, машиностроении и других отраслях.
В настоящее время в авиастроении и авиации существует проблема проведения полетных испытаний. Данные испытания позволяют существенно сократить время, уходящее на тестирование, как новых экспериментальных моделей, так и только что произведенных серийных образцов летательных аппаратов.
Полетные испытания накладывают множество ограничений на методы и оборудование, которые можно использовать на летательных аппаратах. Использование лазерных источников запрещено по технике безопасности, возможности расположения датчиков вне планера сильно ограничены, использование сложных оптических систем осложнено сильными вибрациями во время полета, расположение оборудования ограничивается конструктивными особенностями летательного аппарата.
Поэтому для проведения полетных испытаний требуется разработка новых методов и методик для измерений различных физических величин удовлетворяющих всем условиям полетных испытаний. Одной из наиболее важных величин является деформация (изменение положения и смещения) различных аэродинамических поверхностей летательных аппаратов (крыльев, элеронов, рулей высоты, лопастей и др.).
Существует большое количество различных, как оптических, так и не оптических методов диагностики деформации: контактная и фазовая профилометрия, тензодатчики, поляризационно-оптические методы, интерферометрические методы и др. Но для полетных испытаний из-за ограничений, перечисленных выше, данные методы не подходят.
Метод корреляции фоновых изображений (МКФИ) - оптический метод измерения смещений различных поверхностей, основанный на применении современных средств компьютерной обработки цифровых изображений. Суть
метода состоит в получении с помощью камер изображений специального рисунка - фонового экрана, который наносится на исследуемую поверхность. Изображения фонового экрана называют картинами метода корреляции фоновых изображений. При воздействии на поверхность фоновый экран подвергается смещению вместе с ней. Таким образом, изображения фонового экрана при различных состояниях поверхности будут различаться. Современные алгоритмы кросскорреляционной обработки позволяют получить информацию о произошедших с поверхностью смещениях.
Основными достоинствами данного метода является простота экспериментальной установки, возможность получить поле смещений крупномасштабной поверхности, а также возможность проводить исследования на натурных объектах, т.е. в полетных испытаниях.
Данный метод достаточно новый и его тщательное изучение не проводилось, поэтому становится актуальным проведение разработки данного метода для анализа смещений крупномасштабных поверхностей.
Цель работы. Разработка и исследование метода корреляции фоновых изображений для анализа смещений крупномасштабных поверхностей. Решение данной задачи потребовало:
провести анализ контактных и бесконтактных методов измерения деформаций поверхности;
разработать теоретические основы метода, а также алгоритм моделирования картин метода корреляции фоновых изображений;
провести моделирование картин метода корреляции фоновых изображений для различных видов смещений;
по разработанной теории и результатам моделирования произвести компьютерный подбор параметров экспериментальной установки;
с учетом подобранных параметров разработать экспериментальную установку для проведения лабораторных исследований по применению метода корреляции фоновых изображений для получения численных результатов и картин визуализации;
разработать алгоритм обработки картин метода корреляции фоновых изображений с учетом перспективной проекции и конечной величины глубины резкости изображаемого пространства и реализовать его в виде программного обеспечения;
разработать алгоритм проведения калибровки для измерения 3D смещений, а также алгоритм автоматизации определения прямолинейных структур на изображениях и реализовать их в виде программного обеспечения;
разработать экспериментальную установку для проведения лабораторных исследований по применению метода корреляции фоновых изображений для анализа 3D смещений;
провести лабораторные исследования по применению метода корреляции фоновых изображений для измерения смещений.
Научная новизна работы:
-
Разработана теория метода корреляции фоновых изображений и получена аппаратная функция системы.
-
Разработаны алгоритмы и программная реализация компьютерного моделирования картин метода корреляции фоновых изображений для различных типов смещений поверхности.
-
Реализован алгоритм расчета калибровочных матриц, а также алгоритм автоматизации проведения калибровки на основе преобразования Хафа.
-
Создан программно-аппаратный комплекс измерения смещений поверхности в реальном масштабе времени на основе метода корреляции фоновых изображений.
Практическая ценность работы. Разработанные методы и алгоритмы обработки картин метода корреляции фоновых изображений применимы для построения оптоэлектронных комплексов определения смещения различных поверхностей, позволяющих проводить измерения в лабораторных и натурных экспериментах, в режиме реального времени.
Разработанное специализированное программное обеспечение позволяет проводить калибровку цифровых видеокамер для последующего проведения экспериментов по измерению 3D смещений.
Личный вклад автора. Автором была получена аппаратная функция МКФИ системы, разработаны алгоритмы моделирования и обработки картин МКФИ, калибровки нескольких камер по получаемым изображениям, нахождения прямых для последующей автоматизации проведения калибровки. Разработанные алгоритмы были реализованы автором в виде программного обеспечения для персонального компьютера. Совместно с сотрудниками кафедры физики им. В.А. Фабриканта были проведены экспериментальные исследования.
Внедрение. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (госконтракт № П1936 от 29.10.2009 г. и госконтракт № 02.740.11.0449 от 30.09.2009), международных проектов Евросоюза (6-ая и 7-ая рамочные программы), проект АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.2.2.2/10404). Результаты работы были использованы при создании программного средства учебного назначения для лабораторной работы по курсу «Автоматизация оптического эксперимента» для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и микроэлектроника».
Достоверность полученных результатов:
Тестирование программного обеспечения для обработки картин метода корреляции фоновых изображений проводилось путем сравнения результатов с результатами программного обеспечения, широко использующегося для кросскорреляционной обработки изображений. Оно показало совпадение результатов в пределах допустимой погрешности машинных вычислений.
Результаты процедуры калибровки по изображениям мишени при обратном расчете трехмерных координат точки по стереопаре показали погрешность не превышающую 6%.
Сравнение результатов, получаемых при обработке экспериментальных картин метода корреляции фоновых изображений, с контрольными значениями
измеряемых величин показало совпадение результатов с погрешностью не превышающей 3%. Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2008 по 2011 г.г.:
14, 15, 17 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ), 2008-2011 г.г.
4-rd International conference on Laser Optics for Young Scientists; St. Petersburg, 2008 r.
X, XI Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков»; Москва, 2009, 2011 г.г.
52-ая научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», Долгопрудный, 2009 г.
20-ая Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация», Санкт-Петербург, 2010 г.
III Международная научно-техническая конференция Авиадвигатели XXI века, Москва, 2010 г.
Научная сессия НИЯУ МИФИ - 2011. Научно-техническая конференция -семинар по фотонике и информационной оптике, Москва, 2011 г.
XIX Международная Конференция Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии, Новороссийск, 2011 г.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 1 статья - в реферируемом журнале, без соавторов - 4 работы, а также в 4 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, включая 85 рисунков, 9 таблиц, 48 наименований списка литературы.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанные теория метода корреляции фоновых изображений и алгоритм моделирования получаемых картин позволяют выполнить компьютерный подбор параметров экспериментальной установки для измерения смещений заданного типа с вертикальной амплитудой смещений от 0,5 мм до 100 мм на площади поверхности от 90 см до 350 см при углах наблюдения от 90 до 20 с относительной погрешностью не более 3%.
-
Использование кросскорреляционной обработки для фоновых изображений позволяют определять смещения в реальном масштабе времени.
-
Калибровка программно-аппаратного комплекса с использованием преобразований Хафа позволяет автоматически определять прямолинейные структуры на изображениях.
-
Использование калибровочных матриц стереосистемы и двухмерных полей смещений позволяют получить поле трехмерных смещений и восстановить 3D профиль исследуемой поверхности.
