Обзор решения прикладных задач с помощью систем технического зрения

Семин М. С.

• Применение СТЗ в промышленном производстве (на примере медицинской промышленности) (Разработка ЗАО "НПК ВИДЕОСКАН")
• СТЗ в термовизионных и термоизмерительных технологиях (Разработка НПП "ТЕРМОТЕХ")
• Рентгено-дефектоскопия (Разработчик РНЦ "Курчатовский институт")
• Регистратор гамма-изображений (Разработчик РНЦ "Курчатовский институт")
• Визуализация гидроаэродинамические потоков (Разработка аэродинамической лаборатории ЦНИИ им. Акад. А. Н. Крылова)
• Анализ геологических микро- и макрообъектов (Разработка ООО "НВП Центр-ЭСТАгео")
• Снаряд-дефектоскоп для контроля внутренних поверхностей дымовых и вентиляционных труб промышленных предприятий (Разработка ЦИЭКС МЧС РФ)
• Автоматическое выделение и считывание штриховых кодов (Разработка ИИТ и )
• Автоматическое выделение и фильтрация следа частиц (Разработка ИИТ и ИВТ РАН)
• Бесконтактное измерение объема круглых лесоматериалов (Разработка ИИТ и Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН)
• Компьютерный комплекс ранней диагностики остеопороза (Разработка ИИТ и рентгенцентр ВВС РФ)
• Автоматическое выделение человеческого лица и слежение за его чертами (Разработка ИИТ и )
• Обнаружение препятствий на дороге перед движущимся транспортным средством (Разработка ГосНИИАС и НЦ "Модуль")
• Настольный криминалистический комплекс ГЕНЕТИКА-02 (Разработка НИИИН МНПО "СПЕКТР")
• Неохлаждаемые малогабаритные тепловизоры на пироэлектрической и микроболометрической матрицах "ТН-4604 МП" и "ТН-4604 МБ" (Разработка НИИИН МНПО "СПЕКТР")
• Многоканальная регистрация сверхбыстрых процессов (Разработка ЗАО "НПК ВИДЕОСКАН")

1. Применение СТЗ в промышленном производстве (на примере медицинской промышленности) (Разработка ЗАО "НПК ВИДЕОСКАН")

Для профилактики и лечения приступов у больных бронхиальной астмой компания "Пульмомед" создала препарат пролонгированного действия "Сальтос", важнейшей особенностью которого является его дозированное выделение. Для этого в нерастворимой оболочке каждой таблетки лазерным лучом прожигается отверстие строго определенного размера. Так как любое отклонение от заданного параметра может стать роковым для пациента, компания "Пульмомед" приняла решение об обеспечении стопроцентного полностью автоматизированного контроля размера отверстий в оболочках производимых таблеток путем применения средств СТЗ.

Несмотря на то что средняя яркость изображения в площади отверстий почти не отличается от средних значений яркости в остальных частях изображения (см. Рис. 1) в "НПК ВИДЕОСКАН" были разработаны алгоритмы, решающие задачи выделения области поверхности таблетки, содержащей отверстие, и определения площади отверстия в темпе работы производственной линии - до 2 таблеток в секунду. Примеры работы этого алгоритма приведены на Рис. 2.

Рис. 2 Примеры выделения площадей отверстий.

Результаты измерения площадей отверстий используются в промышленной линии для регулирования мощности излучения лазерной установки и отбраковки продукции.

Для получения температурных полей различных объектов, имеющих температуру 700°С и выше, разработан программно-аппаратный комплекс , выполняющий такие основные функции:

• расчет температуры, коэффициента излучения, интегральной плотности потока излучения в каждой видимой точке объекта;
• представление температурной картины объекта в режиме реального времени по следующим параметрам: коэффициент излучения объекта, пропускание среды, отражение зеркала, температура окружающих объектов;
• сигнал о выходе температуры за заданные границы в указанных участках термоизображения;
• запись серий кадров на диск с возможностью последующего воспроизведения и обработки.

• цветная термограмма (несколько палитр, динамические границы палитры);
• профили распределения в заданных точках вдоль указанных направлений;
• распределение температуры в выбранных точках по времени;
• изотермы;
• статистика по выбранному региону (максимум, минимум, среднее, среднеквадратичное. отклонение и т. п.);
• гистограмма значений в регионе.

Отделом разработки детектирующих систем создан и внедрен в производство рентгенодиагностический комплекс контроля сварных швов и толщины стенок стальных труб. Применение цифровой рентгеновской телевизионной системы позволяет осуществлять контроль шва длиной около 4 метров всего за 8 минут и контроль толщины стенки труб со скоростью до 3 м/мин. По традиционной технологии пленочной радиографии на эти процессы уходит несколько часов.

Этот прибор предназначен для получения гамма-изображений (изображений в гамма-лучах), по которым можно с безопасного расстояния обнаруживать радиоактивные источники и определять распределения радиоактивности.

Прибор (Рис. 4) состоит из коллиматора, формирующего изображение; сцинтиллятора, излучающего свет при поглощении гамма-квантов; усилителя света на основе МКП и цифровой ПЗС камеры. Кадры дефектных областей могут сохраняются для последующего анализа.

Рис.4 Схема прибора для получения гамма-изображений

Рис. 5 а) Изображение гамма-источника Am-241, полученного с расстояния 5 м за 100 секунд.
Источник дает увеличение мощности дозы порядка величины естественного фона в месте наблюдения.

Рис. 5 б) Наложение распределения интенсивности в гамма-источнике (синяя палитра)
на видеоизображение загрязненного объекта.

Рис. 6 Другой способ представления результатов измерения распределения
радиоактивности - радиоактивное пятно на полу помещения.
Справа распределения радиоактивности в пятне, слева наложение полученного распределения
(в виде изолиний одинаковой интенсивности) на видеоизображение помещения.

5. Визуализация гидроаэродинамические потоков (Разработка аэродинамической лаборатории ЦНИИ им. Акад. А. Н. Крылова)

Благодаря своей наглядности и высокой информативности визуализация потоков в гидроаэродинамическом эксперименте находит все большее применение, что позволяет оперативно и качественно решать вопросы совершенствования судовых конструкций, получать достоверную информацию о сложных процессах происходящих в гидроаэродинамических потоках.

Комплекс установок стенда визуализации гидродинамических течений включает: гидродинамическую трубу с прозрачным рабочим участком (поперечное сечение - 15 х 15 см, длина - 60 см); набор макетов смесительных камер и технологических устройств водопроводных станций; набор макетов судовых помещений с прозрачными стенками для гидравлического моделирования конвективных течений на начальной стадии пожара и процессов вентиляции в масштабе 1:10.

Стенд визуализации гидродинамических течений оборудован современной регистрирующей кино-, фото-, видеоаппаратурой, позволяющей производить регистрацию и последующую обработку изображений с высокой точностью. В состав аппаратуры входят: оптический прибор ИАБ-451, кино- и фотокамеры формата 35 и 60 мм и видеокомплекс. На стенде проводятся фундаментальные и прикладные исследования, направленные на решение практических задач совершенствования судовых конструкций.

Основные направления фундаментальных исследований:

• отрывные течения и вихреобразование в пограничном слое;
• пространственные отрывные течения;
• взаимодействие струи со сносящим потоком;
• вихреобразование в нестационарном потоке;
• развитие конвективных потоков в ограниченном пространстве.

• снижение задымляемости транспортных судов;
• вихреобразование на выступающих элементах корпуса подводного судна, причины неоднородности потока в диске гребного винта;
• влияние режимов работы гребного винта, углов атаки и дрейфа подводного судна на структуру обтекания кормовой оконечности;
• вихреобразование над полетной палубой авианосца при качке;
• вихреобразование на решетках теплообменных аппаратов;
• исследования конвективных потоков на начальных стадиях пожара в судовых помещениях с целью оптимизации мест установки датчиков пожарной сигнализации.

Рис. 7 Фундаментальные исследования (поток направлен справа налево)
Взаимодействие потока с парой вращающихся цилиндров: в) направление вращения цилиндров совпадает,
г) цилиндры вращаются в противоположных направлениях, создавая струю, идущую поперек потока.

Рис. 8 Прикладные исследования:а, б - задымляемость ходового мостика транспортного судна при низкой трубе;
в, г - стадии вихреобразования над полетной палубой авианосца при качке.

В настоящее время на многих российских горнодобывающих предприятиях обеспеченность разведанными запасами сырья достигла критически низкого уровня, а стратегический резерв многих видов ресурсов на действующих месторождениях является малонадежным. В связи с этим необходимо обеспечить максимальную достоверность оценки запасов и качества минерального сырья, которая в значительной степени зависит от полноты изучения вещественного состава и точности определения его технологически значимых параметров: минерального и химического состава сырья, текстурно-структурных и морфометрических характеристик, физических, физико-химических и поверхностных свойств минералов.

Для решения этой задачи разработана методика количественной оценки минерального состава стандартных геологических препаратов (шлифов, аншлифов, полировок и т. д.) и аппаратно-программная система "Видео-Мастер". Разработчик имеет авторские права на программу этой системы и на способ оперативной технологической оценки. Сам комплекс занесен в Госреестр РФ как измерительное средство №20446-00. Методика количественного анализа в системе "Видео-Мастер" показана на примере исследования шлифа из рудной зоны Ковдорского комплексного железорудного месторождения (рис. 9).

а) исходное изображение преперата, содержащего магнетитовые, апатитовые и кальцитовые минеральные выделения;

Дополнительная оценка морфометрических параметров (площадь, изрезанность границ и др.) выделяемых объектов еще более детализирует их образы, уменьшая тем самым погрешности распознавания. В первую очередь по яркостным признакам осуществляется выделение "фоновых" участков изображения основы (рис. 10 а). Минеральные агрегаты магнетита в данном образце выделяются также по значению их яркости, так как их модальное значение яркости существенно отличается от соответствующих модальных значений всех остальных компонентов образца (Рис. 10б)

К завершению анализа остаются не выделенными только минеральные агрегаты кальцита (рис. 11б). Для данного вида образцов - это последний тип выделяемых объектов, поэтому их выделение может быть осуществлено в два этапа:

• выделение всех объектов, имеющих набор дискриминантных признаков, общих для кальцита и апатита;
• удаление всех объектов, местоположение которых на изображении совпадает с местоположением уже выделенных минеральных агрегатов апатита.

Задача контроля состояния дымовых труб без их предварительного расхолаживания весьма актуальна особенно там, где используются непрерывные технологические процессы. Для обследования состояния футеровки внутренней поверхности дымовых труб разработчиком создан снаряд-дефектоскоп (Рис. 12).

Конструкция этого снаряда с установленными кольцевыми аэродинамическими стабилизаторами обеспечивает его устойчивое положение при спуске / подъеме и совместно с комплексом вспомогательных подъемно-транспортных механизмов позволяет проводить работы без остановки или частичном расхолаживании трубы до температуры 200°С. В нижней части корпуса установлен блок регистрации изображений (разработка "НПК ВИДЕОСКАН"), включающий 12 установленных по кольцу телевизионных камер и бортовой вычислительный комплекс, обеспечивающий: при спуске снаряда-дефектоскопа - получение серии кольцевых изображений внутренней поверхности трубы и запись их на HDD, а после извлечения снаряда-дефектоскопа из трубы - считывание полученных данных через стандартный канал связи во внешний компьютер для анализа и архивации.

На рисунках Рис13-14 представлены фрагменты изображений внутренней стенки дымовой трубы вблизи устья. Хорошо видны трещины и другие дефекты, образовавшиеся при эксплуатации трубы.

8. Автоматическое выделение и считывание штриховых кодов (Разработка ИИТ и )

Устройство предназначено для использования в автоматизированных системах складского контроля, а также для автоматической сортировки и регистрации товаров, посылок и т. п. Изображение объекта с нанесенным штриховым кодом регистрируется видеокамерой и вводится в персональный компьютер. В ходе анализа полученного цифрового изображения имеющиеся штриховые коды обнаруживаются и считываются. При этом обнаруживаются и считываются все штриховые коды в поле зрения камеры, независимо от их размера, положения, ориентации и геометрических свойств поверхности, на которую они нанесены; допускается частичное загрязнение и затирание штриховых кодов, а также целлофановое покрытие объекта поверх кодов; штриховые коды распознаются на любом сложном структурированном фоне.

Система позволяет автоматизировать процесс обработки и анализа 12-битных цифровых изображений следа частиц, полученных скоростной фотосъемкой, и обеспечивает надежное выделение следа частиц с субпиксельной точностью, а также их фильтрацию согласно требуемым параметрам (длина следа частицы, максимальная интенсивность по длине следа, поперечный размер следа частицы с учетом угла следа, угол наклона следа частицы относительно границ изображения).

Аппаратно-программный комплекс предназначен для проведения дистанционных измерений параметров пачки древесины на основе стереометрической съемки. Комплекс позволяет проводить в автоматическом режиме: выделение всех срезов стволов в пачке, расчет их площадей, поиск границ пачки древесины, расчет ее площади.

Комплекс предназначен для анализа медицинских рентгеновских изображений. Выполняется ряд специальных процедур структурного анализа рентгеновских изображений кости, включая прослеживание трабекулярных линий, выделение концевых и узловых точек, а также сбор различного рода статистической информации о длине, толщине и направлениях трабекул.

Решается задача автоматического обнаружения лица и его характерных крупных элементов (глаз, рта, бровей, носа), а также слежения за этими объектами и их последующего отображения в масштабе реального времени на персональном компьютере типа IBM PC. В качестве устройства ввода используется web-камера, обеспечивающая входной поток данных в формате RGB (24 bit) со скоростью не менее 10 кадров в секунду. Размер входных изображений: 320х240 пикселов. Лицо пользователя расположено анфас к камере и не закрыто никакими другими объектами. Допускаются повороты и наклоны лица в пределах 10 градусов. Освещенность обычная офисная. Результаты выделения границ бровей, носа и рта аппроксимируются сплайнами по нескольким характерным точкам. Результаты обнаружения глаз характеризуются флагом "глаз открыт/закрыт", а также центрами и радиусами соответствующих окружностей (Рис. 19).

Поверх исходных изображений показана выделенная информация о лице и его чертах, представленная в виде векторных графических элементов для передачи по сетям или дальнейшей визуализации виртуальных персонажей средствами машинной графики в реальном времени.

Комплекс предназначен для углубленной проверки документов, банкнот, ценных бумаг и т. п.

а	б
в	г

Основные функции комплекса:

• контроль качества бумаги, типографского и рукописного оформления - водяных знаков, люминесцирующих волокон, защитных меток люминесцентных, метамерных и других красителей - листов различного, в том числе крупного, формата;
• выявление подтирок, подчисток, подделок текста, печатей, следов клея и давления пишущих инструментов;
• обнаружение следов воздействия вытравливающих составов с визуализацией уничтоженных деталей;
• визуализация залитых красителями деталей оформления и деталей на обороте листа и следующем листе.

Основные области их применения:

• обеспечение техногенной безопасности:
• тепловизионная диагностика энергонасыщенных объектов, зданий, сооружений и транспортных средств;
• поиск утечек и разрывов на нефтепроводах и теплотрассах, а также с воздуха - скрытых очагов пожаров и подземного возгорания торфяников;
• выявление пожаро- и взрывоопасных мест перегрева на силовом электрооборудовании и т. п.;
• поисково-досмотровые мероприятия:
• поиск, обнаружение и скрытое наблюдение за передвижением и действиями удаленных объектов;
• поиск с воздуха людей в открытом море, горах, пустынях и других труднодоступных местах;
• эффективное мобильное средство для круглосуточной наружной охраны зданий, сооружений и протяженных объектов;
• выявление скрытых аномалий (пустот, инородных включений);

Рис. 23 Остаточный нагрев (на совсем остывшие участки) и отражение
от сухого асфальта ступиц колес и глушителя через 20 минут после остановки автомобиля (дельта Т=5°C)

Решение задачи показано на примере регистрации изображений рикошета пули при стрельбе из автомата Калашникова под острым углом к поверхности воды:

Третья фаза: пуля выходит из воды.

Применение систем регистрации сверхбыстрых процессов актуально в различных областях науки и техники.