System wizyjny do pomiarów długości na badanym obiekcie

System wizyjny do pomiarów długości na badanym obiekcie

Pomiary Automatyka Robotyka 10/2005
System wizyjny do pomiarów
długości na badanym obiekcie
Stanisław Bocian *
W artykule przedstawiono wizyjny system do pomiarów liniowych wymiarów geometrycznych na badanym obiekcie i opisano program r.20. Zobrazowano pomiary
realizowane przez system wizyjny oraz pomiary realizowane przez kamery oddalone
1 - 5 m od badanego obiektu.
omiary realizowano z wykorzystaniem wzorca
długości:
dwa promienie laserowe oddalone od siebie o 50
mm, oświetlające obiekt badany
dwa zmierzone punkt y na obiekcie badanym
oddalone od siebie 10 – 1000 mm.
Obecnie układ pomiarowy umożliwia równoczesną
rejestrację obrazu z czterech kamer (cztery pomiary
długości) z dowolnie zaprogramowaną częstotliwością
przełączania w zakresie 1 – 60 s. Przedstawiony system
wizyjny w stosunku do obecnie stosowanej technologii
pomiarów umożliwia:
pomiar długości na badanym obiekcie oddalonym
do 20 m od kamery pomiarowej
pomiar długości w trudno dostępnych warunkach
przy dobrej widoczności obiektu badanego
rejestrowanie obrazów i wyników pomiarów, a następnie wielokrotne ich odtwarzanie i analizowanie
zaprogramowanie wzorca długości w zakresie 10
– 1000 mm, co umożliwia dokonywanie pomiarów
małych i dużych obiektów z bardzo dużą rozdzielczością i dokładnością
równoczesną rejestrację wielu długości na obiekcie
badanym z wykorzystaniem układu przełączającego
(multipleksera) w zależności od liczby zastosowanych kamer.
Kamera i opis programu obsługującego
system wizyjny
Fot. 1 przedstawia ogólny widok kamery wraz z obiektywem i osłoną chroniącą układ optyczny przed zabrudzeniem.
Najważniejsze parametry kamery:
sensor: 1/2” CCD (element ze sprzężeniem ładunkowym)
* dr inż. Stanisław Bocian – Instytut Pojazdów
Szynowych „TABOR”
Fot. 1. Widok kamery
rozdzielczość: 741 (H) x 582 (V) pikseli
wibracje: 10g (10 – 200 Hz).
Pozostałe parametry kamery przedstawiono w opracowaniu [1, 3].
Obsługa systemu wizyjnego [1] polega na:
uaktywnieniu programu
wybraniu rodzaju kamery (cyfrowej lub analogowej)
wybraniu 1 do 8 kamer w zależności od stanu posiadania lub realizowanych pomiarów
wybraniu konfiguracji systemu (długości wzorca,
częstotliwości przełączania kamer)
odczytaniu wyników pomiarów.
W artykule przedstawiono tylko zasadnicze obrazy
pokazujące pomiary i dobór podstawowych parametrów systemu wizyjnego do obsługi kamer.
Podstawowe parametry systemu
wizyjnego
W zrealizowanym programie r.20 do obsługi systemu
wizyjnego najistotniejsze parametry decydujące o rodzaju pracy to Standart Patern i Mode Auto.
Standard Patern – określa rodzaj wzorca użytego
do kalibracji. TWO POINTS oznacza 2 punkty z oświetlacza laserowego. HANDLE WITCH oznacza miejsca
lub zaznaczone punkty na obiekcie badanym o określonych wymiarach, które mogą być wzorcem długości.
PATERN SIZE oznacza długość wzorca 10 – 1000 mm.
Mode Auto – parametr INTERFRAME TIME oznacza czas pomiędzy kolejnymi obrazami w sekundach
(1 – 60). Jeżeli zostanie wybrana opcja STORING BMP
FILES, to każdy obraz będzie zapisany na dysku w formacie BMP łącznie z plikami informacyjnymi (TXT).
5
Pomiary Automatyka Robotyka 10/2005
Ustawienie stref pomiarowych
i wykonanie pomiaru
Dla uzyskania poszczególnych obrazów ustawia się odpowiednie strefy pomiarowe i wykonuje pomiar odległości między punktami na badanym obiekcie. Na monitorze komputera pokazuje się obraz jak na fot. 2.
(fot. 2) (na pasku Size Control – Cam #1). Na fot. 2 pokazano przykładowy obraz (wysokość kartonu), a wynik
pomiaru przedstawiono w tabeli 1 (lp.1).
Strefy pomiarowe czerwone pokazują odległość pomiędzy dwoma promieniami laserowymi wzorca (w pikselach i mm), a strefy pomiarowe zielone – pomiary geometryczne na badanym obiekcie.
Pomiary realizowane przez kamerę
w odległości około 5 m od obiektu
Wzorzec długości to dwa lasery w odległości 50 mm. Ze
względu na brak współbieżności na obiekcie badanym
uzyskuje się promienie świetlne oddalone od siebie
o 57 mm. Tę długość zapisuje się w programie r.20. Fot.
3 przedstawia przykładowe zdjęcie, a wyniki pomiarów
są zamieszczone w tabeli 2 (lp. 5). Widać, że w miarę
Tabela 2. Wyniki pomiarów z odległości 5 m
Lp.
Pomiary
na obiekcie
badanym
(mm)
Pomiary obrazu
z kamery na monitorze komputera (mm)
Wzorzec
długości
(mm)
Fot. 2. Obraz z pomiaru 1
1.
297
296,40
57
Strefy pomiarowe są przedstawione jako prostokąty
umieszczone na obrazie. Strefy można przesuwać oraz
zmieniać ich wymiary. Kolorem czerwonym są oznaczane strefy pomiarowe wzorca. Dwa widoczne jasne
punkty w czerwonych strefach pomiarowych to punkty
świetlne lasera. Zielone strefy pomiarowe to strefy
umożliwiające pomiar długości na obiekcie badanym
(odległość pomiędzy dwoma zielonymi liniami znajdującymi się pośrodku zielonych stref pomiarowych).
W szczególnych przypadkach można tak zmniejszać
strefy pomiarowe, aby uzyskać jedną linię prostą. Strefy
pomiarowej żółtej w pomiarach nie wykorzystuje się
(można ustawić jedną linię prostą). Pliki z obrazami
z obiektu zapisuje się i przesyła na dysk komputera.
2.
297
296,40
57
3.
297
304,75
184
Pomiary realizowane przez kamerę
w odległości około 1 m od obiektu
Ze względu na brak współbieżności promieni laserowych na badanym obiekcie oddalonym około 1 m od
kamery uzyskuje się promienie świetlne lasera na badanym obiekcie oddalone od siebie o 52 mm. Tę długość
zapisuje się w programie r.20. Wyniki prób zostały przedstawione w tabeli 1 i na zdjęciu z monitora komputera
4.
297
298
184
5.
1970
1977,90
57
6.
1970
1972,25
184
7.
1210
1222,71
184
8.
782
780
184
zwiększania się odległości pomiędzy kamerami i badanym obiektem rozdzielczość laserowego wzorca długości jest coraz mniejsza, co pogarsza wyniki pomiarów.
Dlatego na szafie (fot. 3) przyklejono krzyżującą się pod
kątem prostym parę pasków papieru oddalonych od
siebie o 184 mm. Jako wzorce długości użyto dwie wymienione metody. Wyniki prób są podane w tabeli 2.
Jako obiekty, na powierzchniach których dokonano pomiarów długości, wykorzystano szafę oraz przyklejone
na jej powierzchni kartki papieru formatu A4.
Tabela 1. Wyniki pomiarów z odległości 1 m
6
Lp.
Pomiary
na obiekcie
badanym
(mm)
Pomiary obrazu
z kamery na monitorze komputera (mm)
Wzorzec
długości
(mm)
1.
52
52
52
2.
176
176,16
52
3.
353
356,57
52
4.
425
425,55
52
Fot. 3. Obraz z pomiaru 5
Pomiary Automatyka Robotyka 10/2005
Na fot. 3 wzorcem długości są promienie laserowe,
a w strefie pomiarowej mierzy się wysokość kartki papieru formatu A4.
Pomiary realizowane przez kamery
ustawione nieprostopadle do obiektu
Obiekt (otwarty karton) został ustawiony pod kątem na
stole. Pomiary realizowane na tym obiekcie będą przeprowadzone prawidłowo, gdy wykona się przed pomiarami odpowiednie skalowanie i obliczenie. Odległość
między promieniami laserowego wzorca wynosi 50
mm. Dla tej długości wzorca mierzy się elektronicznie
(zielone strefy pomiarowe) wysokość kartonu. Wynosi
ona (jak pokazano na fot. 4) 168,26 mm. Rzeczywista
wysokość kartonu wynosi 246 mm.
uzyskanie odpowiedniego kontrastu między punktami pomiarowymi na badanym obiekcie a samym
obiektem.
W tabelach 1 i 2 pokazano wyniki pomiarów odległości między punktami na badanym obiekcie. Błąd
pomiaru (z wyjątkiem lp. 3 w tabeli 1 i lp. 3 w tabeli 2)
wynosi mniej niż 1 %.
Badania przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych bez dodatkowego oświetlenia. Widać stąd,
że zmieniające się warunki zewnętrzne oświetlenia
mają istotny wpływ na pomiar. Do bardzo dokładnych
pomiarów badany obiekt powinien być oddalony od
kamery około 1 m i dodatkowo oświetlony (światło halogenowe). Wtedy jest możliwy pomiar odległości na
badanym obiekcie z dokładnością do 0,01 mm i błędem
nieprzekraczającym 0,1 %.
Bibliografia
1. Pomiarowy system wizyjny wymiarów geometrycznych – liniowy bezpośredni, Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, OR – 8794, styczeń 2005.
2. Analiza możliwości stosowania metod badawczych
i pomiarowych z wykorzystaniem kamer w badaniach pojazdu szynowego, Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, OR – 8663, marzec 2004.
3. CCD Camera REM 20, remix Video Technologien
GmbH.
REKLAMA
Fot. 4. Obraz z pomiarów obiektu ustanowionego nieprostopadle
do kamery z wykorzystaniem wzorca laserowego
Wykonując dzielenie 246/168 oraz mnożąc ten wynik
przez rzeczywistą długość wzorca wynoszącą 50 mm,
uzyskuje się nową długość wzorca – 72 mm. Tę wartość zapisuje się w pamięci komputera i teraz można
wykonywać pomiary długości na badanym obiekcie
(dowolne długości na powierzchni obiektu, na którym
znajduje się wzorzec długości).
Wnioski
W pracy [2] dokonano analizy możliwości stosowania
metod badawczych i pomiarowych z wykorzystaniem
kamer w badaniach pojazdu szynowego. Opisany system może być stosowany do:
określenia stopnia zużycia tarcz i okładzin hamulca
tarczowego
obserwacji zawieszenia pojazdu szynowego
pomiaru strzałki ugięcia ostoi wagonu podczas badań
wytrzymałości statycznej
analizy procesu przełomu zmęczeniowego materiału
(ramy wózka podczas prób zmęczeniowych)
obserwacji zjawisk dynamicznych podczas ruchu
pojazdu szynowego.
System pomiarowy może mierzyć odległość z dokładnością do 0,01 mm, lecz wtedy muszą być spełnione
odpowiednie warunki:
dobre oświetlenie badanego obiektu
7