pomocí fotogrammetrie a analýzy obrazů Aneta Zatočilová Vedoucí práce: doc. Ing. Jan Brandejs, CSc. Školitel specialista: Ing. David Paloušek, Ph.D. Spolupráce na vývoji softwaru a konzultace: Ing. Radek Poliščuk, Ph.D.
Obsah OBSAH: Úvod Přehled literatury Cíle práce, název práce Současný stav řešení Zhodnocení Plánovaná práce Photogrammetry is the art, science, and technology of obtaining reliable information about physical objects and the environment through the process of recording, measuring, and interpreting photographic images and patterns of electromagnetic radiant energy and other phenomena. ASPRS 1980 1/19
Úvod Výzkumný záměr vyplývá z reálných problémů s měřením výkovků za vysoké teploty v těžkém průmyslu (např. Žďas a.s.) Výsledný produkt Otevřené kování Kontrolní měření Rovnání tříbodovým hydraulickým lisem Reálné podmínky: Těžký průmysl Délka výkovků 20 m, průměr až 0.6 m Vysoké teploty až (1300 C) Drsný povrch výkovku (okuje) Požadavky na přesnost měření ±5 mm 2/19
Úvod Měření výkovků s vysokou teplotou V současné době kontaktní měření pomocí mechanických měrek Neúplná, nepřesná data nebezpečné, nízká flexibilita, pomalé Běžné bezdotykové měřicí metody nejsou aplikovatelné Hlavní problémy při měření objektů s vysokou teplotou optickými metodami: Detekce IR paprsků emitovaných objektem Nedostatečný kontrast při použití metod založených na proužkové projekci Tepelná turbulence v okolí měřeného objektu Nebezpeční tepelné dilatace komponent měřicího systému 3/19
Přehled literatury Přístupy založené na bezkontaktním optickém měření: 1) Laserové skenování a vyhodnocení metodou TOF nebo metodou triangulace komerční systémy: LaCam Forge; TopScan; MEGO system Tian at. al. (2009) Dimension measurement of hot large forgings with a novel time-of-flight system LaCam Forge (2011) Ferrotron - IMEGO TECHNOLOGIES 4/ 4/19
Přehled literatury 2) Skenování s proužkovou projekcí xenonového světla Jia at al. (2009), Liu at al. (2011), Liu at al. (2012) Jia at al. (2009) An improved image acquiring method for machine vision measurement of hot formed parts Liu at al. (2011) Fast dimensional measurement method and experiment of the forgings under high temperature 5/ 5/19
Přehled literatury 3 ) Fotogrammetrie a metody zpracování obrazů Chaudhuria at al. (2003); Dworkin and Nye. (2004) ; Hu at al.(2008) Ch. Hu, B. Liu, X. Song. (2008) A novel edge detection approach used for online dimensional measurement of heavy forging S. B. Dworkin, T. J. Nye. (2004) Image processing for machine vision measurement of hot formed parts. 6/ 6/19
Přehled literatury Bezkontaktní optické měření výkovků s vysokou teplotou: Laserové skenování vyhodnocení metodou TOF nebo metodou triangulace Publikace: Tian at. al. (2009) Komerční systémy: LaCam Forge; TopScan; IMEGO system Skenování s xenonovým světlem vyhodnocení metodou triangulace Publikace: Jia at al. (2009) Liu at al. (2011) Fotogrammetrie a zpracování obrazů Publikace: Chaudhuria at al. (2003) Dworkin and Nye. (2004) Hu at al.(2008) Komplexní informace o tvaru objektu Vysoká cena komerčních systémů Rychlost měření v řádu minut Pouze částečné informace o tvaru objektu Nízká cena Vysoká rychlost měření 7/ 8/19
Název práce, cíle Nový název práce: Dílčí cíle: výroba stanice pro laboratorní měření Vývoj metodiky vyhodnocování tvarových odchylek výkovků fotogrammetrie a analýzy obrazů Metodika měření přímosti osy válcových výkovků pomocí fotogrammetrie a analýzy obrazů Cíle práce: navrhnout a otestovat metodu měření válcových výkovků s vysokou i normální teplotou metoda musí být schopna detekovat odchylky průhybu větší jak 5mm porovnání výsledků měření s jinými metodami měření tvaru objektů porovnání výsledků měření výkovků normální a vysoké teploty Literatura:? LUHMANN, Thomas, et al. Close Range Photogrammetry: Principles,techniques and applications. Dunbeath, Caithness KW6 6EG, Scotland, UK:Whittles Publishing, 2011. Fundamental methods, p. 510. ISBN 978-184995-057-2. 8/ 8/19
Navržená metoda Navržená metoda měření založená na předpokladu: Čtyři hrany výkovku detekované ve dvou vzájemně kolmých obrazových rovinách => rekonstrukce skutečné osy výkovku Základní případ dvě kamery s vzájemným úhlem 90 Základní případ: dva obrazové snímače hledání hran výkovku Paralelní konfigurace kamer možnost rozšíření zorného pole pro dlouhé výkovky 9/ 9/19
Navržená metoda Testování metody v laboratorních podmínkách: Měřené vzorky: válcové tyče o délce 0.7 m a průměru 0.45 m normální teplota Vybavení pro měření: Digitální zrcadlové fotoaparáty Canon EOS 500D Rozlišení: 15,1 Mpix - 4752 3168 pixel 2 Velikost čipu (h v): 22,3x14,9 mm 2 Měřicí stanice pro upnutí fotoaparátů s vertikálním posuvem Velikost pixelu: 4,69 4,70 μm 2 10/ 10/19
Navržená metoda Základní kroky řešení práce: Návrh metody měření Výroba měřicí stanice Kalibrace Provedení komparačních měření Vyhodnocení přímosti osy Detekce hran 11/ 12/19
Současný stav řešení Metrická kalibrace kamery Interní kalibrace nelineárních parametrů - radiální zkreslení objektivu Kalibrace lineálních parametrů - orientace kamery, střed snímku yc xc známé radiální zkreslení, úhel mezi kamerami, obrazová vzdálenost a střed snímku práce s odpovídajícími si pixely v obou snímcích 12/ 13/19
Současný stav řešení Metoda detekce hran Hledáme polohu dvou hran v předem předpokládaných místech Přepokládáme kontrastní pozadí výkovku Založená na vyhodnocování intenzity v analyzovaných vertikálních řezech - hrana je detekována v místě největšího gradientu ve vertikálním směru Využívá mediánový horizontální filtr z důvodu rezistence vůči impulznímu šumu a neizotropní povaze povrchu výkovku 13/ 14/19
Současný stav řešení Vyhodnocení dat pomocí dvou různých metod: 1) Odchylky jsou počítány vůči ose ideálně přímého válce se stejným průměrem jako měřená tyč 2) Odchylky jsou počítány vůči ose procházející středy v řezech na obou koncích měřené tyče y O C x H první metoda vhodná pro měření malého průhybu v poměru k délce poloha deformované tyče v prizmatech se při pootočení změní pouze minimálně 14/ 15/19
Současný stav řešení Vyhodnocení dat pomocí dvou různých metod: 1) Odchylky jsou počítány vůči ose ideálně přímého válce se stejným průměrem jako měřená tyč 2) Odchylky jsou počítány vůči ose procházející středy v řezech na obou koncích měřené tyče Cref C metoda odolná vůči změně polohy deformované tyče v prizmatech 15/ 16/19
Současný stav řešení Vyhodnocení přesnosti měření: 1 vzorek, 10 x pootočení v prizmatech Vyhodnocení metodou č. 2 Vyšetřované parametry: velikost maximálního průhybu d vzdálenost maximálního průhybu l od pravého konce tyče úhel θ vektoru maximálního průhybu (od osy z) Porovnání výsledků s měřením pomocí průmyslového 3D skeneru Atos III triple scan postup vyhodnocení odpovídá postupu řešení analýzou obrazu, ale ve 3D (řezy, ideální osa vedoucí koncovými řezy atd ) 16/ 17/19
Zhodnocení Zhodnocení Zjištěná odchylka v porovnání s 3D sknerem: d < ±0.3 mm, θ < ± 3, l < ±10 mm (v závislosti na hustotě řezů) Teoreticky dosažitelná přesnost při daných vstupních podmínkách ±0.2 Odpovídající odchylka d pro zorné pole dlouhé 10 m ±3,75 mm < ±5mm Metoda kalibrace vyžaduje přesné upnutí fotoaparátů, tak aby byly horizontální osy obrazových rovin rovnoběžné Metoda detekce hran vyžaduje kontrastní pozadí měřeného dílu => minimalizovat délku prizmat Zbývající práce: Zjednodušení kalibrace oddělení kalibrace radiálního zkreslení a lineárních parametrů Vylepšení softwaru (vykreslování grafů, volba hustoty řezů ) Provést kontrolu opakovatelnosti měření na vzorcích s různým průměrem Testování navržené metodiky při měření ohřátých vzorků 17/ 17/19
Publikace Publikace: ZATOČILOVÁ, A.; POLIŠČUK, R. ; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS, J. Photogrammetry based system for the measurement of cylindrical forgings axis straightness. SPIE Optical Metrology: Systems for Industrial Inspection VIII (13.-15. 5. 2013), Vol. 8788, no. 56. KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; KOUTECKÝ, T.; ZATOČILOVÁ, A.; JANDA, M.: 3D Digitalization Of The Human Body For Use In Orthotics And Prosthetics, An international Journal of Science, Engineering and Technology World Academy of Science Engineering and Technology, Vol.2012, (2012), No.72, pp.1000-1005, ISSN 2010-376X, WASET ZATOČILOVÁ, A.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; BRANDEJS J. Experimental Verification of Deformation Behavior of Towing Hitch by Optical Measurement Method. 54 th International Conference of Machine Design Departments. 10-12. October 2013. 18/ 18/19
Projekty Hlavní řešitel: 2013 FRVŠ G1 Inovace a rozvoj výuky reverzního inženýrství a 3D optické digitalizace na FSI VUT v Brně 2011 Specifický výzkum, juniorský Spoluřešitel: Aplikace metod vyhodnocování tvarových odchylek výkovků pomocí analýzy obrazu. 2013 Specifický výzkum, standardní, mezifakultní 2012 Specifický výzkum, juniorský Vizualizační jádro pro použití v umělecké tvorbě a strojírenských aplikacích Tvorba strukturované geneze artefaktu metodami optické digitalizace Participace na projektech: 2012 - NETME Centre Divize virtuálního navrhování a zkušebnictví 2012 - OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0278 2011-2012 OPVK CZ.1.07/2.4.00/12.0030 Studio digitálního sochařství a nových médií Kooperační síť pro strojní inženýrství 19/ 19/19
Děkuji za pozornost Aneta Zatočilová
Náměty k diskusi: Použití vhodných filtrů při snímání (omezení vlivu turbulence vzduchu nad horkým povrchem) Snaha získat velký kontrast mezi okolím a výkovkem a co nejostřejší hrany výkovku Problém tepelné záření v blízkém okolí výkovku provést analýzu nakolik je ovlivněná vrstva vzduchu významná 21/ 21/18
Náměty k diskusi: Použití vhodných filtrů při snímání (omezení vlivu turbulence vzduchu nad horkým povrchem) S. B. Dworkin, T. J. Nye. (2004) Image processing for machine vision measurement of hot formed parts. Doporučuje použití IR pass filtru na? monochromatické snímky IR pass filtr: zajistí kontrast mezi pozadím a výkovkem může způsobit nejasný přechod mezi pozadím a výkovkem z důvodu tepelného záření IR cut filtr (zabudovaný téměř v každé SLDR) omezí vliv tepelného záření možnost použití doplňkového barevného filtru - zpracování monochromatických snímků ve zvoleném viditelném spektru 22/ 22/18
Náměty k diskusi: Nalezení vhodné expozice, které omezí maximálně vliv turbulence Expozice: 1/13 s Expozice: 1/5 s Expozice: 1/2 s Délka výkovku 6 m Vzdálenost měření 7 m Canon EOS 500D ISO 400, Clona 8 Nutnost testovat vhodné nastavení expozice/clony, s dostatečnou hloubkou ostrosti Nesmí dojít k pod/přeexponování v žádném kanálu 23/ 23/18
Náměty k diskusi: Otestovat i jiné metody detekce hran, než je v pojednání navržená. Detekce má zásadní vliv na přesnost měření. Ch. Hu, B. Liu, X. Song. (2008) A novel edge detection approach used for online dimensional measurement of heavy forging Odlišný přístup Detektor analyzuje celý obraz Používá modifikovaný Cannyho detektor Metody detekce založené na analýze celého obrazu jsou určeny k hledání "předem nepředpokládatelných" hran v neznámé 2D scéně? 24/ 24/18