Влияние низкочастотного шума на результат измерения частоты и размаха гармонической вибрации по контрасту изображения тест-объекта

 

Зрюмов Е.А., Пронин С.П., Зрюмов П.А.

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 656038, Россия, Барнаул, пр. Ленина 46, e.zrumov@mail.ru

 

На сегодняшний день практически ни одна отрасль знаний не обходится без применения систем технического зрения. Видеокамеры используются для круглосуточного автоматизированного контроля дорожно-транспортной обстановки, распознавая номера и типы автомобилей, для наблюдения за строительными конструкциями, контролируя их форму и наклон, для инспекции качества промышленных товаров, таких как электронные платы, упаковки, продукты питания и лекарственные препараты, для обнаружения и распознавания лиц.

Динамично развивающимся направлением науки и техники является внедрение видеокамер для бесконтактного измерения и контроля размаха и частоты вибрации в таких отраслях как микроэлектроника, машиностроение, строительство, энергетика, когда доступ к объекту контроля затруднен.

Для решения этой задачи были разработаны новые метод и средство измерения параметров гармонической вибрации на основе линейного датчика видеокамеры VS-Ld-751B-2001 с изменяемой кадровой частотой fTV. На линейном датчике последовательно формируется изображение тест-объекта в виде набора парных штрихов и через период смены кадров ts передается на компьютер. После получения набора изображений на компьютере создается графический файл, у которого 2048 столбцов, количество строк равно количеству переданных изображений, причем располагаются эти изображения в графическом файле в порядке поступления на компьютер. Следовательно, в графическом файле содержится информация об изменении изображения тест-объекта во времени.

При равенстве частоты гармонической вибрации f0 кадровой частоте видеокамеры fTV наблюдается стробоскопический эффект в изображении тест-объекта.

Для регистрации стробоскопического эффекта необходимо оценить изменение сигнала в изображении тест-объекта во времени. Оценкой изменения сигнала в изображении может служить параметр D, равный дисперсии яркостей пикселей первой строки и соответствующих пикселей остальных строк сформированного файла [1]:

                                 ,                                           (1)

где n – количество строк графического файла, m – количество столбцов графического файла, Lij – значение яркости j-го пикселя в i-ой строке графического файла, Lj – среднее значение яркости j-ого пикселя по всем строкам графического файла. Так как значение яркости не имеет размерности и изменяется от 0 до 255 о.е., то и параметр D будет выражаться в о.е.

Физический смысл параметра D заключается в следующем. Если наблюдается стробоскопический эффект, то D → 0, так как строки в полученном графическом файле не отличаются друг от друга. Если стробоскопический эффект не наблюдается, то D → ∞, так как строки в полученном графическом файле отличаются.

При измерении частоты гармонической вибрации предложенным методом рассчитывается параметр D для каждой кадровой частоты fTV видеокамеры в заданном диапазоне и с заданной точностью, после этого определяется минимальное значение параметра D. Измеренное значение частоты гармонической вибрации f0 равно значению кадровой частоты видеокамеры fTV, для которого значение параметра D минимально.

Далее по изображению тест-объекта рассчитывается контраст в изображении каждой пары штрихов. Если контраст в изображении пары штрихов равен нулю, следовательно, размах вибрации равен ширине штриха этой пары [2].

Дополнительного экспериментального исследования требует изучение влияния низкочастотного шума на результат измерения частоты и размаха гармонической вибрации предложенным методом. Для этого были проведены следующие эксперименты.

На экспериментальной установке [3] генерировали гармонический сигнал, который задавал частоту вибрации тест-объекта 25 Гц и амплитуду 0,42 мм. Затем на видеокамере была установлена кадровая частота 25 Гц, при этом время экспозиции было равно периоду смены кадров видеокамеры, что соответствует появлению стробоскопического эффекта. Расстояние от объекта до видеокамеры составляло 0,3 м. После этого к гармоническому сигналу добавляли низкочастотную шумовую составляющую с частотой 24,9 Гц и различным значением амплитуды: 0,01, 0,05, 0,10, 0,021, 042 мм. При этом для каждого значения низкочастотной шумовой составляющей вычисляли среднее значение контраста в паре штрихов, где фиксировался нулевой контраст при отсутствии шума, и значение коэффициента D. На рисунке 1 представлены изображения тест-объекта для различных значений амплитуд низкочастотной шумовой составляющей, на рисунке 2 – зависимость изменения среднего значения контраста от амплитуды низкочастотной шумовой составляющей, причем радиус круга для каждого полученного значения пропорционален вычисленному значению коэффициента D.

 

               

                             а) ΔR/R = 0                              б) ΔR/R = 0,01

               

                           в) ΔR/R = 0,05                            г) ΔR/R = 0,10

               

                           д) ΔR/R = 0,21                            е) ΔR/R = 0,42

Рисунок 1 – Изображения тест-объекта для различных значений амплитуд дополнительных низкочастотных составляющих

 

 

Рисунок 2 – Зависимость изменения среднего значения контраста от амплитуды дополнительной составляющей при частоте основной составляющей 25 Гц, а дополнительной – 24,9 Гц

 

Как видно из рисунка 2 при отсутствии дополнительной составляющей, т.е. при отношении ΔR/R = 0, среднее значение контраста близко к нулю Kср = 0,051, при этом отличие строк друг от друга практически отсутствует, т.к. значение коэффициента D близко к нулю.

При появлении дополнительной составляющей с малым значением амплитуды ΔR/R = 0,01 среднее значение контраста стало даже меньше Kср = 0,043, при этом появилось незначительное отличие строк друг от друга, т.к. значение коэффициента D выросло. Снижение значения контраста связано с тем, что при появлении дополнительной составляющей контраст в наблюдаемой паре штрихов изменяется и становиться отрицательным, однако стробоскопический эффект уже не наблюдается.

В данном эксперименте минимальное среднее значение контраста наблюдается при ΔR/R = 0,05, однако стробоскопического эффекта в этом случае также не наблюдается, с дальнейшим повышением отношения ΔR/R повышается как среднее значение контраста, так и значение коэффициента D. Как видно из рисунка 1 при дальнейшем увеличении отношения ΔR/R в изображении парных штрихов возникаю биения.

Следовательно, из проведенных исследований можно сделать вывод, что при присутствии в сигнале дополнительной низкочастотной составляющей, близкой к основной частоте, с амплитудой менее 1% не оказывает значительного влияния на результат измерений, увеличение амплитуды дополнительной составляющей не позволяет фиксировать стробоскопический эффект в изображении парных штрихов и определять значение размаха по нулевому контрасту.

 

Список литературы:

1) Пронин, С. П. Теоретические основы оптических методов измерения и контроля параметров гармонической вибрации: монография / С. П. Пронин, Е. А. Зрюмов, П. А. Зрюмов; Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2011. – 73 с. ISBN 978-5-7568-0892-6.

2) Патент 2395792 Российская Федерация. Способ измерения параметров вибрации объекта / С. П. Пронин, Е. А. Зрюмов, А. В. Юденков. – Заявка №2009125845 ; опубл. 27.07.2010 ; Бюл. №6. – 5 с. : ил.

3) Пронин, С. П. Программно-аппаратный комплекс для измерения размаха и частоты гармонических вибраций / С. П. Пронин, Е. А. Зрюмов, А. В. Юденков, П. А. Зрюмов // Приборы и техника эксперимента – М . : Изд-во МАИК Наука. – 2010. – №2. – C. 151-152.