Метрология корреляционных систем технического зрения.

Общие сведения о метрологическом обеспечении.

Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения заданной точности. К слагаемым метрологии относят: общую теорию измерений, единицы физических величин и их системы, методы измерений, методы определения точности измерений, основы, эталоны и образцовые средства измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

Применительно к КСТЗ под измерением понимается операция распознавания или нахождения характеристик ОМ: длины, ширины, периметра, наличия и величины сколов и царапин и т.п. Найденное значение называют результатом измерения.

Корреляционная СТЗ является сложным устройством, получающим необходимое значение искомой величины путем косвенных измерений (по известной математической зависимости) между текущими и эталонными функциями. Измерения, производимые КСТЗ, являются совокупными, так как производится одновременное измерение одной или нескольких величин. Корреляционная СТЗ как средство измерения представляет собой либо измерительный прибор, вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем (оператором), либо измерительный преобразователь, вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем, но удобной для передачи дальнейшего его преобразования и (или) хранения. Кроме того, КСТЗ может выступать в качестве информационно-измерительной системы, объединяющей измерительные, вычислительные и другие вспомогательные технические средства для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки с целью представления пользователю в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

Метрологические характеристики КСТЗ – это характеристики свойств зрительной системы, включая их алгоритмическое, аппаратурное и программное обеспечения, которые влияют на результаты и погрешности измерений. Погрешности измерения - отклонение результата измерения (значение величины, найденное путем ее измерения) от истинного значения измеренной величины.

К основным метрологическим характеристикам КСТЗ согласно ГОСТ 8.009-84 следует отнести: характеристики, определяющие результаты измерении: функцию преобразования, цену деления, вид выходного кода и др.; точностные характеристики КСТЗ; характеристики чувствительности КСТЗ к внешним факторам, влияющим на ее работу, - неравномерности освещенности ОМ в рабочей зоне, вибрации и др.; динамические характеристики; характеристики, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия КСТЗ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (например, ОМ, формирующие блики); неинформативные или информативные сигналы входного или выходного сигналов КСТЗ.

Внедрение и эксплуатация КСТЗ обязательно предполагает их поверку, под которой понимается определение метрологической службой (подразделением) погрешностей зрительной системы и установление ее пригодности к эксплуатации. Обязательным является также нормирование метрологических характеристик КСТЗ.

Метрологические характеристики корреляционных систем технического зрения.

Метрологические характеристики КСТЗ существенно зависят от типа используемого датчика ТИ и назначения КСТЗ. Используемый датчик ТИ определяет чувствительность, область рабочих частот и другие метрологические характеристики.

В зависимости от назначения КСТЗ может распознавать тип и цвет, определять координаты ОМ на плоскости или в пространстве, оценивать скорость движения объекта и другие параметры. Как отмечалось выше, к основным метрологическим характеристикам КСТЗ относятся характеристики, предназначенные для определения результатов измерений, оценки погрешностей, определения чувствительности к влияющим величинам, оценки динамических характеристик КСТЗ.

Характеристики, определяющие результаты измерения КСТЗ, описываются следующим образом.

1. Функция преобразования (корреляционная функция) - зависимость информативного параметра выходного сигнала КСТЗ от информативного параметра его входного сигнала, т.е. зависимость параметров выходного сигнала КСТЗ, описывающего корреляционную функцию, от параметров сигнала, характеризующего рабочую зону (тип, положение и взаимосвязь объектов), считываемую датчиком ТИ.

2. Значение однозначной или многозначной меры - физическая измеряемая величина (например, координаты), выдаваемая КСТЗ, используемой, а в качестве измерительного (эталонного) устройства.

3. Параметры выходного сигнала - вид выходного кода (число разрядов, цена единицы наименьшего разряда), предназначенного для выдачи результатов в цифровом виде, или амплитуда и диапазон изменения выходного сигнала, осуществляющего выдачу результатов в аналоговом виде.

Характеристики, описывающие точность работы (погрешность) КСТЗ роботов, представляются следующими величинами:

1. Значение систематической составляющей Ј, математическое ожидание Ј и среднеквадратическое отклонение Ј систематической погрешности.

2. Среднеквадратическое отклонение Ј (а также автокорреляционная функция или функция спектральной плотности) случайной составляющей погрешности.

3. Случайная составляющая Ј погрешности от гистерезиса - вариация показания КСТЗ.

4. Характеристика погрешности в интервале влияющей величины (систематические и случайные составляющие погрешности).

5. Помехоустойчивость - это сохранение работоспособности системы при наличии помех различного вида (мультипликативные, аддитивные). Характеристикой помехоустойчивости является вероятность Р правильной работы, определяемая отношением числа правильных "ответов" nпр КСТЗ к общему числу испытаний nоб, т. е. P = nпр/nоб. Помехоустойчивость может также оцениваться коэффициен­том К, пропорциональным отношению совпадающей части Hr (присутствует на ТИ и ЭИ) к несовпадающей части Нг (присутствует либо на ТИ, либо на ЭИ) сравниваемых изображений, K = Cr/Ch.

6. Разрешающая абсолютная способность, которую следует различать по всем измеряемым параметрам (например, по линейным и угловой координатам, по дальности и др.). Разрешающая способность по линейным координатам и развороту ДЈ – это минимальное смещение и разворот ОМ в рабочей зоне, определяемые КСТЗ с необходимой точностью (нормированной погрешностью). Разрешающая способность по дальности ДH – минимальное расстояние между ОМ и датчиком ТИ, оцениваемое КСТЗ с требуемой точностью.

7. Диапазон показаний - область значений индикаторного (отсчетного) устройства КСТЗ, ограниченная начальным (например, Дxmin, Дymin, ДЈmin) и конечным (например, Дxmax, Дymax, ДЈmax) значениями шкалы (означающих соответственно минимальные и максимальные смещения и разворот ОМ в рабочей зоне). Диапазон измерений (диапазон измеряемых величин) - допустимые смещения и развороты в рабочей зоне, для которых нормированы допускаемые погрешности КСТЗ. Предел измерений - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Характеристики чувствительности КСТЗ к влияющим величинам выбираются из числа следующих:

1. Функция влияния - зависимость изменения метрологической характеристики От изменения влияющей величины (например, наличие и значение Нг из-за неравномерной освещенности сцены или недопустимой взаимной ориентации ОМ от датчика ТИ).

2. Изменения значений метрологических характеристик КСТЗ, вызванные изменениями влияющих величин (Hr и др.), – в установленных пределах.

К динамическим характеристикам КСТЗ относятся следующие:

1. Полная динамическая характеристика аналоговых КСТЗ линейного типа, которая выбирается из известных характеристик (переходная, импульсная пере­ходная, амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточная функция). Поясним сущность этих характеристик. Переходная функция КСТЗ - это временная характеристика, полученная при ступенчатом изменении входного сигнала КСТЗ (пропорциональная ступенчатому изменению положения ОМ в рабочей зоне). Под временной характеристикой КСТЗ понимается динамическая характеристика, являющаяся функцией времени и описывающая изменение выходного сигнала КСТЗ во времени при воздействии на входе КСТЗ, принятом за типовое средство измерения. Передаточная функция КСТЗ - отношение преобразования Лапласа выходного сигнала к преобразованию Лапласа входного сигнала при нулевых начальных условиях. Амплитудно-фазовая характеристика КСТЗ - зависящее от круговой частоты отношение преобразования Фурье выходного сигнала к преобразованию Фурье его входного сигнала при нулевых начальных условиях. Амплитудно-частотная характеристика КСТЗ - отношение, зависящее от круговой частоты амплитуды выходного сигнала в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала.

2. Частотные динамические характеристики, к которым относятся время реакции (tr, максимальная частота измерений fmax, время измерения параметров tц. Время реакции tr - это время установления показаний (для КСТЗ с показывающей индикацией) или время установления выходного сигнала (для измерительных КСТЗ). Другими словами, время реакции tr – это время, прошедшее с момента скачкообразного изменения положения (или типа) ОМ в рабочей зоне (и одновременной подачи синхросигнала) до момента, начиная с которого показания КСТЗ и его выходного сигнала (кода) отличаются от установившегося показания или сигнала на значение, не превышающее заданного. Максимальная частота (скорость) измерений fmax – максимальное число nmax измерений в единицу времени. Быстродействие КСТЗ может также характеризоваться временем измерения. Время измерения (длитель­ность цикла tц оценки параметров) – время, прошедшее с момента изменения измеряемой величины до момента регистрации нового результата измерения на отсчетном устройстве с нормированной погрешностью. К метрологическим характеристикам КСТЗ относятся также неинформативные параметры выходного сигнала, не используемые для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала или не являющиеся выходной величиной меры. К неинформативным параметрам выходного сигнала КСТЗ относится часть сигнала, соответствующая синхроимпульсу или несущая информацию о помехах(несовпадающих частях изображений).

Важной метрологической характеристикой является объем хранимых эталон­ной и теущей информации. Объем хранимой эталонной (или текущей) информации количество запоминаемой информации I необходимой для выполнения с заданной точностью и быстродействием требуемой работы КСТЗ. Косвенной характеристикой I является число Nэ запоминаемых кадров ЭИ. При этом необходимо учитывать способность КСТЗ к обучению. Обучаемость – возможность многократного программного или аппаратного получения набора параметров (данных) об объектах измерения (контроля), при этом время обучения есть время подготовки КСТЗ к работе.

Важной метрологической характеристикой КСТЗ является область рабочих частот – полоса частот, в пределах которой точность работы КСТЗ, вызванная изменением частоты, не превышает допустимого предела. При использовании в качестве датчика ТИ телевизионной камеры необходимо оценить ее чувствительность (спектральную, интегральную) и динамический диапазон. Спектральная чувствительность – чувствительность приемника излучения на облучение его монохроматическим потоком. Интегральная чувствительность –реакция приемника излучения на облучение его интегральным лучистым потоком, содержащим колебания различных длин волн.

Погрешности корреляционных систем технического зрения. Классификация погрешностей.

При классификации возможных погрешностей КСТЗ используем следующие основания: закономерность проявления погрешностей, причину их возникновения, характер взаимодействия объекта манипулирования с внешней средой и КСТЗ, компоненты системы.

Методические погрешности КСТЗ - это погрешности, обусловленные особенностями реализованного алгоритма работы системы, различными аппроксимациями, округлениями, неучетами различных факторов, влияющих на результат измерения.

Погрешности модели – это ошибки, связанные с тем, что измеряемый ОМ (ТИ) и его модели (ЭИ), хранимые в памяти КСТЗ, как правило, не идентичны. Это приводит к возникновению ошибок при оценке координат ОМ и других его параметров. Погрешности классификации возникают при осуществлении операции распознавания ОМ. Субъективными называют погрешности, зависящие от личности экспериментатора, опыта и аккуратности его работы при измерениях и фиксации их результатов. Такие погрешности возникают чаще всего при съеме информации со стрелочных или цифровых приборов и при невозможности автоматической фиксации результатов измерений. Внешние погрешности – это ошибки, связанные с влиянием на КСТЗ внешней среды, - изменение освещенности сцены с ОМ и взаимной ориентации ОМ, а также ТИ, вибрации, электрические помехи и другие отклонения окружающей среды от "нормальных" условий, при которых осуществлялась калибровка (градуировка) КСТЗ.

Энергетическая составляющая погрешности измерений обусловлена потреблением КСТЗ мощности от исследуемого объекта. Энергетическая составляющая мощности может также возникать при передаче мощности исследуемому объекту от КСТЗ, например, из-за изменения цвета ОМ, освещаемого внешним источником света.

Типичными для КСТЗ являются четыре следующие составляющие инструментальной погрешности измерений:

1. Погрешность, обусловленная неидеальностью собственных свойств системы, т.е. отличием действительной корреляционной функции в нормальных условиях от номинальной функции – действительного значения выходной величины меры в нормальных условиях от номинального значения этой величины, называется основной погрешностью.

2. Погрешность, обусловленная реакцией системы на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их нормальных значений, называется дополнительной погрешностью.

3. Погрешность, обусловленная реакцией КСТЗ на скорость (частоту) изменения входного сигнала (характеризующего, например, скорость изменения положения ОМ), называется динамической погрешностью.

4. Погрешность, обусловленная взаимодействием КСТЗ и объекта измерения. Следует различать погрешность КСТЗ в динамическом режиме и динамическую погрешность.

В первом случае понимают погрешность КСТЗ, возникающую при изменении характеристик (очертание контура, цвета) и положения ОМ (при его движении). Во втором случае – разность между погрешностью КСТЗ в динами­ческом режиме и его статической погрешностью.

Инструментальные погрешности определяются по-разному для аналоговой (аналого-цифровой) и цифровой КСТЗ; КСТЗ аналогового (с оптическим корреля­тором) типа обусловлены погрешностями работы основных устройств: ДТИ, нако­пителя ТИ, коррелятора, анализатора корреляционных функций, блока смены и хранения ЭИ.

Погрешности ДТИ вызваны следующими факторами:

1) ошибками установки (размещения) или наведения ДТИ на объект,

2) нелинейностями развер­ток и видеоусилителя,

3) изменением масштаба ТИ,

4) конечной разрешающей способностью фотоприемнике.

Погрешности накопителя ТИ следует рассматривать в зависимости от реализации (аналоговая или цифровая).

В случае использования оптического ЗУ (запоми­нающая ЗЭЛТ и транспорант) погрешности накопителя ТИ обусловлены

а) нели­нейностями разверток и видеоусилителя,

б) изменением масштаба ТИ,

в) измене­нием яркости ТИ,

г) конечной разрешающей способностью.

Погрешности, вызванные изготовлением коррелятора, можно отнести за счет

1) неточности плоскостей (элементов) коррелятора,

2) неточности изготовления линзы (линз) коррелятора (аберрации),

3) конечной толщины экрана индикатора ТИ, носителя (пленки) ЭИ, экрана фотоприемника анализатора корреляционных функций, А) механической вибрации (относится за счет влияния условий эксплуатации).

Погрешности анализатора корреляционных функций вызваны следующими факторами:

а) неточностью совмещения ТИ и ЭИ по углу их относительного раз­ворота

б) конечной разрешающей способности фотоприемника

в) нелинейностью разверток и видеоусилителя

г) внутренних шумов.

Погрешности, обусловленные качеством работы блока хранения и смены ЭИ, определяются погрешностью установки ЭИ в оптическом корреляторе и качеством (надежностью) хранения ЭИ (механическое повреждение носителя или стирание изображения).

Погрешности цифровых КСТЗ вызваны ошибками работы следующих блоков зрительной системы: погрешностями датчика ТИ, интерфейсов, процессоров, блока хранения эталонной информации. Погрешность датчика ТИ цифровых КСТЗ определяется аналогично погрешностям датчика ТИ КСТЗ аналогового типа. Погрешность буферного ЗУ для запоминания ТИ (интерфейса) обусловлена ошибками оцифровывания и записи ТИ в память БЗУ из-за ошибки работы АЦП (при использовании полутоновой обработки изображений), ЦАП, синхронизатора, блока памяти и блока связи с микроЭВМ. Погрешности процессоров вызваны в основном методическими ошибками и сбоями в их работе. Аналогично характеризуются ошибками, как и погрешности процессоров, блоки хранения эталонной информации.

Поверка корреляционных систем технического зрения

Рассмотрим вопросы метрологической поверки КСТЗ, при которой должны выполняться следующие операции: внешний осмотр, опробование, определение влияния наклона на прибор, проверка электрической прочности и изоляции, опре­деление погрешности работы системы.

Поверка должна производиться в нормальных внешних условиях (влажность, температура, освещенность) как для проверяемых, так и для образцовых КСТЗ. Следует учитывать, что образцовые КСТЗ имеют более высокую точность и область нормальных значений для них более узкая, поэтому условия поверки определяются нормальными внешними условиями именно образцовых, а не проверяемых КСТЗ. Нормальные (допустимые) значения влияющих величин указываются в технической документации. При поверке КСТЗ следует также учитывать, что если система комплектуется серийно выпускаемыми изде­лиями (телекамера, микроЭВМ), то необходимо соблюдать условия поверки, указанные в технической документации на данные изделия.

Так как погрешность КСТЗ может принимать в разных точках диапазона измерений разные значения, то необходимо нормировать пределы допускаемых погрешностей, т.е. необходимо установить какие-то границы, за пределы которых погрешность КСТЗ не должна выходить при эксплуатации зрительной системы. В зависимости от допускаемых значений погрешности можно присваивать класс точности КСТЗ, как и для любой измерительной системы; предел допускаемой погрешности КСТЗ может устанавливаться в виде абсолютной, относительной и приведенной погрешностей, определяемых известными способами.

Наряду с основной нормированию подлежит и дополнительная погрешность.

Вывод:

В перспективе развития расчета, проектирования и создания элементной базы СТЗ отметим следующие неразрешенные задачи: Разработка новых и совершенствование известных алгоритмов (адаптивных) эффективной (с высокой точностью и быстродействием) обработки видеоинформации (включая цветную обработку изображения). Синтез быстродействующих вычислительных структур обработки видеоинформации. Синтез и анализ СТЗ с учетом характеристик внешнего (технологического) оборудования и меняющихся условий работы (изменение освещенности, влияние вибраций и др.), т. е. создание адаптивных СТЗ, обеспечивающих заданные функциональные качества. Разработка метрологического обеспечения СТЗ Создание САПР СТЗ

Разработка более совершенной элементной базы СТЗ (эффективных видеопроцессоров, включая реализацию их в виде БИС), адаптивных датчиков оптической информации, имеющих входы от управления от ЭВМ, прецизионных, быстродействующих, дешевых, простых и малогабаритных механизмов смещения и разворота объектов, рабочей зоны и др.