Методика и результаты экспериментальных исследований установки для определения размеров и формы яиц с использованием IT-технологий

В статье приведены методика и результаты экспериментальных исследований установки для определения параметров яиц. Результаты исследований показали, что значения большого и малого диаметров яйца существенно зависят, а значения площади и периметра практически не зависят от ориентации объекта относительно камеры.

Для повышения производительности процесса прединкубационного отбора разработаны экспресс метод и установка для определения размеров и формы инкубационных яиц. Экспериментальная установка позволяет определять следующие параметры яиц: большой диаметр (D), малый диаметр (d), периметр (L) и площадь продольного сечения (S), коэффициент формы.

К1 (К1= d/D*100%)

К2(К2=L2/S)

Цель экспериментальных исследованийисследование технических параметров установки для определения размеров и формы яиц и исследование степени влияния ориентации яйца относительно камеры на значение геометрических параметров.

Основными техническими параметрами установки являются: точность определения геометрических параметров и время обработки изображения. Точность зависит от следующих факторов: разрешающей способности вебкамеры; точности калибровки, преобразования пикселей в миллиметры; расположения объекта относительно вебкамеры.

Вебкамера марки Logitech HD Webcam C310имеет три варианта настройки разрешающей способности ПЗС матрицы. Высокое разрешение -1280 на 960 элементов, среднее -960 на 720элементов и низкое -640 на 480 элементов. Анализ качества получаемого на экране изображения показал, что четкие контурные линии получаются при высоком и среднем значениях разрешения. Поэтому для экспериментальных исследований выбрана высокая разрешающая способность.

Большой и малый диаметры были определены при помощи штангенциркуля с точностью до 0,1 мм.Большой диаметр (D) равен 57,6 мм, а малый диаметр (d) равен 44,7 мм. Продолжительность измерения большого и малого диаметров яйца с помощью штангенциркуля, с последующим вычислением значения коэффициента формы К1 заняло около 5 секунд.

Точность калибровки существенно влияет на результаты определения геометрических параметров объекта. Из испытанных нескольких вариантов калибровки, наиболее точные результаты получили при калибровке по размерам рабочей поверхности, на которую устанавливается яйцо. С целью эффективного выделения объекта на фоне, на рабочую поверхность размещен прорезиненный коврик черного цвета. Размеры коврика 217×180.Для калибровки требуется узнать размер захватываемой камерой поверхности. Площадь захватываемой камерой поверхности зависит от разрешающей способности ПЗС матрицы и соответственно размер одного пикселя в «мм» определяется выбранной разрешающей способностью камеры. Размер захватываемой области объективом вебкамеры на фиксированной высоте над рабочей поверхностью составляет 157Х120 мм. Размеры захватываемой вебкамерой рабочей поверхности были замерены при помощи штангенциркуля с точностью до 0,1 мм.Опытным путем установлено, что оптимальная высота для установки камеры над рабочей поверхностью составляет 160 мм.

В результате проведенных исследований установлено, что существенное влияние на результаты измерения большого и малого диаметров, соответственно и коэффициента формы К1 оказывает ориентация объекта относительно вебкамеры. Для определения количественных значений точности измерения геометрических параметров яиц были проведены экпериментальные исследования для четырех положений расположения объекта относительно плоскости расположения ПЗС матрицы вебкамеры. Калибровка осуществлялась по четырем угловым точкам захватываемой поверхности. Преимущество данной калибровки заключается в том, что программе известно соотношение пикселей к реальным размерам рабочей поверхности в миллиметрах в каждой точке.

Порядок калибровки показан на рисунке 1.

отбор инкубационный яйцо геометрический.

Положение 1. Яйцо расположено горизонтально относительно вебкамеры, большой диаметр по оси абцисс, а малый диаметр по оси ординат. Такое раположение стандартное при определении параметров яиц. Однако оператор в процессе отбора яиц на инкубации может расположить яйца с некоторыми отклонениями от строго заданного положения, в результате во время отбора могут возникнуть дополнительные ошибки при измерении параметров яиц. Расположение яйца для первого положения показано на рисунке 2.

Положение 2. Яйцо расположено примерно под 450 градусов относительно вебкамеры. Расположение для второго положения показано на рисунке 3.

Положение 3. Яйцо расположено примено под 900 градусов относительно вебкамеры (рисунок4).

Положение 4. Яйцо расположено примерно под углом 1350 градусов относительно веб камеры. Расположение для четвертого положения показано на рисунке 5.

Для каждого положения были определены геометрические параметры одного и того яйца с десятикратной повторностью. После каждого замера параметров, яйцо удалялось с рабочей поверхности и для следующего замера устанавливалось заново. Такой подход имитирует процесс отбора яиц на инкубацию, и учитывает возможные погрешности, обусловленные не фиксированным расположением яйца относительно вебкамеры в процессе работы оператора. На экспериментальной установке с десятикратной повторностью были определены большой и малый диаметры, периметр и площадь изображения и значения коэффициентов формы К1 и К2. Обобщенные значения математического ожидания и среднеквадратического отклонения геометрических параметров и коэффициентов формы приведены в таблице 1.

Для оценки точности измерения геометрических параметров яиц с помощью оптико-электронного устройства воспользуемся наибольшей возможной статистической ошибкой. При технических измерениях наибольшей ошибкой средней арифметической многократных измерений является абсолютная величина равная математическому ожиданию (М) плюс-минус три величины его среднеквадратического отклонения (3у). Относительная величина наибольшей ошибки средней арифметической определяется как 6 у (плюс-минус 3 у) деленная на значение математического ожидания в процентах, которая называется «наибольшая возможная статистическая ошибка».

Из полученных данных следует, что значения диаметров яйца (D и d) существенно зависят от расположения объекта относительно вебкамеры. Значение большого диаметра в зависимости от положения, изменяется в пределах от 57,01 до 43,95 мм., что в относительных единицах составляет 22,9%.При этом величина наибольшей возможной статистической ошибкой составляет 2,96%. Значение малого диаметра (d) изменяется в пределах от 44,16 до 50,14 мм., или в относительных единицах — на 11,9%. Величина наибольшей возможной статистической составляет 4,66%.Соответственно значение коэффициента формы К1 изменяется в пределах от 77,45% до 131,02 процентов. Значения периметра и площади практически не зависят от расположения объекта относительно вебкамеры. Максимальное значение наибольшей возможной статистической ошибки при определении площади составляет всего 0,73%, для периметра — 3,46%.

Соответственно значение коэффициента формы К2практически не зависит от расположения объекта относительно вебкамеры и изменяется в пределах от 13,02 до 13,06, с максимальным значением наибольшей возможной статистической ошибки менее одного процента. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические расчеты, выполненные при обосновании информативных признаков определения параметров яиц, пригодные к машинной обработке[1].

1. Алиханов Д. М., МолдажановА.К. Экспериментальная установка для определения параметров яиц с использованием IT-технологий. Исследования, результаты № 2(50), КазНАУ, 2011 г. С 126−129.