Разработка методов и средств дистанционного зондирования полихромных объектов дизайна

В настоящее время создание объектов дизайна непосредственно связано с применением прогрессивных промышленных технологий, а также с постоянным развитием технологий и методов в процессе проектирования материальных объектов. В первую очередь это обусловлено развитием компьютерной техники и средств автоматизации производства. При эксплуатации промышленного оборудования для изготовления изделий существуют множество факторов, влияющих на качество конечного продукта: это методы и средства контроля технологических операций, юстировка и диагностика оборудования, соблюдение технологического цикла, квалификация персонала и т. д. Таким образом, разработка новых средств и методов мониторинга объектов дизайна приводит к совершенствованию технологических процессов, улучшающих потребительские свойства выпускаемых изделий, что является одной из важной народно-хозяйственных задач, таких как повышение качества продукции.

Особое место в этом процессе отводится неразрушающим методам исследования. Комплекс оптических спектральных методов исследования и измерения позволяет решить многие задачи технического контроля и управления технологическими процессами в промышленности. Наиболее известными областями применения спектральных приборов является фотометрия и колориметрия несамосветящихся материалов, контроль процесса производства разнородных объектов и др.

Однако серьезные изменения произошли не только в структуре промышленного производства объектов дизайна, но и в оборудовании, используемом для проведения исследований и измерений. На данный момент существует огромный выбор различных типов фотоприемников и источников излучений, разработано большое количество новых оптических материалов, подходов к созданию измерительных приборов широкого применения. Это дает возможность разрабатывать приборы, отличающиеся от традиционно известных более высокой чувствительностью и точностью, малым энергопотреблением, высокой степенью автоматизации и как следствие, более надёжными и удобными в эксплуатации.

Главным аргументом в пользу разработки и создания отечественных средств измерения, в частности, спектрометрического устройства технологического назначения является общий высокий уровень отечественной оптической промышленности и оптической науки.

Актуальность работы. В последнее время сформировался целый ряд научно-технических проблем, связанных со значительным расширением ассортимента разнородных объектов дизайна, как следствие появления новых материалов и средств производства. В связи с этим предъявляются более высокие требования к контролю качества поверхности объектов. Необходимо отметить, что значительное количество объектов дизайна должно проходить контроль качества оптическими методами с применением спектрометрических устройств. В настоящее время отечественная промышленность не осуществляет серийный выпуск автоматизированных спектрометров технологического назначения. Спектрометры, выпускаемые ранее, устарели, имеют низкую разрешаемую способность, узкую специализацию, инертность.

Современное состояние науки и техники позволяет создавать многофункциональные автоматические системы, что с большой эффективностью даёт проводить комплексные исследования интересующих объектов. Одним из методов неразрушающего контроля является дистанционное зондирование, представляющее собой процесс измерения спектральных и пространственных параметров поверхности объектов посредством фото и видеочувствительных устройств, позволяющих определить характеристики зондируемого объекта путем регистрации отраженного и поглощенного излучения. Как показывает международный опыт последних десятилетий, среди чувствительных устройств дистанционного зондирования наибольшей эффективностью обладают видеоспектрометры, обеспечивающие поэлементную регистрацию спектров и структуры исследуемых объектов.

Анализ изображений и распознавание образов в этом случае представляет сложную техническую задачу, требующую использование современной вычислительной и оптической техники, и как результат создание искусственных интеллектуальных систем.

Проектирование системы дистанционного зондирования для спектрального мониторинга полихромных объектов дизайна также позволит создать цифровые паспорта художественных изделий, в том числе и произведений искусств и на их основе проводить мониторинг и иметь информационную базу данных.

Поэтому разработка и исследование оптических приборов, включающих в свой контур ЭВМ, актуальна и требует как технических, так и алгоритмических и программных средств.

Цели и задачи исследований. Целью работы является разработка и научное обоснование метода комплексной оценки полихромных изображений существующих и создаваемых объектов дизайна, контроля технологических процессов их изготовления и создания, и перевод аналогового изображения в цифровую модель с помощью автоматизированных систем.

Основными задачами исследования являются:

1. Разработка методики комплексной оценки свойств поверхности объектов дизайна, таких как, цвет, химический состав.

2. Разработка видеоспектрального модуля для дистанционного зондирования разнородных непрозрачных поверхностей объектов дизайна.

3. Определение химического состава разнородных непрозрачных материалов по доминирующей длине волны.

4. Разработка рекомендаций по внедрению метода на производствах с применением разработанных методик.

Методы исследования. В работе использовались основные положения теории спектрофотометрии и методы машинного моделирования, применённые к входной фокусирующей оптике (проецирующему объективу) и оптике спектральной части прибора. В основу созданного оборудования положены принципы светотехнических измерений. Использованы методы интегрального исчисления и математической статистики. Экспериментальные измерения для получения сравнительных характеристик выполнены с помощью следующей спектральной, оптико-электронной аппаратуры: МДР-3, МДР-41, МФС-12, Пульсар 1, «Spectro-Eye» «Х-Rite ХТН Gretag Macbeth» и др.

Температура измерялась при помощи инфракрасного пирометра Minolta/Land Pocketherm с пределами от -50 до 800 °C и погрешностью ±1 °С.

Научная новизна работы.

1. Проведен анализ и выработаны технические требования к элементной базе видеоспектральных модулей для измерения характеристик излучения поверхности объектов дизайна и фонов в спектральном диапазоне от 100 до 1000 нм.

2. Осуществлено проектирование макета видеоспектрального комплекса, обладающего спектральным и пространственным разрешениями, не уступающими зарубежным аналогам, при базисном использовании в приборе светосильной оптики.

3. Разработан рабочий макет видеоспектрального модуля, предназначенного для обнаружения, выделения и распознавания цвета на оптически сложных фонах непрозрачных объектов дизайна, в том числе произведений искусств и проведены его испытания.

Практическая значимость работы.

1. Предложенная в диссертации методика. дистанционного зондирования приводит к совершенствованию технологического процесса изготовления объектов дизайна, обеспечивает мониторинг произведений искусств без изъятия проб.

2. Создана база данных спектральных характеристик художественных материалов, позволяющая их идентифицировать с помощью методов неразрушающего контроля.

3. Разработанная методика позволяет создать цифровые модели объектов дизайна.

Апробация работы.

1. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Всероссийской научно — технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств» (Орел, 1999), 6-й Международной конференции «Проблемы пространства, времени, движения» (Спб, 2000), 1-й Международной конференции «Мехатроника и робототехника» (Спб, 200), 3-й Международной конференции «Управление в технических системах — XXI век» (Спб, 2000), 32-й недели науки СПбГПУ (СПб, 2004), 111 Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь — 2007 (Новосибирск, 2007), Международных науч. — техн. конф. «Интеллектуальные системы (AIS 2007, 2008) «Интеллектуальные САПР» (CAD — 2007, 2008) (Дивноморск 2007, 2008), на научно-технических конференциях и семинарах СПГУТД (Спб, 2009), XV International scientific conference materials «Modern texnique and technologies» (Tomsk, 2009).

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников из 66 наименований, 8 приложений. Текст работы изложен на страницах, содержит 48 рисунков, 6 таблиц.

выводы.

1. Разработана методика комплексной оценки поверхности объектов дизайна с использованием средств дистанционного зондирования.

2. Установлена доминирующая длина волны для разнородных непрозрачных материалов при видеоспектральном анализе.

3. Создана база данных, включающая спектральные характеристики материаловиспользуемых для изготовления изделийв том числе и произведений искусств, для идентификации химического состава поверхностного слоя объектов дизайна.

4. Разработана оптическая схема видеоспектрального модуля. Рассчитана оптическая система, позволяющая осуществлять спектральные измерения в диапазоне длин волн 100−1 ООО’нм. 5. Разработана методика оцифровки видеоданных — процедурная модель функционирования оперативной системы обработки и классификации объектов дизайна в рамках видеоспектральной аппаратуры.

6. Полученные результаты послужили основой для создания основных функциональных блоков видеоспектрального модуля, позволяющего организовать сбор, оперативную обработку и передачу выходной информации для решения задач дистанционного зондирования.

7.Разработанная динамическая экспертная система на основе видеоспектральных методов с использований баз знаний проводит экспертную оценку, на основании которой принимается решение о действии, прогнозируются результаты действия. В соответствии с принятым решением синтезируется тот или иной алгоритм управления, который реализуется с помощью различных исполнительных устройств и воздействует непосредственно на объект управления. Результаты этого воздействия сравниваются с прогнозируемыми. При соответствии результатов подкрепляется предшествующее управление и наоборот.

8. Анализ возможностей новой приборной компоновки полихроматора видеоспектрометров с оптической перестройкой рабочих спектральных областей, как интеллектуальных систем управления, показал, что подобные схемные решения позволяют существенно увеличить результативность измерений, а также создать на основе этих исследований новую технику и технологии, расширенные базы данных, предназначенные для создания цифровых паспортов объектов дизайна, в том числе и произведений искусства.

9. Предложен перечень рекомендаций по разработке и внедрению методики дистанционного зондирования с использованием видеоспектрального анализа в процессе паспортизации объектов дизайна. f.