Статья 'Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений' - журнал 'Программные системы и вычислительные методы' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > Требования к статьям > Политика издания > Редакция > Порядок рецензирования статей > Редакционный совет > Ретракция статей > Этические принципы > О журнале > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Программные системы и вычислительные методы
Правильная ссылка на статью:

Бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений

Шеховцов Геннадий Анатольевич

доктор технических наук

профессор, кафедра кафедра геоинформатики, геодезии и кадастра, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5

Shekhovtsov Gennady Anatolyevich

Doctor of Technical Science

Professor, Department of Geoinformatics, Geodesy and Cadastre Department, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

603950, Russia, g. Nizhnii Novgorod, ul. Il'inskaya, 65, korpus 5

kaf_ig@nngasu.ru
Жилина Наталья Дмитриевна

кандидат педагогических наук

доцент, кафедра кафедра инженерной геометрии, компьютерной графики и автоматизированного проектирования, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 3

Zhilina Natalya Dmitrievna

PhD in Pedagogy

Associate Professor, Department of Engineering Geometry, Computer Graphics and Computer-aided Design Department, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

603950, Russia, g. Nizhnii Novgorod, ul. Il'inskaya, 65, korpus 3

zhilina@nngasu.ru
Раскаткина Ольга Валерьевна

аспирант, кафедра Инженерной геометрии, компьютерной графики и автоматизированного проектирования, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

603950, Россия, Нижегородская область, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Raskatkina Olga Valer'evna

Postgraduate Student, Department of Engineering Geometry, Computer Graphics and Computer-Aided Design, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering

603950, Russia, Nizhegorodskaya oblast', g. Nizhnii Novgorod, ul. Il'inskaya, 65

Raskatkina.o@mail.ru

DOI:

10.7256/2454-0714.2019.4.31110

Дата направления статьи в редакцию:

21-10-2019


Дата публикации:

06-01-2020


Аннотация: В статье описан метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов путем обработки фотоизображений. Метод не требует маркировки на рельсах съёмочных точек, использования специальных приспособлений и выполнения большого количества угловых, линейных или иных измерений. Метод использует горизонтальную референтную линию, прочерчиваемую на снимке или создаваемую с помощью изображения на снимке нити свободно подвешенного перед объективом шнурового отвеса. Линия также может создаваться с помощью программы Plumb-bob, дающей на снимке изображение вертикальной линии. Изложен алгоритм обработки снимка с помощью растрового редактора изображений с целью определения отклонений осевых точек рельса от референтной прямой. Рассматриваются различные варианты определения размера одного пикселя в зависимости от расстояния съёмки и высоты расположения камеры над рельсом. Приведены результаты измерений и их сравнение с результатами, полученными традиционными методами, показавшее расхождение 0-5 мм. Описан алгоритм определения количества пикселей, содержащихся в линии, соответствующей заданному расстоянию до любой съёмочной точки, что позволяет производить на снимке определение отклонений в любом месте кранового пути.


Ключевые слова:

фотоизображения, пиксель, базис, отвес, референтная линия, прямолинейность, бесконтактные измерения, фотокамера, подкрановый рельс, отклонение

УДК 624-2/-9

Abstract: The article describes a method for determining the linearity of crane rails of bridge cranes by processing photo images. The method does not require marking of the shooting points on the rails, the use of special devices and performing a large number of angular, linear or other measurements. The method uses a horizontal reference line drawn on the image or created using the image on the image of the thread hanging freely in front of the lens cord plummet. The line can also be created using the Plumb-bob program, which gives the image of a vertical line. The image processing algorithm is described using a raster image editor to determine the deviations of the axial points of the rail from the reference line. Various options are being considered for determining the size of one pixel depending on the shooting distance and the height of the camera above the rail. The results of measurements and their comparison with the results obtained by traditional methods, which showed a difference of 0-5 mm are presented. An algorithm for determining the number of pixels contained in a line corresponding to a given distance to any shooting point is described, which allows for the determination of deviations in the image anywhere in the crane path.


Keywords:

photo images, pixel, basis, plumb, reference line, straightdness, non-contact measurements, camera, crane rail, deviation

Abstract.

The article describes a method for determining the linearity of crane rails of bridge cranes by processing photo images. The method does not require marking of shooting points on rails, using special devices and performing a large number of angular, linear or other measurements. The method uses a horizontal reference line drawn on the image or created using the image on the image of the thread hanging freely in front of the lens cord plummet. The line can also be created using the Plumb-bob program, which gives the image of a vertical line. The image processing algorithm is described using a raster image editor to determine the deviations of the axial points of the rail from the reference line. Various options are being considered for determining the size of one pixel depending on the shooting distance and the height of the camera above the rail. The results of measurements and their comparison with the results obtained by traditional methods, which showed a difference of 0-5 mm, are presented. An algorithm for determining the number of pixels contained in a line corresponding to a given distance to any shooting point is described, which allows for the determination of deviations in the image anywhere in the crane path.

Существует несколько методов определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов, подробно описанных в работе [1]. Все они, являясь контактными, связаны с многократным задействованием мостового крана, необходимостью выхода исполнителей на подкрановый путь и обозначения на рельсах точек съёмки. При этом требуется наличие специальных приспособлений, выполнение большого количества угловых, линейных или иных измерений, что в условиях действующих цехов сопряжено со значительными трудностями.

Высказанная в работе [2] идея использования фотограмметрических створов ввиду сложности классической обработки снимков не получила своего дальнейшего развития. В настоящее время в ряде статей [3, 4, 5, 6, 7] обращено внимание на достоинства цифровой фотограмметрии, позволяющие рекомендовать её для измерения геометрии объектов бесконтактным методом.

В статье предлагается бесконтактный метод определения прямолинейности подкрановых рельсов, основанный на обработке цифровых фотоизображений с использованием референтных линий.

Фотоизображение получается с помощью цифровой фотокамеры, установленной над рельсом в начале контролируемого участка. Рельс фотографируется в направлении его конечной точки (рис. 1а). Фотоизображение загружается в любой растровый редактор, после чего снимаются растровые координаты курсора левого и правого края рельса в начальной и конечной точках контролируемого участка (величины Л1, П1 и Лn, Пn). На снимке строится референтная линия 1-n так, чтобы растровые координаты в точках 1 и nбыли соответственно равны (Л1 + П1)/2 и (Лn+ Пn)/2. Далее снимаются растровые координаты курсора последовательно левого края рельса, в точках 2, 3, 4,… референтной линии и правого края рельса (величины Л, О и П в пикселях (пкс), соответствующие каждому положению курсора, см. рис. 1б).

По значениям этих координат вычисляются отклонения Δ оси рельса от референтной линии в пикселях, причём, знак «плюс» означает отклонение влево, знак «минус» – вправо.

Δ = О – (Л + П)/2 , (1)

Для перевода полученных результатов в метрическую систему единиц (мм) необходимо подсчитанные по формуле (1) значения Δ пкс умножить на соответствующий им размер пикселя δ мм/пкс, определяемый по формуле

(2)

где l – ширина головки рельса (П – Л) в мм и в пкс.

Рис. 1. Фотография рельса с референтной линией 1-n (а) и схемой измерения (б)

Ключевым моментом описанного подхода является установление зависимости размера одного пикселя в метрических величинах для разных расстояний d (рис. 1б). С этой целью было выполнено знаковое моделирование, сущность которого заключалось в фотографировании дорожного бордюра с известными размерами (рис. 2а) с высоты 1,0 и 1,5 м.

Рис. 2. Фотографии бордюра с референтной линией (а), с «крестом» (б) и отвесом (в)

По полученным фотоизображениям в растровом редакторе были определены растровые координаты левого Л и правого П края бордюрного камня с интервалом 1 м. По разности этих координат и ширине бордюрного камня 120 мм были подсчитаны размеры в мм одного пикселя для каждого расстояния.

По полученным данным построены графики (рис. 3), наглядно иллюстрирующие, во-первых, прямолинейную зависимость между δ и d и, во-вторых, тот факт, что с уменьшением высоты фотографирования уменьшается размер одного пикселя.

Поскольку зависимость δ от dносит прямолинейных характер, то на практике рекомендуется ограничиться тщательным определением δн в начале и δк в конце контролируемого участка, а любой размер пикселя δi может быть найден по формуле:

, (3)

где δi – размер пикселя на расстоянии di; δн– размер пикселя на расстоянии dн ; δк – размер пикселя на расстоянии dк .

По формуле (3) были подсчитаны теоретические значения δ. Их расхождение с экспериментальными данными оказались в пределах от –0,6 до +0,2 пкс для высоты фотокамеры 1,5 м и от –0,2 до +0,1 пкс для высоты 1,0 м. Для повышения точности определения размера пикселя на расстояниях dн и dк удобно использовать нивелирную рейку, устанавливаемую горизонтально или вертикально.

Рис. 3. Графики зависимости размера пикселя δ от расстояния dи высоты

расположения камеры 1,5 м, 1,0 м и 0,75 м

С целью определения соотношения размеров одного пикселя, найденных по горизонтальному и вертикальному базисам. была выполнена соответствующая калибровка цифровой фотокамеры Nikon COOLPIX S9100.

Методика калибровки заключалась в фотографировании «креста» из двух 1,5-метровых нивелирных реек в интервале от 2 до 30 м (рис. 2б). Для этого фотокамера центрировалась над осью бордюра в его начале на высоте 0,75 м. Оптическая ось камеры ориентировалась вдоль этой полосы и была направлена на центр «креста», установленного в конце контролируемого участка. Последовательно при неподвижном положении фотокамеры фотографировали «крест», однообразно устанавливаемый по оси бордюра.

На каждой фотографии в растровом редакторе снимались растровые координаты в пикселах левого Л, правого П, верхнего Ви нижнего Нконцов обоих базисовили их видимой на снимке части. Результаты обработки снимков иллюстрируются совмещённым графиком на рис. 3, подтверждая, во-первых, ранее сделанный вывод о зависимости размера одного пикселя от высоты расположения фотокамеры. Во-вторых, для фотокамеры Nikon COOLPIX S9100 определение размера одного пикселя может осуществляться как по горизонтальному, так и по вертикальному базису.

Кроме того, по формуле (3) были подсчитаны теоретические значения δ. Их расхождение с экспериментальными данными оказались ничтожными в пределах от –0,01 до +0,02 пкс.

Отличительной особенностью предлагаемого бесконтактного метода является то, что в качестве референтной линии может быть использована нить шнурового отвеса. Для этого достаточно сфотографировать отвес на фоне исследуемого участка. Если на фотографии (рис. 2в) нить отвеса будет совпадать с начальной и конечной точками линии 1-n, то в результате обработки снимка можно получить сразу отклонения осевых точек рельса от этой линии. В этом отношении представляется перспективным применение программы Plumb-bob, позволяющей всегда иметь на снимке изображение вертикальной прямой, которую можно использовать в качестве референтной линии.

Для определения непрямолинейности бордюра была проведена на фотографии, выполненной с высоты фотокамеры 1,0 м, референтная линия (рис. 2а) через начальную и конечную точки, которым соответствовали растровые координаты (Лн + Пн)/2 и (Лк+ Пк) /2 и через 2 м были определены координаты Л, О и П и вычислены значения (Л + П)/2.

Для того, чтобы обнаружить возможные грубые ошибки в замеренных координатах Л, П, О и полусумме (Л + П)/2, построены графики, представленные на рис. 4.

Рис. 4. Графики зависимости отсчётов Л, О, П, (Л+П)/2 по курсору от расстояния d

По формуле (1) с учётом формулы (2) были подсчитаны отклонения Δ в мм. Для контроля было выполнено обычное боковое нивелирование бордюра и подсчитаны отклонения Δʹ. По их значениям построены графики отклонений осевых точек бордюра от референтной линии (рис. 5), наглядно показывающие хорошую сходимость результатов обработки фотоснимков и бокового нивелирования.

Рис. 5. Графики отклонений осевых точек бордюра от референтной линии

Решение задачи по определению на снимке расстояний между точками 1, 2, 3,… (рис. 1) осуществлялось следующим образом. На снимках (рис. 2а), выполненных с высоты 1,0 и 1,5 м, было определено количество р пикселей, содержащихся в известных расстояниях 3, 4, 5,…, 28, 29, 30 м от фотокамеры до точек съёмки. Результаты измерений представлены в таблице 1 (графы 2, 4, 7, 9).

Таблица 1

Соотношение между расстоянием и количеством пикселей

при различной высоте расположения камеры

Рас-сто-яния d, м

Количество пикселей, пкс

Рас-сто-яния d, м

Количество пикселей, пкс

Высота 1,0 м

Высота 1,5 м

Высота 1,0 м

Высота 1,5 м

p

А

p

А

p

А

p

А

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

3

2981

8943

1081

3243

17

311

5287

131

2346

4

2160

8640

809

3236

18

277

4986

121

2178

5

1696

8480

644

3220

19

251

4769

112

2128

6

1362

8172

523

3138

20

220

4400

98

1960

7

1137

7959

442

3094

21

193

4053

90

1890

8

966

7728

377

3016

22

172

3784

83

1826

9

826

7434

327

2943

23

158

3634

77

1771

10

714

7140

281

2810

24

141

3384

72

1728

11

630

6930

253

2783

25

125

3125

64

1600

12

551

6612

225

2700

26

110

2860

58

1508

13

490

6370

202

2626

27

94

2538

53

1431

14

438

6132

180

2520

28

76

2128

47

1316

15

390

5850

167

2505

29

64

1856

43

1247

16

350

5600

155

2416

30

53

1590

39

1170

На основании данных табл. 1 построены графики зависимости расстояний d от количества содержащихся в них пикселей р привысоте расположения камеры 1,0 и 1,5 м (рис. 6).

По таким графикам, вычерченным в крупном масштабе, можно определять графически или аналитически расстояния в зависимости от количества пикселей pʹ для применяемой методики фотографирования. Методика таких определений подробно описана в работе [8].

Особый интерес представляют произведения А = dp(см. графы 3, 5 и 8, 10 табл. 1). По их значениям построены графики, иллюстрирующие прямолинейную зависимость коэффициента А от расстояния d(рис. 7).

Рис. 6. Графики зависимости расстояния d от количества пикселей р

и высоты расположения камеры

Поскольку зависимость А от dносит прямолинейных характер, то на практике можно ограничиться тщательным определением Ан в начале и Ак в конце контролируемого участка, а любой размер Аi может быть найден по формуле [9]:

, (4)

где Аi , Ан и Ак – размер коэффициента А соответственно на расстоянии di, dн и dк.

При использовании описанного метода определения прямолинейности подкранового рельса основная задача заключается в определении на снимке местоположения точек съёмки 1, 2, 3,… (рис. 1), которые, например, могут располагаться против каждой опорной колонны при их шаге 6 м. Для этого, рельс фотографируется фотокамерой, установленной над ним, как это показано на рисунке 2а без базиса,или с базисом (рис. 2б) или с отвесом (рис. 2в).

Рис.7. Графики зависимости коэффициента А от расстояния d

и высоты расположения фотокамеры

На снимке в растровом редакторе замеряются растровые координаты в пикселах рн и рк, , соответствующих расстояниям dн и dк. Далее вычисляются коэффициенты Ан = dнрн и Ак = dкрк. По формуле (4) определяются величины коэффициентов Аi длярасстояний di и вычисляется количество пикселей рi = Аi/di, соответствующих положению съёмочных точек iпротив каждой колонны или в любом другом месте. Откладываются на снимке вычисленные значения рiи в полученных точках i производят необходимые измерения Л, П и др.

Для определения точности предлагаемого метода были вычислены по формуле (4) теоретические значения Ат и теоретические значения количества пикселей рт, соответствующие каждому расстоянию d.

На рис. 8 представлены графики, иллюстрирующие зависимость фактических и теоретических значений Аф, Ат и рф, рт от расстояний d. По разностям фактических и теоретических значений А и р получены ошибки определения расстояния, которые для высоты фотографирования 1,0 м и 1,5 м не превысили по модулю соответственно 19 мм и 36 мм. Для определения непрямолинейности подкрановых рельсов данная точность является достаточной.

Рис. 8. Графики зависимости Аф, Ат (а) и рф, рт (б) от расстояния d

Следует отметить, что описанный бесконтактный метод определения непрямолинейности подкрановых рельсов, основанный на обработке цифровых фотоизображений в стандартных растровых редакторах, отличается простотой выполнения, объективностью и информативностью. Основная задача при этом заключается в разработке методики фотографирования с целью, во-первых, получения снимков наиболее высокого разрешения и, во-вторых, выполнения фотографирования так, чтобы на снимке имело место равенство (Лн + Пн)/2 = (Лк+ Пк)/2. В этом случае отпадает необходимость иметь на снимке референтную линию и определять ее растровые координаты О, поскольку все они будут постоянны. В противном случае растровые координаты О могут быть подсчитаны с учётом приведенных выше формул и без наличия на снимке референтной линии.

Библиография
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
References
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Предмет исследования – методика бесконтактного определения прямолинейности подкрановых рельсов на основе обработки цифровых фотоизображений с использованием референтных линий.

Методология исследования основана на сочетании теоретического, модельного и эмпирического подходов с применением методов анализа, наблюдения, измерения, моделирования, алгоритмизации, обобщения, сравнения, синтеза.

Актуальность исследования обусловлена, по-видимому, широким применением мостовых кранов в различных отраслях экономики и, соответственно, необходимостью изучения и разработки методики бесконтактного определения прямолинейности подкрановых рельсов. В целом актуальность исследования желательно раскрыть более подробно.

Научная новизна связана с разработкой авторами методики бесконтактного определения прямолинейности подкрановых рельсов на основе обработки цифровых фотоизображений с использованием референтных линий, которая не требует разметки стрелочных точек на рельсах, использования специальных приборов и выполнения большого количества угловых, линейных или других измерений. Методика отличается простотой выполнения, объективностью и информативностью.

Стиль изложения научный. Статья написана русским литературным языком.

Структура рукописи включает следующие разделы (в виде отдельных пунктов не выделены, не озаглавлены): Введение (методы определения непрямолинейности подкрановых рельсов мостовых кранов и связанные с этим трудности, идея использования фотограмметрических створов, достоинства цифровой фотограмметрии), Бесконтактный метод определения прямолинейности подкрановых рельсов, основанный на обработке цифровых фотоизображений с использованием референтных линий (фотоизображение, растровый редактор, схема измерения, растровые координаты курсора левого и правого края рельса, референтная линия, отклонения оси рельса от референтной линии, установление зависимости размера одного пикселя в метрических величинах для разных расстояний d, знаковое моделирование, размеры в мм одного пикселя для каждого расстояния, графики зависимости размера пикселя
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.