Моделирование процесса измерения сдвига изображения с субпиксельной точностью

Abstract

RU: Целью данного исследования являлась оценка точности измерений сдвига изображения в плоскости ПЗС-матрицы при создании технологии контроля терморазмеростабильности технических изделий из углерод-полимерных материалов. Методика. При проведении исследований использованы методы математического моделирования и анализа цифровых изображений с использованием пакета MATLAB. Величину сдвига изображения предложено определять по сдвигу геометрического центра реперной марки. В качестве реперной марки использована математическая модель цифрового изображения лазерного пятна. Результаты. Разработана методика моделирования субпиксельного сдвига изображения лазерного пятна. В ходе вычислительных экспериментов произведена оценка точности определения сдвига изображения. Исследовано влияние изменения количества уровней квантования яркости при предварительной обработке исходного изображения на чувствительность измерений. Подтверждено наличие соответствия между информативными параметрами технического изображения и параметрами, характеризующими субпиксельный сдвиг изображения. Научная новизна исследования заключается в постановке проблемы контроля термостабильности изделий из углерод-полимерных композиционных материалов путем измерения сдвига цифровых изображений и исследовании влияния условий записи изображения на чувствительность и точность измерений. Методами моделирования подтверждена возможность определения с субпиксельной точностью сдвига изображения при использовании ПЗС-матриц. Практическая значимость. Решение данной задачи позволит создать новые измерительные технологии входного контроля деталей, изготовленных из углепластиковых материалов с низким коэффициентом температурного расширения. Таким образом, становится возможным как выходной контроль термостабильности крупногабаритных изделий, так и мониторинг размеростабильности изделий в рабочих условиях, в том числе в условиях изменяющейся влажности. Область практического использования данных результатов - системы технического зрения, мониторинг состояния технических объектов космического назначения, в частности телескопов, ферменных конструкций и антенн космического базирования, изготовленных из материалов с низким коэффициентом температурного расширения, а также проектирование цифровых автоколлиматоров.

UK: Метою даного дослідження була оцінка точності вимірювань зсуву зображення в площині ПЗС-матриці при створенні технології контролю терморазмеростабільності технічних виробів з вуглець-полімерних матеріалів. Методика. При проведенні досліджень використані методи математичного моделювання та аналізу цифрових зображень з використанням пакета MATLAB. Величину зсуву зображення запропоновано визначати за зсувом геометричного центру реперної марки. Реперна марка являє собою математичну модель цифрового зображення лазерної плями. Результати. Розроблено методику моделювання субпіксельного зсуву зображення лазерної плями. В ході обчислювальних експериментів проведена оцінка точності визначення зсуву зображення. Досліджено вплив зміни кількості рівнів квантування яскравості при попередній обробці вихідного зображення на чутливість вимірів. Підтверджено наявність відповідності між інформативними параметрами технічного зображення і параметрами, що характеризують субпіксельний зсув зображення. Наукова новизна дослідження полягає в постановці проблеми контролю термостабільності виробів з вуглець-полімерних композиційних матеріалів шляхом вимірювання зсуву цифрових зображень і дослідженні впливу умов запису зображення на чутливість і точність вимірювань. Методами моделювання підтверджена можливість визначення з субпіксельною точністю величини зсуву зображення при використанні ПЗС-матриць. Практична значимість. Рішення даної задачі дозволить створити нові вимірювальні технології вхідного контролю деталей, виготовлених з вуглепластикових матеріалів з низьким коефіцієнтом температурного розширення. Таким чином, стає можливим як вихідний контроль термостабільності великогабаритних виробів, так і моніторинг розміростабільності виробів в робочих умовах, в тому числі в умовах змінної вологості. Область практичного використання даних результатів - системи технічного зору, моніторинг стану технічних об'єктів космічного призначення, зокрема телескопів, ферменних конструкцій і антен космічного базування, виготовлених з матеріалів з низьким коефіцієнтом температурного розширення, а також проектування цифрових автоколіматорів.

EN: The purpose of this research was the evaluation of measurement accuracy for image motion in CCD matrix plane while creating a testing technology for thermal stability of technical products made of the carbon fiber reinforced plastic. Methodology. Mathematical modeling methods and digital image analysis (using MATLAB) have been used during the research. The magnitude of the image shear is suggested to be determined from the shift of the reference mark geometric center. Mathematic model of the laser spot digital image is used as a reference mark. Findings. Modeling technique for sub-pixel shear of a laser spot has been developed. Accuracy estimation of the image shear determination was made during the experiment. Impact of the change in the number of luminance quantization levels by preliminary processing of the original image was investigated for evaluation measurement sensitivity. The correspondence between the informative parameters of the technical image and the parameters characterizing the sub-pixel image shift has been confirmed. Originality of this study is the admission of the problem in controlling the thermostability of products made of carbon reinforced polymer composite materials by measuring the shear of digital images and investigating the effect of image recording conditions on the sensitivity and accuracy of measurements. Modeling techniques confirmed possibility of determining an image shear with sub-pixel accuracy using CCD matrix. Practical value. The solution of this problem will allow creating new measurement technologies for the input control of parts made of carbon reinforced plastic materials with a low coefficient of thermal expansion. Thus, it becomes possible as an output control of large-sized products thermostability, as well as monitoring the dimensional stability of products under operating conditions, including varying humidity conditions. The practical area of this results would be technical vision systems, aerospace technical facilities monitoring, particularly telescopes, truss structures and space-based antennas made of materials with a low coefficient of thermal expansion, as well as the design of digital autocollimators.