ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ВИДЕОЭНДОСКОПОВ

Александр Сергеевич Мачихин,

начальник отдела промышленных оптических систем ПА "МЕГА"

 

Введение

В настоящее время технические эндоскопы - оптические приборы для визуального контроля внутренних полостей промышленных объектов - находят все более широкое применение в различных областях технической диагностики: контроле авиационных [1] и автомобильных [2] двигателей, телеинспекции трубопроводов и теплообменников, осмотре труднодоступных мест строительных конструкций и др.

Это связано как с постоянным усложнением и удорожанием объектов контроля и, как следствие, стремлением обнаружить и предотвратить дефект на ранней стадии во избежание затрат на возможный ремонт, так и с тем, что средства эндоскопического контроля становятся все более доступными и разнообразными.

Первоначально оптоволоконные и жесткие линзовые эндоскопы представляли собой лишь средство визуального контроля [3]. Дополненные системами фото/видео документирования, состоящими из оптического адаптера и фото/видеокамеры, они стали телеинспекционными приборами, допускающими цифровую постобработку данных.

Недостатки оптоволоконных эндоскопов, прежде всего, низкое разрешение, привели к созданию нового класса эндоскопического оборудования - видеоэндоскопов. Кроме разумного совмещения в себе достоинств своих жестких и оптоволоконных предшественников, данные приборы сделали возможными компактное конструктивное исполнение, цифровую обработку фото и видео в реальном времени и проведение трехмерных геометрических измерений дефектов.

Таким образом, современный видеоэндоскоп представляет собой средство не только визуального, но также измерительного контроля, позволяющее существенно сократить время и стоимость обслуживания и ремонта сложных промышленных объектов.

Данная работа посвящена обзору и сравнительному анализу методов проведения измерений, которые в настоящее время используются в видеоэндоскопах.

Метод сравнительных измерений

 

Пример проведения сравнительных измерений

Данный метод, основанный на сравнении измеряемого расстояния с известным, является простейшим подходом к оценке размеров объекта. Приемлемая точность измерений обеспечивается при этом только в случае выполнения целого ряда условий: одновременной регистрации эталонного и исследуемого объекта, идентичности параметров съемки (масштаба и угла наблюдения) обоих объектов и др. В большинстве случаев, встречающихся на практике, данные условия выполнить затруднительно. Поэтому данный метод имеет существенные ограничения. Кроме того, метод сравнительных измерений не позволяет вычислять трехмерные координаты точки объекта и, вследствие этого, эффективен лишь в случае, когда измеряемый и эталонный объекты являются плоскими и лежат в одной плоскости.

Сравнительные измерения могут быть реализованы как с помощью встроенного программного обеспечения, так и с помощью программного обеспечения для постобработки, например, SRVISION [4].

Стереоскопический метод

Данный метод основан на регистрации двух изображений сцены под различными ракурсами. В этом случае относительное положение изображений точки сцены на снимках зависит от дальности до точки. Сопоставляя эти изображения, возможно при определенных условиях реконструировать трехмерные координаты точки [5, 6].

В отличие от классической стереоскопической системы, состоящей из двух видеокамер, оптическая система стереообъектива видеоэндоскопа объединяет в себе два канала регистрации, работая при двух положениях входного зрачка, расположенных так, что поля зрения каналов частично перекрываются [7]. За счет этого реализуется пространственное разделение стереоизображений на одной ПЗС-матрице приемника излучения.

 

Стереоскопический метод измерения геометрических параметров

Процедура обработки стереоизображений заключается в следующем. Используя данные предварительной калибровки внутренних параметров каждого канала стереообъектива и параметров взаимного ориентирования каналов, с помощью корреляционного анализа определяют положение точки на изображениях стереопары [5, 6].

Таким образом, участие пользователя в процессе стереоскопических измерений сводится к предварительной калибровке стереообъектива, регистрации стереопары и задании точек для измерения необходимой геометрической величины. При необходимости возможна поверка стереообъектива посредством поверочного блока.

Очевидно, что использование корреляционного анализа, весьма чувствительного к текстуре объекта, накладывает существенные ограничения на использование стереоскопического метода. Так, например, на гладких слаботекстурированных поверхностях автоматическое определение положения точки, сопряженной с заданной, происходит с большой погрешностью, а ручное - крайне затруднительно. По этой причине результатам стереоскопических измерений можно доверять только при строгом соблюдении ряда условий: проведена калибровка, условия съемки (освещенность и рабочее расстояние) соответствуют расчетным для данного объектива, объект измерений обладает богатой текстурой и др. При соблюдении этих условий погрешность измерений стереоскопическим методом определяется исключительно параметрами системы регистрации и геометрией съемки.

Параллаксный метод

Принцип действия устройств для осуществления трехмерных измерений на основе параллаксного метода заключается в подсветке объектов определенным образом сформированным в пространстве пучком света и регистрации отраженного излучения, причём визирные оси систем подсветки и регистрации при этом не параллельны, а составляют некоторый угол.

 

Пример проведения стереоскопических измерений

В видеоэндоскопах подсветка пространства предметов, как правило, осуществляется пучком, диафрагмированным полосовой меткой (теневой метод), или системой узких пучков (многоточечный метод). Геометрические параметры объектов, попадающих в поле зрения приёмной части системы, определяются методом триангуляции в процессе анализа изображения, содержащего пересечение наблюдаемых объектов и пучков излучения подсветки [6]. При необходимости возможна поверка теневого объектива посредством поверочного блока.

Отсутствие необходимости предварительной калибровки является существенным достоинством данного метода по сравнению со стереоскопическим. Заявленная производителем точность измерений обеспечивается за счет высококачественного изготовления теневого объектива и применения специализированного программного обеспечения для цифровой обработки изображений.

Сравнительный анализ

Основные показатели, определяющие точностные и эксплуатационные характеристики вышеописанных методов, могут быть охарактеризованы следующим образом. Погрешность измерения расстояний при сравнительном методе составляет 0,1 мм. Для стереоскопического и параллаксного методов она составляет 0,03 мм Теоретический анализ и богатый опыт практического применения показывает, что только совместное использование стереоскопического и параллаксного методов измерений позволяет наиболее полно решать задачу визуально-измерительного контроля промышленных объектов независимо от характера текстуры поверхности и условий наблюдения.

В настоящее время ведущие производители технических видеоэндоскопов выпускают измерительные модели. Например, приборы Olympus реализуют сравнительный и стереоскопический методы. Только в приборах Everest VIT GEIT (серии XL GO и XLG3) реализованы все три типа измерений, что делает данные приборы универсальным инструментом визуально-измерительного контроля. Они в равной степени подходят как для измерения геометрических параметров дефектов на гладких однородных поверхностях, так и определения формы и размеров дефектов на сложном текстурированном фоне.

Заключение

Использование видеоэндоскопов в качестве общепризнанных средств измерений в Российской Федерации затруднено их отсутствием в Государственном реестре средств измерений. Это объясняется как объективными (зависимость точности измерений от многих факторов, отсутствие надежных методик поверки и др.), так и историческими (в России никогда серийно не выпускались подобные приборы) причинами.

В настоящее время измерительные видеоэндоскопы внесены в ряд отраслевых реестров (ФСВТ России и др.) и с успехом используются на большинстве ведущих предприятий авиационной, нефтегазовой и других отраслей отечественной промышленности, среди которых ОАО "НПО "Сатурн", ОАО "Протон-ПМ", "НПО ЭНЕРГОМАШ им. академика В.П. Глушко" и пр. Эффективность использования данных приборов подтверждается снижением затрат на ремонт контролируемого оборудования и продлением срока его службы.

Литература

1. Мачихин А.С. Современные технологии визуально-измерительного контроля авиационных двигателей. // Двигатель, 2009. № 1. С. 26-28.
2. http://www.endoservice.ru/
3. Чигорко А.Б., Чигорко А.А. Узлы и системы волоконно-оптических эндоскопов. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. 134 с.
4. http://www.srvision.ru/
5. Грузман И.С., Киричук В.С. и др. Цифровая обработка изображений в информационных системах. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.
6. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. - М: Вильямс, 2004. 928с.
7. Мачихин А.С. Однокамерная сканирующая стереоскопическая система для реконструкции трехмерной структуры объектов. // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - № 38. - С. 142-146.