Разработка методов и средств дистанционного зондирования полихромных объектов дизайна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 17.00.06, кандидат технических наук Жуков, Владислав Леонидович

• Жуков, Владислав Леонидович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жуков, Владислав Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Цвет как основная характеристика объектов дизайна.

1.1. Природа цвета.

1.1.2 Количественная оценка цвета.

1.2.3 Современные компьютерные технологии.

1.2 Обзор патентной и технической литературы по видеоспектральным методам и устройствам.

2. Анализ современных тенденций развития и определение технических требований к элементной базе т видеоспектральным модулям. ^

3. Анализ схем построения, машинное моделирование, выбор и расчет оптических систем блоков макета видеоспектрального модуля ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазона.

3.1 Видеоспектральный модуль для исследования объектов дизайна, находящихся в бесконечности.

3.2 Видеоспектральный модуль для исследования объектов с конечного расстояния.

4. Разработка аппаратного и программного обеспечения управ- 93 ления работой макета видеоспектрального модуля и обработки видеосигналов

5. разработка проектов методик настройки и проверки спек- 101 трального и пространственного разрешения макета видеоспектрального модуля.

5.1. Методика юстировки блоков видеоспектрального модуля.

5.1.1 Юстировка входного объектива.

5.1.2 Юстировка блока входного коллиматора.

5.1.3 Юстировка входного объектива и коллиматора видеоспек- 106 трального блока.

5.1.4. Юстировка блока полихроматора.

5.2 Проверка пространственного и спектрального разрешений видеоспектрального модуля.

6. Исследование возможности построения юстировочно- 111 поверочного стенда для комплексного исследования важнейших параметров видеоспектральной аппаратуры (спектрального и пространственного разрешения).

7. Примеры реализации результатов исследований

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 °С 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.

Заключение диссертации по теме «Техническая эстетика и дизайн», Жуков, Владислав Леонидович

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 материалов; используемых для изготовления изделий; в 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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жуков, Владислав Леонидович, 2009 год

1. Гуревич, М. М. Цвет и его измерения Текст. / М. М. Гуревич. — М! : Изд-во Академии наук СССР, 1950. 270 с.

2. Шашков, Б. А. Цвет и цветовоспроизведение Текст. / Б. А. Шаш-ков. -М. : Книга, 1986. 286с.

3. Соколова, М. Л. Металлы в дизайне Текст. / М. Л. Соколова. — М. : МИССИС, 2003.- 175 с.

4. Луизов, А. В. Цвет и свет Текст. / А. В. Луизов . Л. : Энерго-атомиздат, 1989. - 256 с.

5. Козлов, М. Г. Светотехнические измерения Текст. / М. Г. Козлов, К. А.Томский. СП. : Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2004. - 320 с. ISBN 5-8122-0305-9.6. http://www.photofishka.ru/14.

6. Лич, Д. Auto Cad. Энциклопедия Текст. / Д. Лич. СП-б. : Питер, 2002.- 1072 с.

7. Мэрдок Келли, Л. 3ds max 8. Библия пользователя Текст. / Л. Кел-ли Мэрдок. Изд-во: Вильяме, Диалектика, 2007. — 1031 с.

8. Четвертных, Е. В. Компьютерная грамотность Текст. / Е. В. Четвертных. М.: Вектор, 1994. - 222 с.

9. Виханский, О. С. Геоинформатика Текст. / О.С. Виханский, А.Н. Голиченков, М. Н. Гусев . -М.: МГУ, 2005. 470 с.

10. Федченко, П. П., Спектральная отражательная способность некоторых почв Текст. /П. П. Федченко, К. Я. Кондратьев. — Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-232 с.

11. Ландсберг, Г. С. Оптика Текст. / Г.С. Ландсберг . — М. :Физматлит, 2006. 978 с.

12. Чапурский, Л. И. Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400 2500 нм Текст. / Л. И. Чапурский. - Изд.: МО СССР, 1986.-С146 с.

13. Гоутц, А. Ф. Дистанционное зондирование Земли в оптическом диапазоне Текст. / А. Ф. . Гоутц, Дж. Б. Уэллмэн, У. J1. Барнс // ТИИЭР. — 1985.-Т. 73, N6, С. 7-29.

14. Кронберг, П. Дистанционное изучение Земли Основы и методы дистанционных исследований в геологии Текст. / П. Кронберг. — М.: Мир, 1988. — С.343.

15. Patent No. 3614639.0 (Deutsches Patentamt, Munchen).

16. Proceedings of the Fourth Intern. Airborne remote sensing conf. and exhibit. Text. /21 Canadian symp. On remote sensing. 21-24 June 1999, Ottawa, Canada.

17. Proceedings of the Fourteenth conf. and workshops applied geologic re- ' mote sensing. 6-8 November 2000, Las Vegas, USA. •

18. Чиков, К. H, Видеоспектрометры для экологического мониторинга Текст. / К. Н. Чиков, В. В. Гуд, В. М. Красавцев, А. Н. Сандаков// Известия вузов. Приборостроение. 1998. - Т. 41, № 3. — С. 34-36.

19. Батян, П. В. Опыт использования видеоспектрометра ИТМО в натурных условиях Текст. / П. В. Батян, В. В. Гуд, И. А. Коняхин, В. М. Красавцев, К. Н. Чиков, В. Н. Груздев, Б. В. Шилин // Известия вузов Приборостроение, 2002. Т. 45, № 2. - С. 4548.

20. Кравцова, В. И' Дистанционное зондирование Земли в первой четверти? XXI века. FHG-ассоциация Текст. / В. И. Кравцова // Информационный бюллетень, 2002. -№3.-С. 3539. ^

21. Mende, S. В., Fuselier S. A. Ultraviolet imaging spectrometer for monitoring high-latitude precipitating patterns Text. / S. B. Mende // Optical Engineering, v. 32, № 12, 1993.-P. 3139 -3144.

22. А. Хани, GOME: новый инструмент для ERS-2 А Текст. / А. Ханши др. // ESA бюллетень, № 3, февраль 1993, С. 22-20.

23. Interball Mission^and Paylbad; Publisher "RSA, IKI, CNES", 1995.

24. Макаров, И. М. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления Тект. / И. М. Макаров и др. М. : Наука, 2006. - 357 с.

25. Пейсахсон, И. В. Оптика спектральных приборов Текст. / И. В. Пей-сахон . — Л .: Машиностроение, 1975. —312 с.

26. Гатчин, Ю. Дифракционный монохромато'р: патент на изобретение № 67253 / А. Ю. А. Гатчин, В. Л. Жуков, В. М. Красавцев, Б. П. Павлов, А. Н. Семенов, К. Н. Чиков / зарег. В Гос. Реестре изобретений РФ 10.10.2007-Бюл.№28.

27. Асадов, X. Г. Многокритериальная оптимизация систем дистанционного зондирования Тект. / X. Г. Асадов, М. Дж. Керимов // Петербургский журнал электроники. СПБ. : Электронстандарт, 2007, № 3. -С. 87-92.

28. Картовенко, В. А. Новое программное обеспечение для оптических спектрометров Текст. / В. А. Картовенко // Петербургский журнал электроники. СПБ. : Электронстандарт, 2008, №2-3. - С. 53-57.

29. Бирштейн, В. Я. Технология исследования и хранения произведений станковой и настенной живописи Текст. / В. Я. Бирштейн, В. П. Голиков. -М.: Изобразительное искусство, 1987. — 452 с.

30. Родионов, С. А. Автоматизация проектирования оптических систем Тект. / А. С. Родионов. JI. : Машиностроение, 1982. - 70 с.

31. Брилл, Т. Свет. Воздействие на произведения искусства Текст. / Т. Брил. М. : Мир, 1983. - 256 с.

32. Пучкова Т.А. Инструментальная оценка цвета материала Текст. / Т.

33. A. Пучкова. М., 1970. - 96 с.

34. Дегтярев, М. А.Анализ и технологическое обеспечение свойств декоративно-защитных металлических плазменных покрытий Текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / М. А. Дегтярев. СПГУТД. - СПб., 2008. - 18 с.

35. Барабашкина, Ю. А. Дизайн художественных изделий из цветных сплавов, декорированных покрытиями на основе титана Текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / Барабашкина Ю. А МГУПИ. - М., 2008. - 18 с.

36. Гой, М. В. Дизайн ювелирных изделий из золотых сплавов 585 пробы различной цветовой палитры Текст. : автореф. дис. . канд. техн. наук / М.

37. B. Гой.—МГУПИ. М., 2008. - 18 с.

38. Галдин, Н. М. Цветное литьё: Справочник. «Машиностроение» Текст. / Н. М. Галдин, Д. Ф. Чернега, Ю. В. Иванчук, Д. Ф. Моисеев, В.В. Чистяков. -М, 1989.-528 с.

39. Медведев, В. Ю. Стиль и мода в дизайне Текст. : учеб. Пособие для вузов / В. Ю. Медведев Изд. 2-е, перераб. и доп. - СПб.: СПГУТД, 2005. -116 с.

40. Алешина, А. Б. Реставрация памятников истории искусства в России в Х1Х-ХХ веках, история и проблемы Текст. / А. Б. Алешина. — М. : Академический проект: Альма Матер, 2008. 604с.

41. Лебедева, В. В. Техника оптической спектроскопии Текст. / В. В. Лебедева. М.: МГУ, 1977 - 384 с.

42. Троицкий, А. С. Разработка методик и средств фотометрического контроля технологических процессов и настройки -полиграфического оборудования Текст. : автореф. дис. . канд техн. наук /А. С. Троицкий. -СПГУТД.- СПб., 2006. 16 с.

43. Колгин, Е. А. Спектрометрическое устройство для идентификации пород древесины Текст. / Е. А. Колгин, А. А. Ухов и др. // Петербургский журнал электроники. СПБ. : Электронстандарт, 2008, № 2 — 3. - С. 110-119.

44. Колгин, Е.А. Спектрометры на основе полихроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения / Е.А. Колгин, Ухов А.А. , Са-вушкин А.В. // Петербургский журнал электроники. — СПБ. : Электронстандарт, 2008, №2-3.-С. 120-127.

45. Шифман, X. Ощущение и восприятие Текст. / X. Шифман. — М.Питер, 2003.-334 с.

46. Джаудд, Д. Цвет в науке и технике Текст. / Д. Джаудд, Г. Вышецки.1. М.: Мир, 1978.-592 с.

47. Отчет о научно-исследовательской работе, 1989,Разработка методики определения цвета злотых сплавов для внедрения международного стандарта ИСО «Цвета золотых сплавов» / ЛИСТ им. Ф.Энгельса—Л., 1989.-125 с.

48. Кизель, В. А. Отражение света Текст. / В. А. Кизель. М.: Наука, 1973.-352 с.

49. Горелик, С. С.Рентгенографический и электроннооптический анализ Текст. / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. М.: МИСИС, 1994. -327 с.