1. ВВЕДЕНИЕ
Фотограмметрическая система Photomicrometer 3D находится на рынке с 2019 года и уже зарекомендовала себя как эффективное автоматизированное средство, позволяющее дистанционно выполнять высокоточный мониторинг трещин и деформационных швов по трем координатным осям. Сегодня систему успешно используют десятки организаций в России и других странах.
В тоже время, как показывают маркетинговые исследования, на рынке существует запрос на более простое и бюджетное решение, построенное на тех же принципах.
В данной статье мы представляем такое устройство и основанную на нем фотограмметрическую технологию мониторинга трещин, выход которых на рынок планируется в ближайшие месяцы.
2. МЕТОДИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Технология мониторинга состоит из маяка, цифровой фотокамеры и программы PhotoMicrometer C.
Маяки могут быть двух видов: для одномерных (PMC-1D) и двухмерных (PMC-2D) определений (Рис. 1).
Рис.1.1. Маяк PhotoMicrometer C для одномерных измерений.
Рис.1.2. Маяк PhotoMicrometer C для двухмерных измерений.
2.1. Маяк PMC и принцип его действия
Устройство и принцип работы маяка представим на примере более простой модели. Маяк PMC (PhotoMicrometer Contrast) представляет собой две пластины, изготовленные из белого пластика толщиной 0.5 – 0.8 мм. на которых напечатаны марки Аруко и измерительные области черного цвета, обозначенные С1, С2, С3 и С4 на Рис. 2.
Рис.2. Широкая и узкая пластины маяка с обозначением измерительных областей
Все области имеют одинаковую высоту, а С1 и С2 – и одинаковую ширину. В данном исследовании тестировался маяк с размерами широкой пластины 50х90 мм., и размерами областей С1 и С2 – 15 мм.
Для мониторинга трещины маяк устанавливается так, как показано на Рис.3.
Рис.3. Установка маяка для мониторинга трещины
Как видно на рисунке, широкая пластина имеет прорези куда продевается узкая пластина таким образом, что часть измерительных областей С3 и С4 скрываются под широкой пластиной. Широкая и узкая пластины закрепляются (приклеиваются) по разные стороны исследуемой трещины.
Принцип работы маяка заключается в том, что при увеличении (уменьшении) ширины раскрытия трещины будет изменяться ширина видимой части областей С3 и С4. При этом ширина областей С1 и С2 не изменяется, и их размеры используются как опорные. Текущее положение и размер измерительных областей можно зафиксировать, выполнив фотосъемку маяка. А используя известные исходные размеры областей С1 – С4 в миллиметрах и измеренные на снимке размеры их изображений в пикселях, можно точно определить текущую ширину областей С3 и С4 в миллиметрах, даже не прибегая к сложным фотограмметрическим расчетам.
2.2. Фотокамера
Для мониторинга с маяком PMC может применяться любая цифровая фотокамера. При выборе камеры для мониторинга важным требованием является возможность получать детальные снимки с разных расстояний, поэтому удобным является применение телеобъективов с переменным фокусным расстоянием и камер-телекомпактов.
2.3. Программа PhotoMicrometer C
Программа PhotoMicrometer C (Рис.4.) специально создавалась для работы с маяками данной конструкции и позволяет выполнять полную автоматизированную обработку снимков от измерений марок до создания отчетов мониторинга.
Основные функции программы, следующие:
- загрузка снимка или снимков, выполненных в текущем цикле мониторинга и автоматическое нахождение изображения маяка на снимке/снимках (Рис. 4);
Рис.4. Интерфейс программы Photomicrometer C.
- автоматическое определение номера маяка, автоматическое распознавание измерительных областей С1 – С4 по положению марок Аруко;
- бинаризация изображения измерительных областей С1 – С4 и подсчет числа черных пикселей в каждой области (Рис.5);
Рис.5. Нахождение измерительных областей и подсчет числа черных пикселей в них.
- вычисление отсчета X цикла мониторинга и оценка точности:
Здесь Si – сумма черных пикселей i-й измерительной области Ci, автоматически подсчитанная программой на изображении маяка после его бинаризации; L – физическая ширина областей С1 и С2 в миллиметрах.
Если наблюдения в цикле состоят из нескольких (n) снимков, то отсчет X и среднеквадратическая ошибка mx вычисляются следующим образом:
При наличии результатов нескольких циклов наблюдений маяка, программа вычисляет разности ∆ отсчетов X каждого цикла и начального, которые отражают динамику развития трещины в месте установки маяка. Результаты мониторинга могут быть выведены в виде таблиц и графиков.
3. ИССЛЕДОВАНИЯ, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
Работа системы тестировалась по следующим критериям:
- влияние дисторсии на результаты измерений;
- влияние расстояния съемки на точность измерений;
- влияние ракурса съемки на результаты измерений.
3.1. Исследование влияния дисторсии на результаты измерений.
Был проведен целый ряд исследований по влиянию дисторсии на результаты измерений и определений и основной вывод можно сформулировать следующим образом:
- если не использовать широкоугольную оптику и выполнять съемку с расстояния более 1 метра, то влияние дисторсии окажется незначительным и будет меньше точности выполняемых измерений и определений.
3.2. Исследование влияния расстояния съемки на точность измерений
Для данного исследования маяк был закреплен на механическом микрометре с ценой деления шкалы 0.01 мм. Съемка маяка выполнялась камерой Nikon Coolpix P900 последовательно с расстояний 1, 10, 20, 30, 40 и 50 метров. Затем на шкале микрометра была выполнена имитация раскрытия трещины на величину 0.5 мм., и съемка повторилась в обратной последовательности. Всего на каждой позиции было выполнено по 5 снимков. Результаты обработки приведены на графике (Рис.6). Как можно видеть на графике, сдвиг в 0.5 мм. четко читается, а максимальный разброс значений наблюдается при расстоянии съемки в 50 м. (амплитуда составляет 0.13 мм., среднеквадратическое отклонение – 0.048 мм.).
Рис. 6. График взаимного положения двух пластин относительно начального по результатам обработки снимков, выполненных с разных расстояний.
Результаты данного и ряда других исследований позволяют утверждать, что система надежно обеспечивает точность определений 0.05 мм. при расстояниях съемки от 1 до 50 метров.
3.3. Исследование влияния ракурса съемки на результаты измерений.
Для данного исследования маяк PMC-1D с неизменным положением измерительных областей фотографировался под разными углами наклона и поворота. Как показали результаты исследований система дает стабильные результаты при вертикальных углах наклона съемки от -60 до +60 градусов и разных углах поворота в плоскости стены. При этом угол горизонтального поворота начинает оказывать систематическое влияние начиная с величины более 20 градусов. Таким образом, если придерживаться указанных ограничений в ракурсах съемки, то можно получать результаты мониторинга с точностью 0.05 не прибегая к фотограмметрическим расчетам и преобразованиям. Если же данные ограничения выдержать не удается, то в программе PhotoMicrometer C есть функция трансформирования снимков (Рис. 7).
Рис. 7.1. Измерение исходного изображения.
Рис. 7.2. Измерение исходного трансформированного изображения.
В программе реализован алгоритм обратной фотограмметрической засечки (ОФЗ), который позволяет теоретически строго вычислить три Эйлеровых угла, ориентирующих главный луч съемки относительно системы координат маяка. Трансформирование снимков (Рис. 7) выполняется на найденные из решения ОФЗ углы. Применение данного алгоритма позволяет расширить возможности обработки данных снимков, но и налагает некоторые дополнительные требования на качество изготовления маяков.
Подводя итог можно сказать, что представленная система позволяет по одиночным снимкам выполнять мониторинг величины раскрытия трещин с точностью на уровне 0.05 мм., при расстояниях съемки до 50 метров и при разных ракурсах съемки.
Используя показанные на Рис.1 маяки PMC-1D и PMC-2D, можно выполнять автоматизированный мониторинг по снимкам как по одной, так и по двум координатным осям.
Кроме того, на маяке PMC-1D нанесена шкала с нониусом, позволяющая вручную взять отсчет с точностью до 0.1 мм., и делает возможным применять данное устройство как обычный механический щелемер без использования фотоснимков и методов фотограмметрии, что иногда может быть полезным.
Выход системы Photomicrometer 1D/2D рынок планируется в начале 2022 года.
---
Программный комплекс ScanIMAGER предназначен для обработки результатов трехмерного лазерного сканирования применительно к архитектурным обмерам. Он построен по модульному принципу и поставляется в различных модификациях.