Анализ процессов автоматизации контроля и их практических реализации в виде программных средств обработки изображений на предмет их эффективной работы для рассматриваемой области

Существует множество процессов автоматизации контроля, основанных на обработке и распознавании изображений. Выбор совокупности используемых преобразований, во многом, зависит от подхода к решению задачи распознавания и анализа изображений. Можно выделить следующие подходы:

  • - перебор. В этом случае производится сравнение с базой данных, где для каждого вида объектов представлены всевозможные модификации отображения. Например, для оптического распознавания образов можно применить метод перебора вида объекта под различными углами, масштабами, смещениями, деформациями и т.д.;
  • - анализ характеристик образа. В случае оптического распознавания это может быть определение различных геометрических характеристик;
  • - нечеткие методы (искусственное нейронные сети, нечеткие множества). Методы данного типа требуют либо большого количества примеров задачи распознавания при обучении, от количества и качества которых напрямую зависит эффективность методов.

На сегодняшний день существует множество готовых программных решений автоматизации контроля на основе распознавания образов, применяющих процессы преобразования, соответствующие различным подходам к исследованию изображений. Среди программных комплексов, позволяющих решать задачи распознавания и анализа образов, можно выделить следующие основные подгруппы по спектру решаемых задач:

1) программные комплексы, предназначенные для редактирования изображений. Основной задачей таких программных средств является редактирование изображений для полиграфии и анимации, в том числе наложение масок, фильтров и 25

различных графических эффектов. К данным программным комплексам можно отнести Adobe Photoshop, Paint.NET, GIMP, ACDScc Photo Editor и др.;

  • 2) специализированные программные средства, входящие в состав аппаратно-программных комплексов, предназначенных для систем диагностики технических объектов (компьютерной радиографии, оптического контроля, микрофотографии и пр.). Примером таких комплексов являются аппаратно-программные комплексы компьютерной рентгенографии «ЕО8ЕОМАТ1К»(включающий в себя программу работы с рентгеновскими снимками «SOWA 193»), «Визир-МТ» и др;
  • 3) экспертные системы анализа изображений. Подобные комплексы предназначены для решения задач качественного и количественного анализа изображений микроструктур, материалов, порошков и прочих объектов. Программы позволяют получать площади, периметры, минимальные, максимальные и средние диаметры, параметры формы и вытянутости объектов. Так же возможно получение изучение характеристики распределения объектов (в том числе диаграммы свободных расстояний, гистограммы межцентровых расстояний и расстояний между объектами); характеристики анизотропии структур и многое другое. Примерами экспертных систем анализа изображений являются ImageExpert, Ident Smart Studio и др.
  • 1.3.1 Программные комплексы, предназначенные для работы с изображениями и их применимость к данной задаче

Рассмотрим основные программные пакеты для работы с изображениями и их анализом и их возможности применительно к рассматриваемой задаче распознавания параметров сварных соединений на снимках.

Работа оператора заключается в просмотре изображения (предварительно необходима обработка изображения для повышения контрастности и шумоподавления изображения), поиску дефектов на нем и расстановке метках на дефектах. Сравним результаты работы, выполняя действия над изображениями по следующему алгоритму: «Автоконтраст» или аналогичные функции; фильтр подавления шумов; -26

отрисовка метки о смещении центра литого ядра сварного соединения относительно области сварки; копия метки, её поворот и расположение на следующем дефектном соединении; возможность автоматизация процессов исследования по алгоритму. Сравним следующие программные продукты, предназначенные для работы с изображениями: Adobe Photoshop, Paint.NET, GIMP как наиболее широко распространенные и имеющими большие возможности в среде обработки изображений на рынке программных продуктов данного направления. Результаты сравнения приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Сравнение возможностей программ для обработки изображений относительно задачи работы со снимками деталей

Программный

продукт

Пример обработки целевого изображения

Сложность работы и временные затраты на обработку

1

2

3

Adobe

Photoshop

<<

я

Исходное изображение

Автоконтраст (возможна (автоуровни» приводящая ке результату)

  • - Медианный фильтр пода
  • 1 . . .

. так же функция примерно к тому

вления шумов

Удобный интерфейс, 5-30 минут на обработку одного листа

Продолжение таблицы 1.2

1

2

3

  • - Копирование и поворот метки
  • - Возможна запись макроса для повторения действия.

Paint.NET

  • - Автоуровни (функция «автоконтраст» отсутствует)
  • - «Ручное» уменьшение шума

Отсутствие автоконтраста, необходимость «ручного» создания новых слоев, отсутствие алгоритмов медианного шумоподавления. 10-30 минут на обработку одного листа

Радиус dj------------------------ 1

Лчтеноіеность

3 1

1 OK 1 1 Отмена 1

  • - Отрисовка метки инструментом «Линия».
  • - Копирование и поворот метки
  • - Невозможна запись макроса для повторения действия.

GIMP

  • - Автоуровни.
  • - Линейное сглаживание (медианный фильтр отсутствует).
  • - Отрисовка метки.

Отсутствие автоконтраста и алгоритмов медианного шумоподавления. 10-30 минут на обработку одного листа

Таким образом, как видно из таблицы, редактирование и анализ снимков в представленных графических редакторах не позволяет полноценно автоматизировать и ускорить работу оператора (5-30 минут на обработку одного листа вместо 20-40 при ручном просмотре рентгеновского снимка через увеличительное стекло, как это делалось ранее).

1.3.2 Программа анализа сканированных рентгеновских снимков «SOWA 193» Рассмотрим специализированный программный комплекс SOWA 193, который входит в поставку аппаратно-программного комплекса FOSFOMATIK (включающего в себя сканер рентгенографий с пластин - ACR-2000, выпускаемый под брендом KODAK), предназначенного для компьютерной радиографии для неразрушающего контроля.

SOWA 193 имеет инструменты для работы со сканированными изображениями, полученными при рентгеновской съемке и имеет следующие возможности:

  • - сканирование CR-пластин или радиологии фильмов и воспроизведение оцифрованных изображений для просмотра;
  • - просмотр и редактирования изображений в виде пиктограмм и в полный размер;
  • - комментирование изображений и нанесение специализированных меток для указания отклонений соединений от нормы (только предустановленные метки фиксированного размера, рисунок 1.12);
  • - применение обработки уровней яркостей изображений, а так же изменение контрастности и гаммы;
  • - передача изображений на другие узлы DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine, Индустриальный Стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских рентгеновских изображений) в сжатом или несжатых форматах;
  • - печать изображений на принтер Windows или DICOM-принтере.
Снимок с нанесенной меткой об отклонении соединения слева от метки по отношению к норме (выбор типа метки и правил указания не регламентирован; размер метки не регулируемый)

Рисунок 1.12 - Снимок с нанесенной меткой об отклонении соединения слева от метки по отношению к норме (выбор типа метки и правил указания не регламентирован; размер метки не регулируемый)

Тем не менее, программа так же имеет ряд существенных недостатков, затрудняющих работу с рентгенограммами:

  • 1) Для каждого снимка требуется ручная калибровка - выбор оператором объекта и ввод его реального размера (рисунок 1.13).
  • 2) Не имеется вывод на экран снимка в размер пластины и масштабирования отметок о положении центра соединения.
  • 3) Необходимо применять набор действий изменения яркостиконтрастности для каждого изображения.

4) Отсутствуют инструменты для автоматизации распознавания параметров соединений (размеры сварных точек, координаты центров, наличие трещин и пр.) и пакетной обработки снимков.

Калибровка размера

Окно детект./коэфф, калибр.

Эталон

@Большое

О Среднее

О Малое

0.0599

1.0000

10 mm

1.0000

Калибровка

Рисунок 1.13- Калибровка размеров в программе SOWA 193

1.3.3 Программный комплекс ImageExpert

Программа ImageExpert Pro предназначена для решения задач количественного анализа изображений микроструктур в металлографии, материалов и порошков в материаловедении и машиностоении, препаратов и объектов в медицине и биологии. Анализатор позволяет получать широкий спектр геометрических параметров элементов структуры, к наиболее важным из которых можно отнести процентные доли составляющих; площади; периметры; минимальные, максимальные и средние диаметры; параметры формы и вытянутости объектов; характеристики распределения объектов (в том числе ареальные диаграммы и диаграммы свободных расстояний, гистограммы межцентровых расстояний и расстояний между объектами); характеристики анизотропии структур и многое другое. Получаемые характеристики доступны как для каждого объекта в отдельности, так и в виде их статистической подборки. Анализатор позволяет представлять полученные распределения параметров в соответствии с требованиями российских и международных стандартов. Являясь универсальным инструментом, ImageExpert Pro 3 использует настройки стандартов не только включённые в поставку, но и позволяет пользователям самостоятельно настраивать анализатор на работу в соответствии с требованиями нужной нормативной документации. Анализатор предназначен для получения изображений анализируемых структур и материалов, наблюдаемых в микроскоп, с проведением оператором простых геометрических измерений элементов структуры в реальных физических единицах.

Адекватность при проведении измерений обеспечивается калибровкой аппаратно-программного комплекса по объект-микрометру или эталонной линейке. Для удобства пользователей в программе предусмотрено отображение текущего визуального увеличения, что достигается калибровкой программы по длине видимой части экрана.

Встроенный в программу мастер съёмки работает с широким спектром аналоговых и цифровых видеокамер (все устройства должны соответствовать стандарту драйверов Windows TWAIN или WDM). Пользователь имеет возможность наблюдать на экране компьютера «живое» изображение и сохранять отдельные его кадры. Для удобства оператора, при работе с камерами высокого разрешения реализована возможность ступенчатого масштабирования для режима отображения видео и, при необходимости, для сохраняемых изображений.

Анализатор поддерживает наиболее популярные графические растровые форматы: bmp, jpg, gif, tif, pcx, ped, psd. Полученные изображения могут быть со-32

хранены или распечатаны на принтере, в том числе и с включенным масштабным инструментом в виде мерного отрезка, сетки или перекрестия с рисками заданного шага.

Для загруженных в программу изображений ImageExpert Gauge позволяет получать такие геометрические параметры, как линейная длина; значения углов определяемых по трём точкам или по двум не пересекающимся отрезкам; параметры окружности определяемой по трём точкам на её границе; параметры выпуклого четырёхугольника, определяемого по четырём точкам в углах фигуры [59].

ImageExpert предоставляет возможность хранить в компьютере все требуемые эталонные шкалы, получать и сохранять изображения структур со шлифа, наблюдать на экране монитора одновременно анализируемую структуру и эталон, назначая этой структуре соответствующий балл (рисунок 1.14).

Анализ изображения посредством сравнения с внесенными

Рисунок 1.14 - Анализ изображения посредством сравнения с внесенными

шаблонами

Таким образом, возможно вести анализ соединений посредством улучшения воспринимаемости снимка за счет встроенных методов, проведения необходимых замеров соединений, сравнения с эталонными образцами. В то же время система не позволяет накладывать метки на изображения и выделять необходимые для распознавания сегменты, что не позволяет значительно снизить труд оператора при анализе рентгенограмм, предоставляя лишь некоторые средства необходимой автоматизации.

1.3.4 Экспертная система Ident Smart Studio

Ident Smart Studio представляет собой систему, работающую в следующих режимах: режим предметно-независимого анализа образов комплексных экосистем и режим по анализу биологических объектов в рамках экосистемы, позволяющий исследователям анализировать объекты.

Комплекс состоит из базового ядра (механизм распознавания образов, формирование информационной базы, мастер скриптов, визуализация объекта в 3D-пространстве) и набора дополнительных модулей, которые имеют свою специализацию. Отличительная особенность системы: отсутствие привязки к предметной области. Это позволяет более гибко использовать программный комплекс для решения задач в различных областях исследования [66]. Однако такой подход усложняет применение комплекс в узконаправленных областях, требующих определение специфических параметров объектов на снимках.

Система включает в себя такие модули как:

  • 1) модуль анализа базы знаний, предназначенный для анализа характеристик, описывающих эталонные образы. Реализовано несколько механизмов;
  • а) нечеткая кластеризация объектов информационной базы. Позволяет объединять образы в кластеры, анализируя признаки;
  • б) моделирование контуров на базе систем уравнений. Строит системы линейных уравнений для контура объекта. В результате имеется 2 системы уравнений, для верхнего и нижнего контуров;
  • в) статистический анализ видов. Для выбранных видов объектов возможно вычислить среднеквадратическое отклонение характеристик, среднее значение признака, что способствует построению усредненного контура;
  • 2) графический модуль. Предназначен для обработки изображений. Реализованы следующие фильтры: негатив, рельеф, градации серого, размытие. Имеется возможность сегментации и декорреляции (позволяет разбивать изображение на однородные области);
  • 3) поиск по шаблону Pattern Searcher. Данный программный модуль предназначен для анализа изображений, с целью определения на них однотипных классов объектов. Примером может служить подсчет численности диких животных на снимках, полученных при помощи аэрофотосъемки, приведенный на рисунке 1.15 [2].
Пример работы модуля Pattern Searcher

Рисунок 1.15 - Пример работы модуля Pattern Searcher

Таким образом, данная система позволяет частично автоматизировать работу оператора по обработке снимков за счет модуля обработки изображения, посредством которого возможна автоматизация настройки необходимой яркости и контрастности снимка и модуля Pattern Searcher, позволяющего выделять необходимые для анализа однотипные области снимка.

Недостатком Ident Smart Studio является невозможность автоматизировать процесс определения параметров найденный объектов (наличие трещин в сварных соединениях, размеры смещений и др.), что не позволяет осуществить возможности автоматизированного анализа качества соединения по снимкам, устранив ошибки, связанные с «человеческим фактором» (усталость, монотонность работы и пр.).

1.3.5 Сравнительный анализ применения рассмотренных практических реализаций к области автоматизации контроля рентгенограмм изделий

В таблице 1.3 приведено сравнение программных средств на предмет соответствия параметрам («+»» - соответствует; «-» - не соответствует) по следующему коду:

  • 1 - Свободно распространяемое.
  • 2 - Настраиваемая автокоррекция цвета.
  • 3 - Поддержка макросов.
  • 4 - Поддержка нелинейных фильтров обработки изображения.
  • 5 - Поддержка получения изображений со сканера.
  • 6 - Пакетная обработка изображений.
  • 7 - Наличие предустановленной базы автофигур.
  • 8 - Модули исследования изображений.

Таблица 1.3 - Сравнение функциональности программных средств

ПО

Описание

Функциональность

Гру ппа

Наз

ва

нне

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

И

Программы для работы отображениями

Ado b

Phot

osho

Р

Многофункциональный графический редактор. Последние версии программы поддерживает работу с форматами EXIF, в которых по умолчанию передаются изображения из большинства систем компьютерной радиографии.

-

+

+

+

+

+

+

-

Pain

t.

NET

Свободно распространяемый пакет обработки изображений под управлением Windows. Имеет поддержку слоев, специальные эффекты, и разнообразие инструментов.

+

-

-

+

+

-

+

-

GIM

P

Растровый графический редактор, программа для создания и обработки растровой графики и частичной поддержкой работы с векторной графикой. General Public License

+

-

+

+

+

+

+

-

АПК рентгенографии

SO

WA

193

Специализированный программный комплекс SOWA 193 входит в поставку аппаратно-программного комплекса FOSFOMATIK (включающего в себя сканер рентгенографий с пластин - ACR-2000, выпускаемый под брендом KODAK), предназначенного для компьютерной радиографии для неразрушающего контроля.

-

-

-

-

+

-

+

+

Продолжение таблицы 1.3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Экспертные программы для работы с изображениями

Ima ge

Exp ert Pro

Предназначена для решения задач количественного анализа изображений микроструктур в металлографии, материалов и порошков в материаловедении и машиностроении, препаратов и объектов в медицине и биологии. ImageExpert предоставляет возможность хранить в компьютере все требуемые эталонные шкалы, получать и сохранять изображения структур со шлифа, наблюдать на экране монитора одновременно анализируемую структуру и эталон.

-

-

-

+

+

+

-

+

Iden t

Sma

rt

Studio

Система позволяет исследователям анализировать объекты. Комплекс состоит из базового ядра (механизм распознавания образов, формирование информационной базы, мастер скриптов, визуализация объекта в 3D-пространстве) и набора дополнительных модулей, которые имеют свою специализацию.Однако такой подход усложняет применение комплекс в узконаправленных областях, требующих определение специфических параметров объектов на снимках.

-

-

+

+

+

+

-

+

На рисунке 1.16 и 1.17 приведены сравнение среднего количества обработанных снимков за один час и процентное отношение неверно распознанных объектов для распознавания для следующих приемов контроля: распознавание оператором «вручную»; анализ в графических редакторах; использование АПК SOWA 32.

вручную граф. SOWA32

редакторы (Photoshop, ЄІМРИТ.Д.)

Рисунок 1.16 - Распределение среднего количества обработанных снимков за один час

вручную граф. SOWA32

редакторы (Photoshop, ЄіМРит.д.)

Рисунок 1.17 - Распределение процентного отношения неверно распознанных объ ектов

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >