Наименование, шифр СЧ ОКР, основание, исполнитель и сроки выполнения
СЧ ОКР
1.1 Наименование: «Разработка программного средства построения статического 3D изображения с использованием структурированной подсветки («Модуль1»).»
1.2 Основание для выполнения: Программа дисциплины «ЛО и ПО САПР»
1.3. Исполнитель: студент ….
1.4 Срок выполнения: начало — 01.10.2011, окончание – 01.12.2011.
Цель выполнения ОКР, наименование и индекс изделия
2.1 Целью выполнения ОКР является разработка программного средства построения статического 3D изображения с использованием структурированной подсветки («Модуль1»).
2.2 Наименование изделия: Модуль1.
Тактико-технические требования к изделию
3.1 Состав изделия
3.1.1 В состав в ПО входят следующие элементы:
- ПО пользовательского интерфейса, совместимого с ПО пользовательского интерфейса АРМ.
- Программное средство построения статического 3D изображения с использованием структурированной подсветки («Модуль1»).
- комплект эксплуатационной документации;
3.2 Требования назначения
3.2.1 Общие требования
3.2.1.1 Модуль1 предназначен для построения статического 3D изображения с использованием структурированной подсветки. ПО преобразует изображение объекта, подсвеченного прериодической структурой в виде полос, искаженной профилем поверхности объекта.
3.2.1.2 Модуль1 должен обеспечивать решение следующих задач:
· Построение статического 3D изображения по плоскому изображению объекта, подсвеченного прериодической структурой в виде полос, выбранного пользователем из буфера обмена АРМ.
· Просмотр 3D изображения в аксонометрической проекции с возможностью изменения ракурса.
· Занесение полученного статического 3D изображения в буфер обмена АРМ.
3.2.1.3 Прикладное программное обеспечение должно быть реализовано в среде MatLab.
3.2.2 Модуль 1 должен быть реализован в среде операционной системы Windows XP.
3.2.3 Порядок и способы взаимодействия с сопрягаемыми объектами
3.2.3.1 Исходные данные и результаты обработки данных должны храниться в буфере обмена АРМ. Протокол обмена устанавливает разработчик ПО пользовательского интерфейса АРМ.
3.2.3.2 ПО должно позволять обрабатывать данные в форматах BMP, JPEG.
3.3 Требования надежности.
Необходимо обеспечить выработку диагностических сообщений при нештатных действиях пользователя.
Требования к видам обеспечения.
4.1 Требования к математическому, программному и информационно-лингвистическому обеспечению.
4.1.1 Модуль 1 должен разрабатываться в соответствии с ЕСПД, ГОСТ 28388-89, ГОСТ 19.101 - 77 - ГОСТ 19.508 - 79
4.1.2 ПО должно быть разработано в среде MatLab.
4.1.3 4.1.3 В комплект поставки ПО входят: пояснительная записка, комплект исходных текстов, исполняемые и служебные модули, требуемые
библиотеки, Руководство оператора.
4.1.4 Порядок работы с ПО должен быть изложен в Руководстве по эксплуатации.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Устройство для бесконтактного контроля
линейных размеров трехмерных объектов.
Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов.
Известны устройства, реализующие принцип "структурированной подсветки", которые используются в трехмерной компьютерной анимации и некоторых других приложениях для регистрации формы поверхности.
Известен способ и устройство, его реализующее для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ, содержит лазер, сканер, объектив, фоторегистратор, и блок обработки информации. (см.,например,, описание изобретения к патенту РСТ №WO 98 /27514 от 25.06.98 заявка № РСТ / IB97/01649 от 15.12.96 кл.).
Недостатком известного устройства является низкая точность и длительное время контроля, связанные с наличием операции и блока сканирования.
Известен способ и устройство, его реализующее для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных периодических полос. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения камеры часть поверхности и судят о контролируемых размерах по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержит источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением радужных полос, объектив, проецирующий изображение возникающей на поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины радужных полос, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины высот рельефа.
(см.,например, описание изобретения к патенту РСТ № WO 00/ 70303, PCT/ US99/ 70303, кл. G01B 11/24, 23.11.2000).
Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная неоднозначным отражением подсвечивающего пучка от поверхности цветного объекта и отсутствие в отраженной картине информации о сквозных отверстиях.
Известен способ и реализующие его устройства контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Способ заключается в том, что на объект проецируется система концентрических полос,создаваемая путем подсветки когерентным излучением, содержащим спекл-структуру либо в виде системы концентрических полос, либо в виде хаотично расположенных зон, форма которых единообразна. Искаженная рельефом поверхности структурированная подсветка регистрируется при изменении длины волны излучения по меньшей мере два раза. Полученная таким образом псевдоголограмма содержит систему интерференционных полос, расстояние между которыми в разных точках соответствует высоте рельефа. Соответствующая обработка на ЭВМ совокупности данных о величине вышеуказанных расстояний позволяет судить о рельефе поверхности контролируемого обьекта.(см., например, М.Франсон. Оптика спеклов. – М.:Мир, 1980, с.141-143)
Недостатком известного способа и реализующих его устройств является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного. Кроме того, сквозные отверстия таким образом также не удается идентифицировать, так как зоны структурированной подсветки характеризуются высокой степенью схожести
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа координат контролируемой поверхности является устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, объектив, проецирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины координат контролируемой поверхности по формуле:
Z (X, Y) = 
; где: Z – значение высоты профиля поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X,Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры, 
- величина искривления полосы в этой точке, 
- угол межу направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива. (см. например описание изобретения к патенту РСТ №WO 99/58930, PCT/US99/106777, кл. G01B 11/24 1999г.) Недостатками известного устройства является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта оптического изучения, промодулированного транспарантом вдоль одной координаты, возникает изображение с линейчатой структурой и искажения картины, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями и, тем более, сквозными отверстиями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Поскольку высота рельефа определяется по величине искажений линий, отсутствие в изображении собственно линий не позволяет распознать отверстия на контролируемой поверхности. Кроме того, при определенных значениях впадин и выпуклостей на поверхности, по искажениям полос, величина которых превышает расстояние между полосами, невозможно идентифицировать высоту рельефа и две другие координаты. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения предполагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении точности контроля линейных размеров трехмерных объектов и расширении возможностей при проведении контроля, поскольку контролируемый объект может располагаться без жесткого позиционирования благодаря снабжению устройства дополнительным объективом и выполнению транспаранта в виде пространственного модулятора интенсивности оптического излучения, а электронный цифровой блок выполнен с дополнительным выходом для управления пространственными модуляторами интенсивности оптического излучения,
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи с достигаемым результатом
Новизна предложенного устройства усматривается в том, что оно снабжено вторым объективом для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, установленным за транспарантом на расстоянии, равном проекционному, выполненным в виде афокальной оптической системы, вторым электроным блоком сложения цифровых изображений, соединенным своим входом с выходом фоторегистратора, а выходом – со входом первого электронного цифрового блока, транспарант выполнен в виде управляемого пространственного модулятора интенсивности оптического излучения с возможностью формировать структурированную подсветку в виде апериодической системы полос, первый электронный цифровой блок снабжен дополнительным выходом, соединенным со входом управления модулятором интенсивности оптического излучения и выполнен с возможностью управлять пространственной модуляцией интенсивности оптического излучения.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизна», так как оно не известно из уровня техники.
Предложенное устройство является промышленно применимым существующими средствами, так как его реализация не требует создания новых элементов, материалов и технологий, поскольку пространственные модуляторы интенсивности оптического излучения реализуются с помощью жидких кристаллов, и соответствует критерию “изобретательский уровень”, так как оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо элементов и связей между элементами, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, направленных на достижение указанного технического результата.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит источник 1 излучения, транспарант 2, дополнительный объектив 3, установленный за транспарантом 2 на расстоянии, равном проекционному, объектив 4, фоторегистратор 5, установленный в плоскости изображения объектива 4, дополнительный электронный блок 6, соединенный своим входом с выходом фоторегитсратора 5, цифровой электронный блок 7, вход которого соединен с выходом дополнительного электронного блока 6, а выход - с управляющим входом транспаранта, выполненного в виде пространственного модулятора интенсивности оптического излучения.
На фиг.2 изображена первая реализация функции пропускания транспаранта 2. На фиг.3 приведена вторая реализация функции пропускания транспаранта 2. Сплошные линии на Фиг.2 и Фиг.3 кодируются единицей, пунктирные соответствуют отсутствию полосы в реальном транспоранте и кодируются нулем. Обе реализации цифрового изображения линейчатой структуры и соответствующий им код в виде последовательности нулей и единиц хранятся в памяти цифрового блока 6.
На фиг.4 приведено цифровое (бинарное) изображение линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта при ее искажениях рельефом поверхности при подсветке линейчатой структурой,изображенной на Фиг.2
Устройство работает следующим образом (см. Фиг.1). Изображение транспаранта 2 проецируется на поверхность контролируемого объекта, рельеф которой однозначным образом искажает изображение транспаранта 2. Объектив 3 проецирует возникающую на поверхности картину искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структурированной подсветки на чувствительную площадку фоторегистратора. Электронный блок 5 осуществляет преобразование цифрового изображения множества искаженных полос, поступающего с выхода фоторегистратора 4 в массив значений координат Z i, j. Отсчеты i соответчствуют координате X, j – Y. Одновременно в памяти дополнительного электронного блока 6 записывается последовательность единиц и нулей, кодирующая последователность линий в структурированной подсветке, сформированной первой реализацией функции пропускания транспаранта 2 (то есть -«1» линия есть, «0» – линии нет). В памяти электронного блока 6 формируется суммарная картина линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта (см.Фиг.4). одновременно в памяти дополнительного электронного блока 6 формируется код, полученный суммированием кодовых последовательностей, соответствующих кодам первой и второй реализации функции пропускания транспаранта 2. При этом сумме двух единиц (т.е. изображений двух линий соответсвует код «11»), а сумме изображений линии и пробела – коды «10», либо «01». Таким образом каждая линия (полоса) в и цифровом (бинарном) изображении линейчатой структуры, возникающее после сложения двух вышеуказанных изображений в дополнительном электронном блоке 6 кодируется номером в виде двоичного кода. Число повторений вышеописанного цикла устанавливается в зависимости от размеров изображения регистрируемого объекта и практически ничем не ограничено.
Поскольку расстояния между полосами, образующими структурную подсветку, в зарегистрированной картине не повторяются, при обработке изображения в цифровом электронном блоке каждая полоса, искаженная рельефом поверхности контролируемого объекта, однозначно идентифицируется по своему коду(номеру), что, в свою очередь, делает возможным однозначно вычислять высоту рельефа и соответствующую пару координат. В результате повышается точность и достоверность контроля.
Данное предложение может с успехом использоваться в технологических процессах формообразования объектов сложной формы (лопатки турбин и.т.п). Кроме того, оно может использоваться в различных приложениях компьютерной трехмерной графики.
Литература:
Техническое зрение роботов.-под. ред. А.Пью.;пер.с англ. – М.:Машиностроение, 1987. С.56-57
М.Франсон. Оптика спеклов. – М.:Мир, 1980, с.141-143)
Формула изобретения
Устройство для бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, объектив, проецирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, пересчитывающий фиксируемые фоторегистратором цифровые изображения в величины координат контролируемой поверхности по формуле: Z (X, Y) = 
; где: Z – значение высоты профиля поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X,Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры, 
- величина искривления полосы в этой точке, 
- угол межу направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива, ОТЛИЧАЮЩЕЕСЯ тем, что оно снабжено вторым объективом для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, установленным за транспарантом на расстоянии, равном проекционному, выполненным в виде афокальной оптической системы, вторым электроным блоком сложения цифровых изображений, соединенным своим входом с выходом фоторегистратора, а выходом – со входом первого электронного цифрового блока, транспарант выполнен в виде управляемого пространственного модулятора интенсивности оптического излучения с возможностью формировать структурированную подсветку в виде апериодической системы полос, первый электронный цифровой блок снабжен дополнительным выходом, соединенным со входом управления модулятором интенсивности оптического излучения и выполнен с возможностью управлять пространственной модуляцией интенсивности оптического излучения.
РЕФЕРАТ
Предполагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов. Устройство реализует метод структурированной подсветки. Оно содержит источник оптического излучения, транспарант, выполненный в виде пространственного модулятора интенсивности оптического излучения, дополнительный объектив для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, объектив, проецирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, цифровой электронный блок, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины координат контролируемой поверхности по формуле: Z = ; где: Z – значение высоты профиля поверхности контролируемого объекта в точке с координатами X,Y, пересекаемой какой-либо полосой линейчатой структуры, 
- величина искривления полосы в этой точке, 
- угол межу направлением излучения от источника оптического изображения и оптической осью объектива. Электронный цифровой блок выполнен с дополнительным выходом для управления пространственными модуляторами интенсивности оптического излучения, соединенным со входом управления модулятором интенсивности оптического излучения и с возможностью управлять пространственной модуляцией интенсивности оптического излучения. Благодаря тому, что структурированная подсветка формируется в виде апериодической системы полос, каждая полоса, искаженная рельефом поверхности контролируемого объекта, однозначно идентифицируется, что, в свою очередь, делает возможным однозначно вычислять высоту рельефа и соответствующую пару координат
 | |||
 | |||
3
 |  | ||||
 | |||||
4
Фиг.1. Схема осуществления способа бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов. 1- источник оптического излучения, 2- пространственный модулятор излучения (транспарант, слайд), 3 – первый объектив, 4 – второй объектив, 5 – фоторегистратор, 6 – цифровой электронный блок, 7 – блок индикации регистрируемого изображения.
 | ||||||
| ||||||
 | ||||||
|
- искажение
полосы на рельефе поверхности контролируемого объекта
Фиг. 4
Пример изображения объекта, подсвеченного структурированной подсветкой. а) фотография объекта, подсвеченного структурированной подсветкой. б) «скелет» 3D – изображения.
ПРИМЕЧАНИЕ
С точки зрения задач, решаемых в курсовых проектах приведенное выше описание патента является избыточным по следующим пунктам:
- В проекте принимается, что структурированная подсветка не претерпевает разрывов на поверхности. Поэтому фотографии будут представлены в (в конце сентября) в виде изображения объекта, подсвеченного периодической структурой полос.
 |
Для упрощения отладки разрабатываемого ПО на прервом этапе проектирования необходимо создать рисунок простейшей искаженной структуры («скелета») (например, в среде PaintBrash).
- Структуру устройства, представленную на Фиг. 1, применительно к задачам проектирования следует трактовать следующим образом:
· цифровой электронный блок 6 реализуется, как ПО, преобразующее файл с изображением подсвеченного объекта в массив Z i.j
· блок индикации регистрируемого изображения 7 реализуется, как ПО, преобразующее файл c массивом Z i.j в соответствии с задачами проекта, а также, по выбору пользователя позволяет построить аксонометрический график (3D –изображение).