Способ получения изображения развертки поверхности деформированных цилиндрических объектов

 

Изобретение относится к телевизионной микроскопии и может быть использовано в промышленности при автоматизации контроля качества и, особенно, криминалистике для проведения баллистических экспертиз пуль стрелкового оружия, а также создания и хранения банка данных пулетек для последующей идентификации оружия по следам на пулях. Техническим результатом является повышение разрешающей способности и минимизации искажения изображений, вызванных "сшивкой" между кадрами. Для этого перед записью каждого кадра поверхности исследуемого объекта, соответствующего одному угловому шагу, после предварительного фокусирования объекта производят компьютерный анализ изображения на объекте светового штриха, выделяют границы фрагментов записи поверхности объекта, отстоящих от плоскости наилучшей фокусировки на расстояния, кратные величине глубины резкости проектирующей оптической системы, затем последовательно производят запись фрагментов, каждый раз перемещая объект вдоль оптической оси на величину, равную глубине резкости, корректируют разворот поверхности объекта, анализируя изображение светового штриха внутри каждого фрагмента, и синтезируют из фрагментов запись полного кадра, а для синтеза полной развертки определяют положение границы кадра, являющейся общей с последующим кадром записи, а по ней определяют ширину смежных полукадров текущего и последующего кадра. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области телевизионной микроскопии и может быть использовано в промышленности при автоматизации контроля качества и особенно в криминалистике для проведения баллистических экспертиз пуль стрелкового оружия, а также создания и хранения банка данных пулетек для последующей идентификации оружия по следам на пулях.

Социальный аспект актуальности данного изобретения не вызывает сомнений, технический - заключается в том, что получение с высокой разрешающей способностью полной развертки изображения боковой поверхности сильно деформированных пуль (именно большинство таких объектов поступает с мест преступлений) дает эксперту максимум информации для успешного проведения идентификационной баллистической экспертизы.

Известны два основных принципа получения изображения полной развертки цилиндрической поверхности объектов: принцип непрерывного "щелевого" сканирования и принцип последовательного покадрового сканирования и последующей "сшивки" кадров. Все известные способы получения изображения развертки (включая и лазерное сканирование) реализуют один или другой принцип.

Основа способов, реализующих первый принцип, состоит в том, что поверхность равномерно вращающегося вокруг своей оси объекта проецируют оптической системой через щелевой "затвор" (или его аналог) на фотоприемник. При этом в каждый момент времени регистрируется узкий фрагмент цилиндрической поверхности, определяемый параметрами проектирующей оптической системы и шириной щелевого "затвора" и мало отличающейся от плоскости и, в результате последовательной фиксации этих фрагментов, отображается полная развертка. Развитие этих способов связано с развитием фотоприемников и применением современных цифровых технологий. В ранних разработках фотоприемник - равномерно перемещающаяся фотопленка или фотопластинка, скорость которой синхронизована со скоростью движения изображения в фокальной плоскости (практически музейные установки "Развертка" и "РФ-4", НИИСТ МВД РФ). В более поздних разработках фотоприемник - ПЗС - линейка, сигнал с которой оцифровывают синхронно с поворотом объекта и запоминают по столбцам в памяти ЭВМ (установка АССП "Волонтер", НИИСТ МВД РФ).

Общим недостатком устройств, реализующих эти способы, является низкая разрешающая способность (например, для АССП "Волонтер" - 25 мкм), которая позволяет видеть лишь общую картину поверхности пули с макродеталями (т.н. общие признаки: поля нарезов, их ширину, угол и т.д.). Для эффективной же экспертизы важны частные признаки - микроцарапины шириной порядка 5 мкм. Низкое разрешение объясняется отсутствием возможности обеспечить очень точный угловой шаг (в АССП "Волонтер" волновой редуктор шагового двигателя обеспечивает только 1600 шагов на оборот). Кроме того, щелевые сканеры обладают еще одним существенным недостатком - при записи деформированного объекта, в результате различий текущего радиуса точки поверхности и обязательного постоянства углового шага, возникает разномасштабность участков поверхности объекта.

Другой принцип и, соответственно, способ реализован в комплексе аппаратуры IBIS канадской фирмы Forensic Technology lnc. (IBIS Training Manual, 1995 - руководство по работе с аппаратурой). Это способ получения изображения части развертки пуль стрелкового оружия, заключающийся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя при этом систему фокусировки, проектирующую световой штрих на объект, снимают последовательно фрагменты поверхности, оцифровывают получаемые изображения с помощью АЦП и записывают в памяти ЭВМ с возможностью последующего (ручного) синтеза части полной развертки.

Недостатком этого способа является невозможность получения неискаженных разверток деформированных пуль, т.к. при повороте изменяется текущий радиус точки поверхности (для снимаемого фрагмента - радиус точки поверхности на оптической оси) и имеет место разворот снимаемой поверхности относительно нормали к оси объектива. Кроме того, синтез изображения производится вручную, что требует значительного времени и внимания оператора и, как следствие, приводит к ошибкам при длительной работе.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, разработанный при участии автора (положительное решение по заявке на изобретение N 97113727). Это способ получения изображения развертки поверхности пуль и гильз нарезного стрелкового оружия, заключающийся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя при этом систему автофокусировки, проецирующую световой штрих на объект, снимают последовательно отдельные прямоугольные фрагменты поверхности, оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти ЭВМ с возможностью последующего синтеза полной развертки, при этом исследуемый объект позиционируют в исходное положение, а перед съемкой каждого кадра производят поворот объекта на постоянный, точно воспроизводимый угол, фокусируют телекамеру с помощью системы автофокусировки, по величине дефокусировки, определяемой вертикальным смещением светового штриха, вычисляют текущий радиус объекта и определяемую им ширину фрагмента, обеспечивающую последующий синтез изображения развертки, определяют угол отклонения поверхности фрагмента от нормали к оптической оси телекамеры, поворачивают на этот угол ПЗС-матрицу телекамеры вокруг оси, параллельной оси вращения объекта и лежащей в плоскости матрицы, затем, включая поочередно правый и левый осветители, производят съемку. При этом требуемую ширину записываемого фрагмента поверхности обеспечивают изменением числа считываемых столбцов элементов ПЗС-матрицы, а угол отклонения поверхности фрагмента от нормали определяют по развороту светового штриха на объекте, формируемого излучателем системы автофокусировки, путем компьютерного анализа его изображения на ПЗС-матрице.

Целью предполагаемого изобретения является дальнейшее развитие вышеприведенного способа для получения изображения развертки поверхности деформированных цилиндрических объектов, локальные вмятины и выступы на поверхности которых меньше ширины кадра, имеют резкие перепады поверхности и т.д., с высокой разрешающей способностью и минимальными искажениями, вызванными, в том числе, т.н. "сшивкой" между кадрами. Поясним это более подробно.

Параметры (светосила, разрешение, относительное отверстие и т.д) проектирующей оптической системы, строящей изображение объекта на фотоприемнике, выбирают из условий решаемой задачи. В нашем случае, в частности, необходимое разрешение ~ 4-5 мкм и выбор светосилы объектива (числовая апертура - 0.11) для качественного изображения на ПЗС-матрице поверхности объекта с большим динамическим диапазоном передачи градаций серого определяют глубину резкости системы ~ ±25 - ±130 мкм. Очевидно, что если на объекте имеются локальные вмятины (выступы) (фиг. 2), протяженность которых меньше ширины кадра, а глубина (высота) больше глубины резкости проектирующей оптической системы, то на плоской ПЗС-матрице с одной экспозиции резкого изображения получить не удастся. Для сильно деформированных объектов также вопрос синтеза полной развертки ("сшивки" между кадрами) требует своего развития, т.к. измерение "текущего" радиуса (фактически, радиуса вращения точки поверхности объекта, находящейся на оптической оси проектирующей системы) и связанной с ним ширины кадра (фиг.2) может вносить искажения (пропуски и переналожения участков поверхности) на границах кадров. Поясним это примером. Необходимая точность "сшивки" развертки на границах кадров - 1 столбец ПЗС-матрицы. Средняя ширина кадра при синтезе изображения, например, для пистолета Макарова (калибр 9 мм) - 120 столбцов. При деформациях пули различие "текущего" радиуса может достигать 0.5 мм и более, т.е. более 10%, что соответствует различию в ширине кадра более 12 столбцов. Очевидно, что увеличение числа кадров (уменьшение средней ширины кадра) до разумных пределов частично решает эти проблемы, однако привносит и новые, в частности увеличение времени записи изображения, проблемы, связанные с точным поворотом на малый угол, и, следовательно, накоплением ошибок измерения "текущего" радиуса, увеличением числа "сшивок" и т.д.

В предлагаемом изобретении поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения изображения развертки поверхности пуль стрелкового оружия, заключающемся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя проектирующую оптическую систему, систему автофокусировки, проецирующую световой штрих на объект, и систему позиционирования объекта в исходное положение, и осветители, снимают последовательно отдельные кадры поверхности, поворачивая объект на постоянный точно воспроизводимый угол, оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти ЭВМ с последующим синтезом полной развертки, при этом, перед записью каждого кадра поверхности исследуемого объекта, соответствующего одному угловому шагу, после предварительного фокусирования объекта, производят компьютерный анализ изображения на объекте светового штриха, выделяют границы фрагментов записи поверхности объекта, отстоящих от плоскости наилучшей фокусировки на расстояния, кратные величине глубины резкости проектирующей оптической системы, затем последовательно производят запись фрагментов, каждый раз перемещая объект вдоль оптической оси на величину, равную глубине резкости, корректируют разворот поверхности объекта, анализируя изображение светового штриха внутри каждого фрагмента, и синтезируют из фрагментов запись полного кадра, а для синтеза полной развертки определяют положение границы кадра, являющейся общей с последующим кадром записи, а по ней определяют ширину смежных полукадров текущего и последующего кадра. При этом при синтезе изображения полного кадра границы фрагментов определяют по столбцам ПЗС-матрицы, проходящим через точки пересечения кривой светового штриха и строки ПЗС-матрицы, соответствующие проекциям на ПЗС-матрицу линий пересечения светового штриха и плоскостей, перпендикулярных оптической оси проектирующей системы и расположенных симметрично относительно плоскости наилучшей фокусировки и находящимся друг от друга на расстоянии, равном глубине резкости, а для последующего синтеза полной развертки границу кадра определяют, например, измеряя радиус вращения точки объекта, расположенной на оптической оси, после поворота объекта на угол, равный половине углового шага.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами: На фиг.1 схематически изображен общий вид устройства, реализующего данный способ.

Фиг. 2 поясняет способ "сшивки" кадров для полной развертки.

Фиг. 3 поясняет процесс синтеза полного кадра из фрагментов.

Фиг. 4 поясняет способ определения границы между кадрами с помощью дополнительной оптической системы.

Съемка происходит в следующей последовательности. Устройство, реализующее способ, устанавливает с помощью датчиков 5 фокусировочную каретку 3 и, следовательно, объект 2 в начальное положение, соответствующее эталонному (заданному) значению "текущего" радиуса объекта. При этом программный счетчик шагов шагового двигателя (ШД) 4 привода системы фокусировки (СФ) 3 "обнуляется". Затем включается осветитель системы фокусировки 10 и на объекте и, соответственно, ПЗС-матрице, появляется изображение светового "штриха". Центральная часть "штриха", находящаяся в непосредственной близости от центрального столбца ПЗС-матрицы 7-Vc (столбец проходит через оптическую ось проектирующей системы, устанавливается при настройке устройства), анализируется компьютером 11, т. е. вычисляется строка ПЗС-матрицы - Gt, проходящая через усредненный "центр тяжести" светового пятна (фиг. 3). По количеству строк G= /Gt-Gf/, где Gf - строка, соответствующая усредненному "центру тяжести" светового пятна при наилучшей фокусировке объекта (устанавливается при настройке устройства), и углу наклона оптической системы автофокусировки вычисляют "текущий" радиус поверхности объекта, т.е. радиус вращения точки поверхности объекта, находящейся на оптической оси проектирующей системы. Задают необходимое число шагов ШД СФ для перемещения объекта в плоскость наилучшей фокусировки. Таким образом, центральная часть кадра оказывается сфокусированной, а программный счетчик числа шагов ШД СФ запоминает "текущее" значение. Затем снова анализируют изображение светового "штриха", т.е. определяют вид кривой "штриха" - Gi(Vi), где Gi и Vi - строка и столбец соответственно (фиг. 3), а по пересечению Gi(Vi) со строками, соответствующими проекциям на ПЗС-матрицу линий пересечения светового штриха и плоскостей, перпендикулярных оптической оси проектирующей системы и расположенных симметрично относительно плоскости наилучшей фокусировки и находящимся друг от друга на расстоянии, равном глубине резкости оптической системы - dG, определяют количество фрагментов и их границы внутри одного кадра записи. (Например, для устройства, реализующего данный способ, при глубине резкости оптической системы 60 мкм (±30 мкм), вертикальном разрешении ~ 3.5 мкм и угле наклона оптической оси системы фокусировки ~ 35^o, dG 20 строк). Затем, используя полученные данные, включают осветители и производят съемку фрагментов, каждый раз перемещая объект вдоль оптической оси проектирующей системы в нужную сторону на величину, кратную глубине резкости (соответствующее число шагов ШД СФ). Затем, при наличии разворота поверхности объекта, корректируют его, используя данные о ширинах фрагментов, и синтезируют изображение полного кадра, "сшивая" границы фрагментов (очевидно, что внутри одного кадра потерь информации при "сшивке" не происходит). При этом полученный кадр заведомо шире кадра записи, участвующего в построении развертки.

Следующим шагом является определение границы кадра, общей со следующим за ним кадром записи, для обеспечения точной сшивки" между кадрами. Для этого объект поворачивают на угол ϕ/2 ϕ - угол, равный повороту объекта для записи одного кадра, фиг.2). Очевидно, что общая граница двух кадров оказывается на оптической оси. Затем включают систему автофокусирования и способом, описанным выше, определяют "текущий" радиус, т.е., в данном случае, радиус точки поверхности объекта - ri, находящейся на границе двух кадров. По радиусу ri определяют ширину смежных полукадров "текущего" и последующего кадров - dVi, т.е. при записи изображения "текущего" кадра последним считывается столбец ПЗС-матрицы с номером Vc+dVi. Затем поворачивают объект снова на угол ϕ/2 и записывают следующий кадр, при этом первым считывается столбец с номером Vc-dVi+l. Процедура повторяется до полной записи кругового пояса.

В случае необходимости проектирующая оптическая система 6 перемещается вдоль оси вращения объекта для записи следующих круговых поясов.

Отметим, что для определения общей границы двух кадров можно использовать специальную оптическую систему, аналогичную системе фокусирования, расположенную неподвижно на фокусировочной каретке 3. При этом она проецирует световой штрих, ориентированный вдоль столбцов матрицы, а ее оптическая ось с осью проектирующей изображение системой образуют плоскость, перпендикулярную оси вращения объекта, фиг. 4. Угол между оптическими осями равен ϕ/2. Таким образом, световой штрих всегда находится на границе двух кадров, и определение ширины полукадра производится по вычислению "центра тяжести" светового штриха и соответствующего ему столбца при компьютерном анализе его изображения на объекте. Однако точность этого способа хуже, чем приведенного выше, т. к. чувствительность (зависимость dV/dr изменения числа столбцов от изменения радиуса вращения точки, соответствующий границе кадра) маленькая из-за малого угла ϕ/2 (в упомянутом устройстве ϕ = 7.2^o).

При реализации автором предлагаемого способа с помощью устройства (фиг. 1) для получения изображения развертки поверхности деформированных пуль, полученные результаты показали его преимущество по сравнению с существующими способами. Изображения объектов не имеют "провалов" резкости изображения по всей развертке. Заметим, что при выстреле из нарезного оружия рельеф поверхности пули в зоне так называемых "полей нарезов" имеет резкий перепад, который может составлять сотни микрон, т. е. значительно больше глубины резкости оптической системы. Поэтому именно предложенный способ позволяет получать полные изображения боковых поверхностей деформированных пуль с необходимым качеством, т. к. предложенный способ фактически синтезирует два принципа получения изображений разверток поверхности цилиндрических тел - и покадровое сканирование, и "щелевое" сканирование внутри одного кадра (в предельном случае можно рассматривать столбец ПЗС-матрицы или группу столбцов как аналог щели, а сканирование - как последовательное переключение считывания информации со столбцов), при этом используются только достоинства обоих принципов.

Устройство, реализующее предложенный способ, может найти широкое применение в криминалистических лабораториях при проведении баллистической экспертизы, в испытательных лабораториях заводов, выпускающих стрелковое вооружение. Также данный способ может быть использован для автоматизации контроля качества продукции, представляющей цилиндрические объекты, где соответствующие параметры контроля (рельеф) важны, а технологии так называемого "машинного видения" представляются наиболее эффективными.

Формула изобретения

1. Способ получения изображения поверхности деформированных цилиндрических объектов, заключающийся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя проектирующую оптическую систему, систему автофокусировки, проецирующую световой штрих на объект, и систему позиционирования объекта в исходное положение, и осветители, снимают последовательно отдельные кадры поверхности, поворачивая объект на постоянный точно воспроизводимый угол, оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти ЭВМ с последующим синтезом полной развертки, отличающийся тем, что перед записью каждого кадра поверхности исследуемого объекта, соответствующего одному угловому шагу, производят предварительную фокусировку объекта, производят компьютерный анализ изображения на объекте светового штриха, выделяют границы фрагментов записи поверхности объекта, отстоящих от плоскости наилучшей фокусировки на расстояния, кратные величине глубины резкости проектирующей оптической системы, затем последовательно производят запись фрагментов, каждый раз перемещая объект вдоль оптической оси на величину, равную глубине резкости, корректируют разворот поверхности объекта, анализируя изображение светового штриха внутри каждого фрагмента, и синтезируют из фрагментов запись полного кадра, а для синтеза полной развертки определяют положение границы кадра, являющейся общей с последующим кадром записи, а по ней определяют ширину смежных полукадров текущего и последующего кадра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при синтезе изображения полного кадра границы фрагментов определяют по столбцам ПЗС-матрицы, проходящим через точки пересечения кривой светового штриха и строки ПЗС-матрицы, соответствующие проекциям на ПЗС-матрицу линий пересечения светового штриха и плоскостей, перпендикулярных оптической оси проектирующей системы и расположенных симметрично относительно плоскости наилучшей фокусировки и находящимся друг от друга на расстоянии, равном глубине резкости.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для последующего синтеза полной развертки границу кадра определяют, измеряя радиус вращения точки объекта, расположенной на оптической оси, после поворота объекта на угол, равный половине углового шага.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для последующего синтеза полной развертки границу кадра определяют по изображению метки - штриха, формируемого дополнительной оптической системой, оптическая ось которой лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения объекта, и составляет с оптической осью проектирующей изображение системы угол, равный половине углового шага.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют получение изображения развертки деформированных пуль стрелкового оружия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4