способ получения изображения развертки боковой поверхности деформированного объекта, имеющего форму, близкую к цилиндрической

Формула изобретения

Способ получения изображения развертки боковой поверхности деформированного объекта, имеющего форму, близкую к цилиндрической, основанный на сканировании посредством видеокамеры с ПЗС матрицей отдельных прямоугольных фрагментов боковой поверхности объекта, дальнейшей обработки полученной информации и последующего синтеза полной развертки, отличающийся тем, что обработка полученной информации и синтез полной развертки включают анализ выбранных в процессе сканирования участков изображения каждого кадра, при котором предварительно фокусируют выбранные части изображения, осуществляют последовательное изменение положения оптической системы относительно объекта на величину, равную глубине резкости сначала в одну сторону, а по достижении границы, после которой видимая часть объекта находится вне зоны фокуса, - в противоположную от начального положения, при этом граничное положение оптической системы по отношению к объекту определяют по динамике изменения усредненной разности значений яркости каждого пикселя изображения с близлежащими пикселями R_ij, где i - номер столбца, j - номер строки, и получают последовательность кадров с изображением одной и той же области объекта, снятых с различным значением экспозиции, затем формируют результирующий кадр, для чего в него записывают пиксели из того кадра полученной последовательности, в котором R имеет максимальное значение, и получают полностью сфокусированный кадр, далее по положению системы фокусирования, находящейся при съеме каждого кадра последовательности, определяют радиус объекта в каждой точке объекта и вычисляют ширину фрагмента кадра, участвующего в синтезе развертки, и его начальное положение, при необходимости проводят корректировку границ фрагментов развертки в кадре, для чего границу первого кадра в первом поясе развертки берут по теоретическому расчету, а при определении границы фрагмента в каждом последующем кадре формируют эталонный вектор, вычисляемый на основании столбца изображения, соответствующий правой границе предыдущего кадра, и массив векторов из столбцов изображения текущего кадра, граничащих с расчетной левой границей, затем производят последовательное сравнение эталонного вектора с каждым вектором из сформированного массива и по максимуму коэффициента корреляции определяют столбец в текущем кадре, соответствующий столбцу правой границы предыдущего фрагмента, и определяют, что левой границей текущего кадра будет столбец, следующий за вычисленным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цифровой телевизионной микроскопии и может быть использовано при автоматизации процессов детального обследования объектов в промышленности, в том числе для контроля качества.

В области криминалистики весьма актуальными являются задачи автоматизации проведения трасологических экспертиз пуль и гильз стрелкового оружия, а также создания федеральной и региональных пулегильзотек, разработки автоматизированных систем поиска и идентификации пуль и гильз по имеющимся базам данных.

Эти задачи могут быть решены широким применением современных средств оптико-электроники, телевизионной и вычислительной техники. Однако по сей день основным инструментом эксперта-трасолога является разработанный в 60-х годах криминалистический микроскоп сравнения типа МКС-1 (Скворцов Г.Е. и др. "Микроскопы", Ленинград, 1969 г.). Это сложный оптико-механический прибор, позволяющий эксперту получить в поле зрения совмещенные изображения двух сравниваемых объектов, идентифицировать их и, при необходимости, получить фотографическим путем твердую копию. Известный метод достаточно трудоемок и непроизводителен, так как микроскоп дает резкое изображение лишь небольшого фрагмента цилиндрической поверхности пули, а просмотр всей поверхности пуль и поиск на них идентичных микротрасс требуют больших затрат времени и чрезвычайно высокой квалификации эксперта.

В настоящее время известны два метода автоматизированного получения полной боковой развертки цилиндрических объектов: метод непрерывного щелевого сканирования и метод последовательного покадрового сканирования с последующей сшивкой кадров.

Первый метод 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 отличающийся 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 (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 дает лишь общую картину поверхности пули, в то время как для эффективной 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 метод реализован в комплексе аппаратуры IBIS канадской фирмы Forensic Technology Inc. (IBIS Training Manual, 1995 - руководство по работе с аппаратурой). Это способ получения изображения части развертки пуль стрелкового оружия заключается 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 близкими к предлагаемому изобретению является способы, описанные в изобретениях RU 2130628, G02B 21/36, 1997.08.06, и усовершенствованный способ RU 2155378, G06K 9/60, 1999.01.26, выбранный в качестве прототипа. Этот способ получения изображения развертки поверхности пуль и гильз нарезного стрелкового оружия заключается в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей снимают последовательно отдельные прямоугольные фрагменты поверхности. При этом используется система автофокусирования, проецирующая световой штрих на объект. Затем оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти ЭВМ с возможностью последующего синтеза полной развертки. При выполнении процедуры записи исследуемый объект сначала позиционируют в исходное положение, а перед съемкой каждого кадра производят поворот объекта на постоянный, точно воспроизводимый угол. Затем фокусируют телекамеру с помощью системы автофокусирования и по величине расфокусирования, определяемой вертикальным смещением светового штриха, вычисляют текущий радиус объекта и определяемую им ширину фрагмента, участвующего в последующем синтезе изображения развертки.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности записи участков поверхности объектов, на которые луч фокусирования не попадает из-за сильной деформации, а также наличие несфокусированных областей внутри кадров.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества и достоверности снятия информации с цилиндрических объектов за счет нового способа записи изображений с цилиндрических объектов вне зависимости от степени их деформации (за исключением полностью разорванных частей объекта).

Решение поставленной задачи достигается за счет использования способа фокусирования на объект по изображению и способов корреляционного анализа при «сшивке» кадров для формирования развертки.

Поясним это более подробно. Применение способа фокусирования на объект с использованием только луча фокусирования показало, что при записи достаточно большого количества деформированных пуль, а именно такие пули в большинстве случаев поступают к экспертам с мест преступления, не позволяет получать полностью сфокусированное изображение на всей площади кадра. Этот факт объясняется тем обстоятельством, что деформация происходит по всем трем осям ортогональной системы координат, имеет непредсказуемый характер и в каждом конкретном случае индивидуальна. При этом возможны случаи, когда луч фокусирования вообще не виден на отдельных кадрах из-за выступающих частей объекта, преграждающих путь лучу при его распространении от осветителя до сканируемой части объекта.

Для решения данной задачи предлагается другой способ, в котором, в отличие от известного способа с основой идеей анализа местоположения луча фокусирования на изображении, главным выступает анализ отдельных (выбранных) участков изображения каждого кадра. Процесс получения полностью сфокусированного кадра изображения имеет итеративный характер, поскольку в силу конструктивных особенностей устройства глубина резкости проектирующей оптической системы, в общем случае, не позволяет получать полностью сфокусированное изображение по всей площади кадра с одной экспозиции. Начальным является состояние, при котором какая-либо часть изображения сфокусирована. Переход системы фокусирования в это состояние может быть осуществлен двумя путями:

- автоматическое фокусирование на объект по лучу фокусирования;

- в случае отсутствия луча фокусирования на полученном кадре - оператором в ручном режиме фокусирования на объект.

В дальнейшем осуществляют последовательное изменение положения оптической системы относительно объекта на величину, равную глубине резкости, сначала в одну сторону, а по достижении границы, после которой видимая часть объекта находится вне зоны фокуса, - в противоположную от начального состояния. При этом граничное положение оптической системы по отношению к объекту определяют по динамике изменения усредненной разности значений яркости каждого пикселя изображения с близлежащими пикселями R_ij, где i - номер столбца, j - номер строки. В результате имеется последовательность кадров с изображением одной и той же области объекта, снятых с различным значением экспозиции. Заключительный этап - формирование результирующего кадра, данные которого используются для формирования изображения боковой развертки. Для этого в результирующий кадр записываются пиксели из того кадра полученной последовательности, в котором R имеет максимальное значение. В итоге получают полностью сфокусированный кадр. При этом по положению системы фокусирования, находящейся при съеме каждого кадра последовательности, определяется радиус объекта в каждой точке объекта. Имея эти данные, с использованием известной формулы расчета, в дальнейшем вычисляют ширину фрагмента кадра, участвующего в синтезе развертки, и его начальное положение. Однако при применении теоретических данных расчета оказалось, что качество получаемой развертки очень сильно зависит от конкретной реализации устройства сканирования и в большинстве случаев приводит к появлению «несшивок» кадров в развертке. Для решения данной проблемы автор предлагает использование аппарата корреляционного анализа для корректировки границ фрагментов развертки в кадре. При этом используется тот факт, что ширина фрагмента развертки боковой поверхности пуль значительно меньше общей ширины кадра. Так, например, для пуль пистолета «Макаров», для угла поворота, равного 7,2 градуса, ширина фрагмента составляет около 150 пикселей, тогда как современные ПЗС-матрицы позволяют получать кадры шириной 500 пикселей и больше. Таким образом, соседние кадры при записи развертки имеют перекрывающиеся области. Границу первого кадра в первом поясе развертки берут по теоретическому расчету, а при определении границы фрагмента в каждом последующем кадре - формируют эталонный вектор, вычисляемый на основании столбца изображения, соответствующий правой границе предыдущего кадра, и массив векторов из столбцов изображения текущего кадра, граничащих с расчетной левой границей. Производят последовательное сравнение эталонного вектора с каждым вектором из сформированного массива и по максимуму коэффициента корреляции определяют столбец в текущем кадре, соответствующий столбцу правой границы предыдущего фрагмента. Таким образом, левой границей текущего кадра будет столбец, следующий за вычисленным.

Поясним более детально устройство прибора, реализующего предлагаемый способ и последовательность действий, выполняемых в процессе его функционирования.

На фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг.2а и б - оптическая схема расположения элементов конструкции; на фиг.3 - изображение части развертки деформированной пули.

Устройство содержит следующие узлы: блок осветителей 1, объектодержатель 2, механизмы продольного сканирования 3 поворота 4 объекта и фокусировочной подвижки 5, систему автофокусирования 6, телевизионную камеру с ПЗС-матрицей 7, АЦП и ЭВМ. Объектодержатель в предлагаемом устройстве выполнен в виде съемного узла и состоит из поворотного столика с зубчатой полумуфтой и подпружиненного прижима со свободно вращающейся центрировочной зубчатой коронкой, причем на установочной поверхности столика нанесено рифление, а в полумуфте предусмотрено центрирующее отверстие для сопряжения с осью привода вращения объекта. В качестве приводов используются четырехфазные шаговые двигатели с углом поворота 1.8 градуса на один шаг. Приводы фокусировки и вертикального перемещения телекамеры снабжены винтовыми механизмами поступательного перемещения. Все приводы и осветители управляются ЭВМ. На нее же через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) идет съем информации с ПЗС-матрицы. В качестве источников света использованы, две основные светодиодные матрицы, обеспечивающие боковое наклонное освещение объекта рассеянным светом справа или слева от оптической оси объектива под углом к поверхности объекта, четыре дополнительные светодиодные матрицы - по две с каждой стороны, две светодиодные матрицы, расположенные соответственно сверху и снизу по отношению к видимой части объекта.

Запись развертки происходит в следующей последовательности. При включении прибора каретки автоматически устанавливаются в исходное положение по состоянию оптических датчиков грубого и точного позиционирования с точностью порядка 6 мкм. Под исходным положением понимают постоянную для данного прибора установку поворотного столика на известном расстоянии от телекамеры, выверяемую при настройке по специальному эталону. Допустим, она соответствует калибру 8,00 мм. После этого включают система автофокусирования. На объекте и соответственно на ПЗС-матрице появляется изображение светового штриха. Анализируя его смещение по вертикали, компьютер определяет величину дефокусирования F и ее направление и дает команду на отработку приводу фокусировки, осуществляющему перемещение каретки. Одновременно вычисляют текущий радиус пули как разность между исходным радиусом и F.

В случае отсутствия луча на изображении выполняется процедура автофокусирования, описанная выше. Следующим шагом является вычисление ширины (по дуге) подлежащего записи в памяти ЭВМ фрагмента. При наличии деформации радиус пули меняется от шага к шагу, в то время как угол поворота постоянен. При этом размер b фрагмента, ограниченного углом , и соответственно его изображения b на матрице непостоянен и равен

b _i=r_i· ·V (I), где r_i - текущий радиус, V - линейное увеличение объектива телекамеры.

Очевидно, что если снимаемые фрагменты деформированной пули будут постоянной ширины, то при синтезе общей картинки появятся либо разрывы, либо переналожения отдельных участков. Поэтому, в зависимости от вычисленной величины, с матрицы считывается и записывается определенное число столбцов элементов.

После установки в плоскость резкого изображения определяют наличие ухода поверхности снимаемого фрагмента от нормали к оси объектива. На фиг.3 показано расположение цилиндрической 1 и деформированной эллипсовидной 2 пуль относительно телекамеры. Разворот снимаемой поверхности на угол ведет к тому, что фактическая протяженность фрагмента составит b_i=r_i· /cos (II), - угол поверхности фрагмента от нормали NN, в то время как число записываемых столбцов определяется формулой (I) для недеформированной поверхности радиуса r. После проведения этих действий подсветку системы автофокусировки выключают, включают один из осветителей и производят запись изображения. Наклонное разностороннее освещение объекта выгодно отличается от кольцевого, примененного в вышеописанной системе IBIS, благодаря протяженности площадных источников света, каковыми являются светодиодные матрицы. При этом меньше сказывается бликование на краях микроцарапин и снижается риск невоспроизведения определенных деталей из-за их затенения, что имеет место при освещении узконаправленными световыми пучками в процессе визуального исследования пули под микроскопом. Кроме того, переключение малоинерционных источников (светодиодов), в отличие от ламп накаливания, происходит за очень короткие промежутки времени, а это, учитывая, что для записи всей поверхности нужно сделать несколько сот кадров, значительно увеличивает производительность прибора.

После записи отснятых кадров в памяти ЭВМ производится поворот столика с пулей на угол , воспроизводимый с высокой точностью, и цикл повторяется. После сканирования каждого последующего кадра вычисляется ширина и границы фрагмента, участвующего в построении развертки с применением алгоритма коррекции границ, описанного выше, и фрагмент «вписывается» в развертку. По завершении полного оборота телекамеру приводом 3 перемещают вдоль оси пули и снимают новый круговой пояс. Число поясов определяется типом пули и протяженностью ее цилиндрической части, на которой сосредоточены интересующие криминалиста трассы.

Предложенный способ получения разверток пуль и гильз осуществлен в приборе «Кондор», разработанном предприятием-заявителем.

Его основные параметры: калибр пули - 5-12 мм, длина снимаемого участка по оси пули - 1-20 мм, максимальное время регистрации одного объекта - 5 мин, разрешающая способность на объекте - 3.5 мкм, прибор работает в комплекте с ЭВМ типа IBM PC и лазерным или струйным принтером для получения твердой копии. Прибор позволяет получать, записывать, просматривать на экране с различным увеличением развертку поверхности пули, а также проводить сравнительный анализ изображений двух пуль одновременно. Его разрешающая способность позволяет выявить самые тонкие структуры на поверхности объекта, обеспечивающие его идентификацию.

Основными отличительными особенностями предложенного способа являются:

- применение метода фокусирования на объект по анализу характеристик изображения, позволяющего получать сфокусированное изображение на всей площади кадра независимо от степени деформации объекта и вычислять радиус объекта в каждой снимаемой точке;

- применение методов корреляционного анализа при формировании единого изображения развертки боковой поверхности цилиндрических объектов, позволяющих убрать «несшивки» между кадрами, вносимые механическими узлами при практической реализации устройств.

Иллюстрация преимуществ предложенного способа над известными дана на фиг.3, где а - изображение части развертки деформированной пули, полученной с применением аналогичных способов, б - изображение той же части пули, полученное на сканере «Кондор» с использованием предложенного способа.

На фиг.3 видно наличие несфокусированных областей 1 и 2 и «несшивок» 3 в верхней части, которые отсутствуют на изображении в нижней части чертежа. Электронная цифровая запись изображения открывает новые возможности его хранения, обработки, автоматизации измерений, передачи по существующим каналам связи и создает предпосылки для организации современных пулегильзотек с автоматизированным поиском и идентификацией объектов.

Практическая реализация данного способа показала возможность получения высококачественных полностью сфокусированных изображений разверток боковых поверхностей пуль с сильными деформациями и получила высокие оценки при использовании экспертами-баллистами в их практической работе. Также данный способ может быть применен для построения цифровых трехмерных моделей объектов с формой, близкой к цилиндрической, и автоматизации контроля качества при производстве такого рода объектов.

В настоящее время реализация описываемого изобретения используется в специализированном баллистическом сканере, предназначенном для записи изображений боковых поверхностей стрелянных пуль и формирования баз данных пулетек с целью обеспечения проведения баллистической экспертизы.

Таким образом, актуальность данного изобретения не вызывает сомнения. При этом его технический аспект заключается в предоставлении возможности получения качественных изображений боковой поверхности пуль, в том числе деформированных, имеющих высокое разрешение, что позволяет проводить автоматический поиск объектов по базе данных с последующим проведением экспертизы баллистами-экспертами в режиме цифрового сравнительного микроскопа.