Расширение динамического диапазона измерительной системы, реализующей метод фазовой триангуляции

Рассмотрены подходы к расширению динамического диапазона измерительных систем, реализующих методы фазовой триангуляции и структурированное освещение. Данные системы предназначены для высокоточных измерений геометрических параметров сложнопрофильных изделий с произвольными светорассеивающими свойствами поверхности. Предложен метод расширения динамического диапазона измерительной системы, который основан на автоматической регулировке длительности экспозиции фотоприёмника, избыточном сборе экспериментальных данных и комплексном регрессионном анализе. Представлены результаты экспериментальных исследований эффективности предложенного метода расширения динамического диапазона измерительной системы. Показано, что классический подход к расшифровке изображений, полученных с использованием фотоприёмника с фиксированной длительностью экспозиции, практически всегда приводит к высокой погрешности измерений геометрических параметров поверхности, имеющей широкий диапазон светорассеивающих свойств.  При малых значениях экспозиции увеличивается погрешность измерений геометрических параметров тёмной области поверхности, где уровень сигнала существенно слабее, чем в светлых областях измеряемой поверхности. При больших значениях экспозиции увеличивается погрешность измерения геометрических параметров светлой области поверхности, так как сигнал оказывается за пределами динамического диапазона фотоприёмника. Для измеренных геометрических параметров поверхностей с различными светорассеивающими свойствами установлено, что применение фотоприёмника с расширенным диапазоном позволяет достичь погрешности измерений, меньшей или примерно равной погрешности измерительной системы, содержащей фотоприёмник с фиксированной экспозицией. Расширение динамического диапазона даёт возможность упростить автоматизированные измерения, поскольку не требуется дополнительно оптимизировать параметры фотоприёмника под светорассеивающие свойства поверхности измеряемого объекта.

1. Dvoynishnikov S. V., Kabardin I. K., Meledin V. G. Advanced phase triangulation methods for 3d shape measurements in scientifi c and industrial applications. In: Machine Vision and Navigation, eds. Sergiyenko O., Flores-Fuentes W., Mercorelli P. Springer, Cham, 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22587-2_21

2. Меледин В. Г. Оптоэлектронные информационные системы для науки и промышленности // Интерэкспо ГеоСибирь. 2014. Т. 5. № 1. С. 3–12.

3. Meledin V. G. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, vol. 18, no. 2, рр. 99–128. https://doi.org/10.1134/S1810232809020039

4. Двойнишников С. В., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оптоэлектронный метод бесконтактного восстановления профиля поверхности трёхмерных объектов сложной формы // Метрология. 2010. № 4. С. 15–27. https://elibrary.ru/mvacop

5. Двойнишников С. В., Аникин Ю. А., Кабардин И. К., Куликов Д. В., Меледин В. Г. Оптоэлектронный метод бесконтактного измерения профиля поверхности крупногабаритных объектов сложной формы // Измерительная техника. 2016. № 1. С. 17–22. https://www.elibrary.ru/vtysst

6. Двойнишников С. В., Меледин В. Г., Кабардин И. К., Рахманов В. В., Зуев В. О. Метод фазовой триангуляции со статистической фильтрацией для измерений в условиях случайных аддитивных помех и ограниченного динамического диапазона фотоприёмника // Измерительная техника. 2022. № 6. С. 36–40. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-6-36-40

7. Гужов В. И., Ильиных С. П. Оптические измерения. Компьютерная интерферометрия: Учебное пособие. 2-е изд. М.: Юрайт, 2018. 258 с.

8. Двойнишников С. В., Куликов Д. В., Меледин В. Г., Рахманов В. В. Алгоритм расшифровки фазовых изображений для измерения трёхмерной геометрии динамичных объектов // Сибирский журнал индустриальной математики. 2023. Т. 26. № 2. C. 53–59.

9. Сафонов А. Матричные КМОП-фотоприемники: современное состояние и перспективы развития // Электроника. 2019. № 2(183). С. 140–154. https://doi.org/10.22184/1992-4178.2019.183.2.140.154

10. Смелков В. М. Устройство ПЗС-телекамеры с новшеством по расширению динамического диапазона // Спецтехника и связь. 2011. № 1. С. 11–17.

11. Щеглов А. Способы расширения динамического диапазона в системах аналого-цифрового преобразования // Электронные компоненты. 2013. № 1. С. 77–80.

12. Фомин В. Н., Никитин В. М., Жбаков Е. Б., Сауткин В. А., Суязова Е. К. Оптимальная обработка зашумленных изображений в фотоприемнике с ограниченным динамическим диапазоном // Труды Института общей физики им. В. М. Прохорова. 2014. Т. 70. С. 16–25.

13. Фомин В. Н., Никитин В. М., Коломийцев Е. Г. Обнаружение-измерение оптических сигналов в условиях помех при ограниченном динамическом диапазоне фотоприемника // Известия вузов. Физика. 2010. Т. 53. № 12-2. С. 258–266. https://www.elibrary.ru/ogzgrv

14. Кузнецов П. А., Мощев И. С. Расширение динамического диапазона коротковолновых ИК матричных фотоприёмных устройств // Прикладная физика. 2017. № 5. С. 52–58.

15. Bouvier Ch., Ni Y., Arion B., Noguier V. Conference: SPIE Commercial + Scientifi c Sensing and Imaging, 2016, 986111. https://doi.org/10.1117/12.2224079

16. Tektonidis M., Monnin D., Pietrzak M. Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications, 2017, 27. https://doi.org/10.1117/12.2278942

17. Ni Y. Sensors, 2018, no. 18, 584. https://doi.org/10.3390/s18020584

18. Gruber M., Hausler G. Simple, robust and accurate phasemeasuring triangulation, Optik, 1992, vol. 3, pp. 118–122.