ОПРЕДЕЛЕНИЕ  УГЛА  СМАЧИВАНИЯ  СРЕДСТВАМИ  МАШИННОГО  ЗРЕНИЯ

Тесленко  Михаил  Геннадьевич

студент  5  курса,  кафедра  автоматизации  производственных  процессов  ХНУСА,  Украина,  г.  Харьков

E-mail: 

Пермяков  Вячеслав  Иванович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  проф.  ХНУСА,  Украина,  г.  Харьков

Смачивание  —  поверхностное  явление,  возникающее  при  соприкосновении  жидкости  с  поверхностью  твёрдого  тела  или  другой  жидкости,  которая  не  смешивается  с  первой  (так  называемое  избирательное  смачивание).  Равновесный  краевой  угол  смачивания  определяется  наклоном  поверхности  жидкости  (например,  капли)  к  смоченной  ею  поверхности  твердого  тела;  вершина  угла  находится  на  линии  смачивания.  Смачивание  влияет  на  многие  процессы,  поэтому  важной  задачей  становится  определения  угла  смачивания. 

  Обычно  используются  два  различных  подхода  для  измерения  краевого  угла  материалов:  оптическое  и  силовое  измерение  поверхностного  натяжения  (тензиометрия).  В  данной  работе  применяется  оптический  метод.

Для  обработки  изображения  необходимо  использовать  программное  обеспечение.  Для  поставленной  задачи  целесообразно  применить  пакет  LabVIEW  и  IMAQ  Vision,  где  реализованы  модули  обработки  и  захвата  изображений,  что  значительно  упрощает  работу.

Определить  угол  смачивания  можно  с  использование  математического  аппарата.  С  точки  зрения  геометрии,  линии  раздела  фаз  представляют  собой  эллипс  и  прямую,  которая  этот  эллипс  пересекает.  Рассмотрим  построение  эллипса  при  помощи  средств  Mathcad  (рис.  1).  Изображение  строится  дискретно.  Для  построения  используются  50  точек.  Эллипс  строится  в  зависимости  от  заданных  значений  полуосей.  В  таком  случае,  если  известны  значения  осей  эллипса  и  координаты  прямой,  становится  возможным  построение  касательной  в  точке  их  пересечения,  и,  соответственно,  определить  угол  смачивания.

Рисунок  1.  Построение  эллипса  в  среде  Mathcad

Рисунок  2.  Определение  угла  смачивания

Касательная  строится  автоматически  в  зависимости  от  положения  точки  разделения  фаз.  Ниже  приведен  результат  нахождения  угла  смачивания  для  разных  значений  точки  пересечения  фаз.

Рисунок  3.  Построение  модели  капли  с  определение  угла  смачивания

Данные  материалы  целесообразно  использовать  для  определения  угла  смачивания  реального  изображения  капли.

Исследуемое  изображение  можно  загрузить  из  файла,  либо  сфотографировать  при  помощи  камеры.  Данная  операция  выполняется  следующим  образом: 

1.  Подключить  камеру.

2.  Указать  путь  для  сохранения  файла.

3.  Нажать  кнопку  «Запуск  камеры».  При  этом  изображение  будет  выводиться  на  экран.

4.  Настроить  камеру  необходимым  образом,  после  чего  зафиксировать  изображение  нажатием  на  кнопку  «Захват  изображения».

5.  После  захвата  изображения  камера  отключится  автоматически.  Если  не  обходимо  отключить  камеру,  воспользуйтесь  кнопкой  «Выключение  камеры».  Для  подключения  камеры  использованы  функции  NI  Acquisition  Software.

Когда  файл  изображения  создан,  можно  переходить  непосредственно  к  вычислениям.  Для  этого  необходимо  нажать  кнопку  «Начать  вычисления».  После  этого  укажите  путь  к  файлу,  если  он  не  записывался  перед  этим  при  помощи  камеры.  Далее  следует  определить  линию  раздела  фаз  между  каплей  и  поверхностью.  Для  этого  используется  горизонтальная  линия,  положение  которой  определяется  ползунком  «Линия  раздела  фаз».

Линия  раздела  фаз  строится  при  помощи  блока  “Overlay  Line”  и  представляет  собой  горизонтальную  прямую.  Для  построения  прямой  указываются  начальная  и  конечная  точки.  При  этом  начальная  точка  имеет  координату  0,  а  координата  конечной  точки  равна  разрешению  по  горизонтали  конкретного  изображения. 

Следует  учесть,  что  в  большинстве  случаев  поверхность  на  изображении  не  будет  являться  строго  горизонтальной.  Для  решения  этой  проблемы  в  программе  был  введен  блок  поворота  изображения.  Чтобы  повернуть  изображение,  нужно  повернуть  ручку  вправо  или  влево  соответственно.

Контуры  капли  могут  быть  нечеткими.  В  таком  случае  затруднительно  построить  касательную.  Для  того,  чтобы  решить  эту  проблему,  добавлена  возможность  вручную  построить  овал  обрисовки.  Построение  выполняется  посредством  задания  высоты  и  ширины,  а  также  смещения  по  вертикали  и  горизонтали.  Для  построения  овала  был  использован  блок  “Overlay  Oval”.  В  данном  блоке  овал  задается  путем  определения  координат  сторон  прямоугольника,  в  который  он  вписан.  Для  удобства  способ  задания  был  изменен  на  более  привычный.

После  того,  как  были  определены  границы  раздела  фаз,  можно  приступать  к  нахождению  угла  смачивания.  Для  этого  необходимо  построить  касательную:

1.  Используя  ползунок  «Смещение  касательной»  выставить  ее  на  правой  границе  капли.

2.  Для  изменения  угла  наклона  сместить  ручку  «Наклон  касательной»  влево  или  вправо  соответственно.

Выполнять  данную  операцию  также  следует  максимально  точно,  в  случае  необходимости  изменять  масштаб  изображения.  Касательная  строится  с  привязкой  к  размерам  изображения  и  линии  раздела  фаз. 

Результат  измерений  автоматически  выводиться  в  поле  «Угол  смачивания».

Если  необходимо  сбросить  параметры  измерений,  вы  можете  воспользоваться  кнопкой  «Сброс  вычислений».  Останавливает  выполнение  программы  кнопка  «Выход».

Рисунок  4.  Лицевая  панель  прибора

В  программе  использована  структура  Event,  которая  позволяет  связать  события  на  лицевой  панели  с  выполнением  элементов  кода.  На  рисунке  5  показана  блок-диаграмма  основного  фрейма  программы  вычисления  угла  смачивания,  а  также  блок  захвата  изображения  при  помощи  камеры.  Еще  два  фрейма  отвечают  за  выход  из  программы  и  за  сброс  параметров.  В  последнем  фрейме  реализована  инициализация  блока  управления  камерой.  Фрейм  срабатывает  при  изменении  значения  определенного  элемента  лицевой  панели.  Необходимо  обосновать  эффективность  применения  данного  прибора  для  проведения  исследований.  Для  этого  были  проведены  исследования  точности  прибора.

Рисунок  5.  Блок  диаграмма:  основной  фрейм

Рисунок  6.  Блок-диаграмма:  захват  изображения  при  помощи  камеры

Рисунок  7.  Блок-диаграмма:  сброс  данных

Для  того,  чтобы  определить  абсолютную  погрешность  вычисления  угла  смачивания,  мы  провели  серию  исследований.  Для  этого  потребовалось  наличие  эталонных  изображений,  где  угол  смачивания  будет  известен  с  высокой  точностью.  Для  генерации  таких  изображений  используем  среду  Mathcad.

Изображение  генерируется  в  соответствии  с  заданным  углом  смачивания  и  полуосями  эллипса.  Для  придания  реалистичности,  изображение  поворачивается  на  несколько  градусов,  что  имитирует  некачественную  съемку.  Для  проведения  статистических  исследований  будем  менять  толщину  линий,  а  также  их  контрастность. 

Для  объективности  в  исследованиях  мы  привлекли  несколько  человек  в  качестве  операторов.  Им  были  выданы  изображения,  сгенерированные  в  описанной  выше  программе.  На  разных  изображениях  толщина  линий  и  их  яркость  отличались.  Для  чистоты  эксперимента  операторам  не  сообщался  реальный  угол  смачивания.  Были  исследованы  такие  углы  смачивания:  25°,30°,60°,110°,150°.

Рисунок  8.  Генерация  изображения  капли  с  заданным  углом  смачивания

Рисунок  9.  Изображения  модели  капли  с  разными  углами  смачивания

Чтобы  систематизировать  полученные  результаты  и  сделать  выводы,  необходимо  применить  методы  статистической  обработки.  Рассмотрим  методы  построения  закона  распределения  случайной  величины.

Рисунок  10.  Построение  методов  распределения  случайной  величины  в  среде  Mathcad

Рисунок  11.  Исследование  ошибки  измерения  угла  смачивания

Проанализировав  результаты,  полученные  операторами  в  ходе  эксперимента,  с  использованием  приведенных  выше  методов,  мы  установили,  что  максимальное  отклонение  измеренного  значения  угла  смачивания  от  реального  составило  1.5  градуса.  Это  приемлемо  для  данного  вида  исследований.

Список  литературы:

1.Визильтер  Ю.В.,  Желтов  С.Ю,  Князь  В.А.,  Ходарев  А.Н.,  Моржин  А.В.  Обработка  и  анализ  цифровых  изображений  с  примерами  на  LabVIEW  IMAQ  Vision.  М.:ДМК  Пресс,  2007.  —  464  с.

2.Кирьянов  Д.  Самоучитель  Mathcad  13.  СПб:  БХВ-Петербург,  2006.  —  528  с.

3.Сумм  Б.Д.  Физико-химические  основы  смачивания.  М.:  Химия,  1976.

4.Суранов  А.Я.  LabVIEW  7:  Справочник  по  функциям.  М.:  ДМК  Пресс,  2005.  —  512  с.

5.NI  IMAQ  user  manual.  Part  number  370117D-01.  National  Instruments,  2004.

6.NI  IMAQ  Vision  concept  manual.  Part  number  322916B-01.  National  instruments,  2003.