Оптико-электронная система цветовой идентификации
движущихся объектов
(номинация «Научно-технические разработки»)
Авторы: ,
1. Целью проекта является создание оптико-электронного узла распознавания движущихся объектов на основании измерения и анализа их цветовых характеристик.
2. Описание ситуации
Метод оценки цветовых характеристик для сортировки различных продуктов и материалов известен достаточно давно и активно применяется во многих странах при производстве алюминия, для сортировки фруктов и овощей, вторичного стекла, промышленных и бытовых отходов. Используются подобные системы и при добыче различных полезных ископаемых (никеля, кальцитов, полевых шпатов), в производстве монокристаллов для электронной промышленности и др.
В зависимости от области применения, свойств сортируемых объектов и особенностей сортировочного процесса, систему цветовой идентификации объектов (СЦИО) можно реализовать различными способами. Например, ряд подобных систем ориентирован на разделение объектов по критериям «темный / светлый», по нескольким основным цветам или же по однородности одного из цветов. Для разделения близких по цвету объектов, различения цветовых оттенков такие СЦИО не пригодны и, более того, привязаны к конкретному типу материала.
Данный проект ориентирован на создание СЦИО для сепарации (разделения) кусков / частиц в потоке быстро перемещающегося (0,5-2 м/с) сыпучего материала на основании измерения и оценки их цветовых характеристик. Решение задачи сортировки объектов должно осуществляться в режиме реального времени с высокими быстродействием и точностью. Под точностью СЦИО следует понимать как точность распознавания объектов, определяемую алгоритмом селекции, так и их пространственную локализацию, определяющую эффективность выделения частиц из потока материала.
Описанную СЦИО предполагается реализовывать на базе полупроводниковых приемников оптического излучения, с использованием фокусирующих оптических элементов и цифровых методов обработки данных. СЦИО должна включать:
– люминесцентный или светодиодный источник белого света высокой стабильности – для равномерного освещения потока анализируемого материала и формирования подстилающего фона;
– широкоугольный (короткофокусный) объектив с разрешением, достаточным для передачи цветовой картины сортируемых объектов;
– цветную CMOS-матрицу с разрешением не хуже 800×600 и скоростью съемки
200-500 кадров /сек;
– плату ввода изображений;
– персональный компьютер.
Помимо физической реализации для создания СЦИО требуется разработать алгоритм селекции, установив соответствие между измеряемыми сигналами цветности объектов и критериями отбора.
3. Краткое описание проекта
Предлагаемый проект направлен на решение задачи сортировки различных сыпучих материалов в потоке по их цветовым характеристикам.
Практическое использование результатов предлагаемого проекта возможно:
1. В горнодобывающей промышленности – для создания высокопроизводительных комплексов сортировки полезных ископаемых и их селекции на основе анализа совокупности физических параметров;
2. В перерабатывающей промышленности – для сортировки отходов;
3. В пищевой промышленности – для контроля качества продуктов.
4. Научная новизна проекта заключается в интеллектуальном сочетании свойств оптических систем и их элементов с покадровым анализом изображений с помощью полупроводниковых структур и цифровых методов обработки, что обеспечит качественный эффект при измерениях цвета и позиционировании движущихся с высокой скоростью объектов.
5. Апробация полученных результатов
Основные результаты работы были представлены на 3-х конференциях, в том числе на 1-ой международной, по результатам проведенных исследований было опубликовано 5-ть научных статей, в том числе:
1. , , Чертов энергетического расчёта фотометрического канала цветового сепаратора сырья с матричными фотоприёмниками // Сборник трудов седьмой международной конференции «Прикладная оптика – 2006», Т.1. «Оптическое приборостроение», с. 101-103. СПб, 2006 г.
2. Горбунова погрешности измерения координат цветности фотометрическим блоком сепаратора минерального сырья // Труды пятой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2007», с. 252. СПб, 2007.
6. Методы и инструменты реализации
В работе используются: элементы теории цвета и его измерения; аналитические и численные методы геометрической оптики; элементы теории оптимальной фильтрации полезных сигналов от помех в линейных оптико-электронных системах; компьютерные методы моделирования и расчета цветового поля; анализ и синтез оптических и электронных схем.
Для экспериментальных исследований создаваемой СЦИО и отработки алгоритма цветовых измерений необходимо создание стенда, содержащего узел транспортировки сыпучего материала.
7. Оценка рынка
Потребность в СЦИО и сортировочном оборудовании на их базе, как в России, так и за рубежом, высока и будет только возрастать в связи с универсальностью и возможностью адаптации подобных систем для сортировки различных видов материалов.
8. Необходимый объем инвестиций для приобретения технических средств быстродействующей регистрации цветного изображения на основе стандартных видеоустройств и создания измерительного стенда для разработки базового алгоритма цветовой селекции оценивается в размере 200–250 тыс. руб.
9. Сроки окупаемости проекта
Необходимо понимать, что собственно СЦИО является основой для создания сортировочного оборудования, и сроки ее реализации будут зависеть от особенностей конкретной области внедрения: конструкции сепаратора, требуемой производительности, сложности внедрения в технологическую схему предприятия и т. д.
Предполагаемые сроки окупаемости составляют от одного года до трех лет.
10. Дополнительная информация
Автор проекта является победителем конкурса грантов для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга 2008 г. с проектом «Разработка методики идентификации движущихся объектов по их цветовым характеристикам».
Место учебы: Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики (аспирант)
