WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Методы и алгоритмы обработки изображений в системе телевизионного контроля тепловыделяющих сборок водо-водяного энергетического реактора

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

макс.jpg

 

ХИСАМУТДИНОВ Максим Владимирович

 

Методы и алгоритмы обработки изображений в системе телевизионного контроля тепловыделяющих сборок водо-водяного энергетического реактора

Специальности: 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей,

05.02.05 - роботы, мехатроника и робототехнические системы.

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог – 2012


Работа выполнена в Южном федеральном университете на кафедре интеллектуальных и многопроцессорных систем Технологического института в г. Таганроге и в научно-исследовательском институте многопроцессорных вычислительных систем имени академика А.В. Каляева Южного федерального университета.

Научный руководитель:              доктор технических наук,

член-корреспондент РАН, профессор,

Каляев Игорь Анатольевич

Официальные оппоненты:           Каркищенко Александр Николаевич,

доктор физ.-мат. наук, профессор,

ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи», г. Москва,

руководитель центра перспективных

фундаментальных и прикладных исследований

Бутенко Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор,

Технологический институт Южного

федерального университета в г. Таганроге,

профессор кафедры механики

Ведущая организация:                 Научно-исследовательский институт

специального машиностроения МГТУ имени

Н.Э.Баумана, г. Москва

Защита диссертации состоится "20" апреля 2012 г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д 212.208.24 при Южном федеральном университете по адресу: г. Таганрог, ул. Чехова, 2, корп. “И”, комн. 347.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан “16”  марта 2012 г.

Просим Вас прислать отзыв, заверенный печатью учреждения, по адресу: 347928, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.208.24 Кухаренко Анатолию Павловичу.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

 

А.П. Кухаренко


Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В настоящее время, несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному увеличению его стоимости. Поэтому в современных условиях развития цивилизации одним из приоритетных методов получения энергии является эксплуатация атомных электростанций. Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива. Это открывает широкие перспективы использования атомных электростанций (АЭС) для удовлетворения быстро растущих потребностей в энергии.

Наиболее распространенным типом реакторов, эксплуатируемым на АЭС в Российской Федерации, является водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР). Для выполнения требований по обеспечению безопасности эксплуатации АЭС с реакторами типа ВВЭР, повышения надежности и эффективности их работы служат плановые профилактические работы, проводимые ежегодно на каждом из работающих энергоблоков. Эти профилактические работы, называемые планово-предупредительным ремонтом (ППР), являются обязательным этапом производственной деятельности всех АЭС с реакторами типа ВВЭР.

Во время проведения ППР производится остановка реактора АЭС, влекущая за собой значительные финансовые потери. По расчетам специалистов Ростовской АЭС (РоАЭС) во время остановки реактора на период ППР АЭС несет убытки в размере 1 млн. долларов США за одни сутки простоя, обусловленные потерями в объеме произведенной и реализованной электроэнергии.

В связи с этим задача сокращения сроков проведения и, соответственно, стоимости затрат на  ППР, ежегодно проводимые  на АЭС, является актуальной.

Одной из основных процедур ППР является процедура контроля тепловыделяющих сборок (ТВС), которая проводится после выполнения транспортно-технологических операций с ядерным топливом. Данная процедура состоит из двух этапов - контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС.

Существующие в настоящее время методы контроля ТВС требуют установки дополнительного (нештатного) оборудования, а также участия человека-оператора в процессе их выполнения. Время процедуры контроля ТВС можно существенно сократить за счет ее автоматизации; последнее можно осуществить на основе видеоданных, получаемых от штатной телевизионной камеры (ТК), установленной на машине перегрузочной (МП). При движении МП с установленной ТК по заданному маршруту гарантировано получение изображения каждой ТВС с одного ракурса. Поэтому в настоящей диссертации ставится задача разработки новых методов и алгоритмов телевизионного контроля ТВС в активной зоне атомного реактора на основе данных от одной штатной ТК МП, движущейся по заданному маршруту, с гарантированной возможностью получения изображений только с одного ракурса для каждой ТВС.

Целью диссертационной работы является сокращение времени процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора в период ППР за счет применения новых методов и алгоритмов обработки одноракурсных видеоизображений, полученных от ТК МП.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • провести анализ существующих методов контроля ТВС;
  • разработать методы и алгоритмы телевизионного  контроля ТВС на основе анализа  одноракурсных изображений, полученных от ТК МП;
  • разработать методы и алгоритмы обработки видеоизображений, обеспечивающих реализацию процедуры телевизионного контроля ТВС;
  • разработать программное обеспечение системы телевизионного контроля ТВС на основе новых методов и алгоритмов.

Актуальная научная задача, решению которой посвящена диссертация, - это разработка методов и алгоритмов обработки изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедуры контроля ТВС в процессе ППР реактора типа ВВЭР.

Объект исследования – методы и алгоритмы телевизионного контроля ТВС в активной зоне атомного реактора.

Методы исследований основаны на использовании теории  фотограмметрии, цифровой обработки изображений, распознавания образов, интеллектуального анализа данных.

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов подтверждается корректностью применения методов фотограмметрии,  непротиворечивостью математических выкладок, а также успешной экспериментальной проверкой программного обеспечения системы телевизионного контроля ТВС в активной зоне реактора типа ВВЭР на энергоблоке №1 РоАЭС.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

  • разработан метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК МП атомного реактора, отличающийся использованием данных о расположении ТВС на плоскости;
  • разработан метод автоматизированной идентификации номеров ТВС на основе обработки одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП ВВЭР;
  • разработан алгоритмически реализуемый метод улучшения качества изображения, отличающийся анализом коэффициента вклада изображений ТВС, полученных с одного ракурса ТК;
  • разработан алгоритмически реализуемый метод детектирования верхней эллиптической поверхности головок ТВС, отличающийся использованием  компоненты градиента яркости и анализом переменной разрешающей способности изображения.

Новизна полученных результатов подтверждается отсутствием аналогичных результатов в открытых доступных источниках.

Положение, выдвигаемое для защиты.

На основе анализа последовательности одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП, с учетом данных о расположении ТВС на плоскости, возможно сократить время выполнения процедуры контроля разновысотности ТВС при допустимом уровне инструментальной погрешности.

Результаты, выдвигаемые для защиты:

а) метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК МП;

б) метод автоматизированной идентификации номеров ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК МП;

в) алгоритмически реализуемый метод улучшения качества изображения на основе анализа серии изображений ТВС, полученных с одного ракурса ТК;

г) алгоритмически реализуемый метод детектирования верхней эллиптической поверхности головок ТВС.

Практическая ценность работы. Состоит в том, что на основе разработанных в диссертации методов и алгоритмов создано программное обеспечение (ПО) системы телевизионного контроля ТВС в активной зоне ВВЭР с использованием, в качестве входных данных, одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП. Разработанное ПО позволяет сократить время проведения процедуры контроля ТВС, избежать необходимости установки  дополнительного (нештатного) оборудования МП и исключить механический контакт с ТВС в активной зоне реактора типа ВВЭР.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на Международной научной мультиконференции "Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2007)" (с. Дивноморское, Россия, 2007 г.); Научно-технической конференции "Высокопроизводительные вычислительные системы (ВПВС-2008)" (г. Таганрог, Россия, 2008); III, IV, V, VI, и VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра  (ЮНЦ) Российской академии наук (РАН) (2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг., г. Ростов-на-Дону); IX Международной научно-технической конференции "Распознавание-2010" (г. Курск, Россия, 2010 г.);  Всероссийской научной мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2011) (с. Дивноморское, Россия, 2011 г.).

Несколько докладов были выделены как лучшие и были отмечены призовыми местами.

Реализация и внедрение результатов работы. Работоспособность системы была испытана на энергоблоке №1 РоАЭС в ходе ППР 2011 года. Проведенные испытания показали, что разработанное ПО  системы телевизионного контроля ТВС обеспечивает решение задачи контроля разновысотности ТВС в активной зоне реактора за 1 час, идентификации номеров ТВС – за 2-3 часа, что в целом уменьшает общее время выполнения процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора типа ВВЭР с 8 до 3-4 часов за счет применения новых методов и алгоритмов обработки одноракурсных изображений.

Теоретические и практические результаты, полученные в рамках данной работы, были использованы при выполнении НИР "Разработка и исследование методов и средств повышения безопасности и эффективности функционирования распределенных информационно-управляющих систем сложных технических объектов" (№ г/р 01200852701) в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", НИР "Разработка и исследование методов и алгоритмов создания интеллектуальных функциональных компонентов отказоустойчивых распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) (№г/р 01200953310) в рамках аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала научной школы (2009-2010)".

Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты, получены автором лично.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из которых 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, тезисы 7 докладов в материалах международных и всероссийских конференций, 1 патент на полезную модель, 2 отчета о выполнении НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Диссертация содержит 152 страницы печатного текста, 73 рисунка, 3 таблицы, список используемой литературы из 88 источников.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, определен объект исследований, сформулированы цель, основные научные результаты и положение, выдвигаемое для защиты, показаны практическая значимость, апробация и результаты внедрения диссертации.

Первая глава диссертации посвящена разработке методов телевизионного контроля ТВС в активной зоне атомного реактора. Рассмотрен процесс ППР на отечественных АЭС типа ВВЭР. Показано, что одной из основных процедур, выполняемых в процессе ППР, является процедура контроля ТВС, которая, в свою очередь, состоит из двух этапов:

  • контроля разновысотности ТВС;
  • идентификации номеров ТВС.

В настоящее время при проведении процедуры контроля разновысотности ТВС применяются контактные автоматизированные методы, основными недостатками которых являются:

  • большое время проведения работ;
  • необходимость активного участия оператора;
  • использование дополнительного (нештатного) оборудования МП;
  • механический контакт с ТВС после их установки в реактор.

Указанные недостатки можно устранить за счет разработки бесконтактных методов контроля разновысотности ТВС.

В работах [1, 2] был предложен бесконтактный метод контроля уровня установки ТВС с использованием штатной ТК мехатронного комплекса МП. Суть метода заключалась в использовании подходов фотограмметрии, позволяющих определять формы, размеры и пространственное положение различных объектов посредством измерения их фотографических изображений с различных ракурсов. Для получения информации о пространственном положении группы ТВС было предложено использовать изображения активной зоны реактора, полученные с помощью штатной ТК МП с двух ракурсов.

Однако применение предложенного метода в жестких производственных условиях эксплуатации реактора типа ВВЭР столкнулось с определенными сложностями. Это объясняется тем, что предложенный метод предполагает априорное условие наличия двух камер, с которых поступает изображение исследуемого объекта, либо наличие одной камеры и съемки множества изображений исследуемого объекта с двух ракурсов. Реальные промышленные условия функционирования атомного реактора типа ВВЭР исключают наличие двух камер (имеется лишь одна ТК, установленная на МП, с которой поступает изображение). Съемка одной камерой множества изображений с разных ракурсов также не представляется возможной, т.к. камера движется по заданному маршруту, при этом большинство периферийных ТВС попадают в кадр ТК только с одного ракурса, в связи с этим применение предложенного ранее метода затруднено.

Для устранения недостатков существующего метода предложен новый метод, позволяющий производить контроль разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, полученных одной штатной ТК в процессе движения МП по заданному маршруту, с использованием дополнительной информации о расположении ТВС на плоскости.

На рис. 1 схематически представлена ТК, закрепленная на МП, а также видимый участок активной зоны реактора. Рассмотрим процесс определения высоты (повысотной отметки) на примере одной центральной ТВС. Обозначим найденный центр верхней поверхности ТВС в проекции ТК как I(см. рис. 1). Рассмотрим уравнение перехода от трехмерного представления точки G, соответствующей центру верхней поверхности ТВС, в глобальной системе координат (ГСК) (системе координат МП, которая не совпадает со стандартной системой координат (ССК) ТК), к еедвухмерной проекции I на изображении ТК:

                                                              (1)

где - вектор, записанный в однородных координатах, где w и h координаты центра верхней поверхности ТВС на изображении, полученном ТК;

- вектор, где x и y координаты центра верхней поверхности ТВС в ГСК, а z искомая повысотная отметка ТВС;

- матрица параметров внешней калибровки, описывающая вращение ССК ТК относительно ГСК;

- углы поворота ТК;

- угол поворота ТШ;

;

;

- вектор параметров внешней калибровки, описывающий перенос ССК ТК относительно ГСК;

- матрица параметров внутренней калибровки, где - отношение фокусного расстояния ТК к масштабному коэффициенту по оси абсцисс в проекции изображения ТК;

- отношение фокусного расстояния ТК к масштабному коэффициенту по оси ординат в проекции изображения ТК;

- координаты главной точки, относительно начала координат фотоприемника.

Поскольку в уравнении (1) известны параметры внешней калибровки R,T,координаты x, y центров верхних поверхностей ТВС в ГСК и координаты w, h проекций центров верхних поверхностей ТВС на изображении ТК, то, используя эти данные, можно определить элементы матрицы параметров внутренней калибровки С. Координаты главной точки  и коэффициенты дисторсии определяются на этапе калибровки ТК.

Drawing_gl1_shema.jpg

Рис. 1 – Определение высоты (повысотной отметки) ТВС с помощью ТК

Уравнение (1) соответствует модели камеры-обскуры, которая не учитывает искажения, вызванные аберрацией оптической системы, при которой линейное увеличение изменяется по полю зрения. При этом нарушается подобие между объектом и его изображением. Такой тип аберрации называется дисторсией. Для компенсации оптических искажений используются коэффициенты дисторсии, полученные на этапе калибровки ТК.

Решая уравнение (1) относительно G, возможно определить повысотные отметки z видимых ТВС на одноракурсном изображении как соответствующий элемент данного вектора, используя при этом параметры внешней калибровки ТК, внутренней калибровки ТК, координаты центра верхней поверхности ТВС на одноракурсном изображении w, h и координаты центра верхней поверхности ТВС x, y в ГСК, согласно формуле (2).

                                                          (2)

С учетом вышесказанного в диссертации предложен метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений, получаемых от ТК МП. Машина перегрузочная при выполнении процедуры контроля ТВС движется по заданному маршруту. При останове МП ТК производит запись последовательности изображений с текущего ракурса. В виду того, что  одиночные кадры последовательности сильно зашумлены, производится обработка всех изображений последовательности с целью получения незашумленного одноракурсного изображения. Далее производится устранение искажений, вызванных дисторсией, на основании параметров, полученных в результате калибровки ТК. После этого  одноракурсное изображение подвергается обработке с целью поиска координат w, h точек, соответствующих центрам верхних поверхностей  ТВС, с помощью аппроксимации эллипсами верхних поверхностей ТВС. Найденные координаты центров верхних поверхностей ТВС используются в (2) для определения повысотных отметок видимых ТВС.

Предложенный метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе одноракурсных изображений состоит из 6-ти этапов:

  • калибровка ТК;
  • получение данных о положении ТК и поверхностных координатах ТВС;
  • улучшение качества изображения;
  • устранение оптических искажений;
  • поиск координат центров головок ТВС на изображении;
  • контроль разновысотности ТВС (определение повысотных отметок ТВС).

В отличие от существующих методов предлагаемый метод предполагает обработку одноракурсных изображений, не требует инсталляции дополнительного (нештатного) оборудования МП, а также съемки ТВС с различных ракурсов.

Вторым этапом контроля ТВС является процедура идентификации номеров ТВС. Так как для проведения контроля ТВС используется один функциональный элемент – штатная ТК, в диссертации предлагается метод идентификации номеров ТВС в активной зоне реактора типа ВВЭР по изображениям, получаемым штатной ТК МП. В виду того, что исходные изображения сильно зашумлены, для обеспечения высокого качества идентификации номеров ТВС необходимо провести дополнительное улучшение качества полученного с ТК изображения. Кроме этого, поскольку номера ТВС расположены под некоторым углом, необходимо провести сегментацию текстовых областей, расположенных под произвольным углом. После этого необходимо осуществить непосредственное распознавание текстовой информации на сегментированных областях. Таким образом, основными этапами метода идентификации номеров ТВС являются:

  • калибровка ТК;
  • улучшение качества изображения;
  • устранение оптических искажений;
  • сегментация текстовой области номера ТВС;
  • выделение символов номера ТВС;
  • распознавание символов номера ТВС.

Предложенные выше методы контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС базируются на обработке видеоизображений, получаемых одной штатной ТК в процессе ее движения по заданному маршруту. При этом, поскольку ряд этапов, таких как калибровка ТК, улучшение качества изображения, устранение оптических искажений для обоих методов идентичен, то эти этапы могут быть совмещены, что позволит сократить время контроля ТВС в целом. В диссертации предложена общая процедура контроля ТВС, которая объединяет ряд этапов контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС.

Вторая глава диссертации посвящена разработке методов и алгоритмов реализации основных этапов процедуры контроля разновысотности ТВС на основе обработки одноракурсных изображений, предложенной в первой главе, с учетом специфики их применения, а именно – этапа улучшения качества изображения, получаемого ТК, и этапа поиска координат центров головок ТВС на изображении.

Рассмотрены существующие методы улучшения качества изображения и показано, что методы и алгоритмы, направленные на обработку одиночных изображений, незначительно повышают показатель PSNR (peek signal to noise ratio (пиковое отношение "сигнал – шум")), в то же время фильтры, использующие серии изображений, достигают высоких значений данного показателя. Поэтому было предложено при разработке метода улучшения качества изображения использовать метод сложения множества изображений ТВС, полученных с одного ракурса ТК при проведении процедуры контроля ТВС. Согласно методу  сложения множества изображений необходимо, чтобы изображения были совмещены. Так как при перемещении МП камера колеблется и изображения получаются смещенными, в диссертации предложено использовать алгоритм совмещения изображений, в результате применения которого достигается попиксельная точность совмещения изображений за счет использования метода, основанного на поиске точечных соответствий на изображениях, и метода, основанного на итеративном повышении разрешающей способности изображения.

После совмещения серии изображений можно произвести их сложение с целью получения одиночного незашумленного изображения.

Однако, как показано в диссертации, в связи с импульсными помехами, вызванными работой приводов МП, некоторые изображения серии сильно зашумлены. Поэтому в диссертации предложен метод, учитывающий степень зашумленности каждого изображения в серии.

Основой предлагаемого метода является определение коэффициента вклада каждого изображения в общую сумму. Коэффициент вклада k - это показатель зашумленности изображения; чем сильнее изображение зашумлено, тем меньше коэффициент, аналогично, чем меньше изображение зашумлено, тем больше коэффициент вклада.

В диссертации предложен алгоритмически реализуемый метод медианного сложения, учитывающий зашумленность каждого изображения серии I, в соответствии с коэффициентом вклада , схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2 – Схема алгоритма медианного сложения серии изображений с учетом коэффициента вклада каждого изображения

С вероятностью, равной значению данного коэффициента ,производится добавление значения яркости пикселя изображения  в массив яркостей пикселей для медианного метода улучшения качества изображения. Таким образом, наиболее зашумленные изображения, коэффициент вклада которых ,не будут участвовать в формировании итогового изображения . В результате выполнения алгоритма получается итоговое изображение .

На рис. 3 представлено сравнение одиночного полутонового изображения  серии I и улучшенного изображения , полученного сложением серии I изображений реакторной зоны ВВЭР.

Рис. 3 – Результат работы алгоритма улучшения качества изображения

Далее, в соответствии с предложенным в первой главе методом контроля разновысотности ТВС, необходимо произвести поиск элементов верхней поверхности, соответствующих центру головок ТВС. Показано, что стандартные детекторы неприменимы в условиях задачи контроля разновысотности ТВС атомного реактора типа ВВЭР, т.к. необходимо с высокой точностью определить центры эллиптических головок ТВС на изображении, содержащем большое количество деталей изображения, не соответствующих верхней поверхности головок ТВС. Для поиска верхней поверхности эллиптических головок ТВС предложен комбинированный метод детектирования эллипсов на изображении, заключающийся в выделении контуров на изображении и поиске центров эллипсов на бинаризованном изображении.

Для поиска контуров на изображении реакторной зоны ВВЭР предложен алгоритм, основанный на градиентном методе, основная идея которого заключается в процедуре  попиксельного обхода изображения и поиске вектора градиента. Чем больше перепад яркости между точками, тем большее значение имеет модуль вектора градиента, и, анализируя его величину, можно судить о том, принадлежит ли точка фону или объекту на нем. После выделения контуров градиентным алгоритмом получаем бинарное изображение, где единичным пикселям соответствуют элементы верхней плоскости головок ТВС.

Далее производится поиск эллипсов на бинаризованном изображении. На рис. 4 представлена схема комбинированного алгоритма поиска центров эллипсов на бинарном изображении,

Рис. 4 – Схема комбинированного алгоритма поиска центров эллипсов на бинарном изображении

суть которого заключается в следующем. Выполняется грубый поиск эллипсов на бинаризованном изображении градиентным методом, после этого уточняются положения центров эллипсов итерационным способом, причем на каждой итерации повышается масштаб изображения и производится уточнение центров эллипсов. Алгоритм завершает работу при достижении оригинального масштаба изображения (см. рис. 4).

На рис. 5а представлено полутоновое изображение, полученное сложением серии изображений активной зоны реактора ВВЭР, получаемых ТК МП. После обработки полутонового изображения градиентным алгоритмом получено бинарное изображение контуров, соответствующих элементам верхней плоскости ТВС, которое представлено на рис. 5б. На завершающем этапе применен алгоритм поиска центра эллипсов на бинарном изображении (см. рис. 4), результат работы алгоритма приведен на  рис. 5в.

а                                                б                                               в

Рис. 5 – Результаты работы алгоритмически реализуемого метода детектирования верхней эллиптической поверхности головок ТВС

Третья глава посвящена разработке методов и алгоритмов реализации основных этапов процедуры автоматизированной идентификации номеров ТВС, предложенной в 1-й главе, с учетом специфики их применения, а именно:

  • метода сегментации областей номера ТВС;
  • алгоритма выделения символов номера ТВС;
  • алгоритма распознавания символов номера ТВС.

Основной проблемой при идентификации номера ТВС является его произвольная ориентация относительно горизонта, которая затрудняет использование существующих алгоритмов сегментации текстовой информации на цифровых изображениях. С учетом данного обстоятельства предложен алгоритмически реализуемый метод сегментации текстовой области номера ТВС на изображении реакторной зоны, позволяющий производить поиск текстовых областей под произвольным углом, который состоит из следующих 6-ти этапов. (Исходное изображение представлено на рис. 6а.)

Этап 1. Коррекция гистограммы исходного изображения. Исходное изображение содержит малоинформативные зоны слева и справа, поэтому необходимо выполнить процедуру “обрезки” гистограммы слева и справа уровней яркости менее 5% от максимального наполнения гистограммы. Такой процент обусловлен типом используемого фотоприемника и уровнем освещенности активной зоны реактора. Результат выполнения данного этапа представлен на рис. 6б.

Этап 2. Бинаризация изображения. Заключается в просмотре всего изображения по строкам и столбцам. Для каждого пикселя входного изображения при выполнении условия бинаризации производится запись единицы в выходное изображение и нуля при невыполнении данного условия. Результат выполнения этапа 2 представлен на рис. 6в.

Этап 3. Морфологические операции сжатия и расширения. В диссертации предлагается использовать морфологические операции для выделения связных областей пикселей, соответствующих текстовым областям номеров ТВС на изображении в активной зоне реактора типа ВВЭР. Для устранения мелких объектов и линий шириной в 1 пиксель используется морфологическое сжатие. Далее выполняется выделение связных областей с помощью морфологического расширения. Результат выполнения данного этапа представлен на рис. 6г.

Этап 4. Поиск связных областей на изображении, соответствующих номеру ТВС. Для поиска связных областей в диссертации предложено использовать  волновой алгоритм. Суть использования волнового алгоритма заключается в следующем – для каждого единичного пикселя изображения распространяется волна в 4-х направлениях по единичным пикселям. На каждом шаге волнового алгоритма пиксели, принадлежащее одной группе, заносятся в соответствующий список, а на входном изображении данным пикселям присваивается нулевое значение для исключения зацикливания алгоритма. Затем найденные области ранжируются по площади, и области, имеющие наибольшую площадь, передаются для дальнейшей обработки. Найденная область с наибольшей площадью представлена на рис. 6д.

Этап 5. Построение ограничивающей четырехугольной области. Для этого изображение сканируется по столбцам и производится поиск пикселей, соответствующих середине столбцов, образующих связанную область. Далее производится поиск пикселей, соответствующих средней линии связанной области. После этого производится поиск параметров прямой, аппроксимирующей точки средней линии. На основе найденных параметров наклона прямой, максимальной ширины связанной области и координаты по оси абсцисс левой и правой крайней точки связанной области производится построение линий, образующих ограничивающую четырехугольную область, представленную на рис. 6е.

Этап 6. Преобразование четырехугольной области в прямоугольную. Текст номера ТВС расположен под некоторым углом относительно основания изображения, в связи с этим в диссертации предложено использовать преобразования четырехугольной области в прямоугольную. Последнее можно осуществить при использовании формул преобразования точки из одной двухмерной плоскости xy в другую x’y’:

                                                                  (3)

где a, b, c, d, e, f, g, h - коэффициенты преобразования.

а                                                   б                                             в

г                                       д                                             е

Рис. 6 – Результаты выполнения этапов 1-5 алгоритмически реализуемого метода сегментации текстовой области номера ТВС

Рис. 7 – Четырехугольная и прямоугольная области в двухмерной плоскости

Зная координаты 4-х точек преобразуемой области, а также координаты 4-х точек прямоугольной области, представленные на рис.7, подставляем их в формулу преобразования (3), получаем из каждой пары точек по два уравнения, таким образом, из 4-х пар точек получается 8 уравнений с 8-ю неизвестными. Решая данную систему, получим искомые коэффициенты a, b, c, d, e, f, g, h. Подставляем их в (3) и получаем формулы для преобразования четырехугольной области в прямоугольную. На рис. 8 представлен результат преобразования фрагмента изображения ТВС с определенными вершинами четырехугольной области, ограничивающими область, соответствующую номеру ТВС, в прямоугольную область, пригодную для дальнейшей сегментации и распознавания одиночных символов:

Рис. 8 – Результат преобразования четырехугольной области в прямоугольную

Поскольку сегментированная область с номером ТВС имеет смазанные очертания символов, для повышения резкости изображения предлагается использовать вейвлет преобразования.

Рис. 9 – Повышение четкости изображения с помощью вейвлет преобразования

Для распознавания отдельных символов номера ТВС предлагается использовать однослойную нейронную сеть (НС), обучаемую методом обратного распространения ошибки. Выбор технологии искусственных нейронных сетей, в целом, и НС, указанной выше структуры, в частности, обусловлен спецификой задачи идентификации символов номера ТВС. В решаемой задаче распознавания символов известна классификация учебных данных, т.е. для каждого различного символа номера ТВС возможно составить обучающий набор данных, обучить нейросеть и произвести его нейросетевое распознавание. После операции распознавания номер ТВС представляется оператору.

В четвертой главе приводится описание ПО системы телевизионного контроля ТВС, созданного на основе разработанных методов и алгоритмов, предложенных в предыдущих главах диссертации. На рис. 10 показана структура ПО системы телевизионного контроля ТВС.

Блок ввода/вывода данных используется в ПО для ввода входных данных (серии монохромных изображений, информации о расположении ТВС на плоскости), а также вывода данных результата в виде выходного протокола.

Рис. 10 – Структура ПО системы телевизионного контроля ТВС

Блок улучшения качества входных изображений  предназначен для обработки исходных изображений, полученных при помощи модуля ввода данных ТК в соответствии с методом, предложенным в главе 1. В данном блоке реализован комбинированный алгоритм совмещения серии изображений и алгоритм сложения серии изображений, описанные в главе 2, а также модуль устранения оптических искажений.

Блок контроля разновысотности ТВС предназначен для бесконтактного контроля разновысотности ТВС, на основе методов и алгоритмов, предложенных в главе 2.

Блок идентификации номеров ТВС предназначен для идентификации номеров ТВС с использованием методов и алгоритмов, приведенных в третьей главе диссертации.

ПО имеет два режима работы – демонстрационный и автоматизированный. Демонстрационный режим предназначен для настройки и демонстрации поэтапной работы системы, а автоматизированный - для работы системы в реальных условиях. На рис. 11 представлена экранная форма работающей системы телевизионного контроля ТВС в автоматизированном режиме.

Основными элементами главной экранной формы ПО (см. рис. 11) является изображение реакторной зоны, получаемое от ТК, а также данные о положении ТК в пространстве. После обработки каждого ракурса съемки на экранной форме отображаются найденные номера видимых ТВС и увеличивается значение счетчика обработанных ракурсов на единицу. В любой момент времени пользователь может сгенерировать отчет об обработанных ракурсах при помощи нажатия на кнопку "Генерация протокола". В результате пользователю предоставляется экранная форма, содержащая значения повысотных отметок ТВС, которые можно экспортировать в формат .xls.

Рис. 11 – Главная экранная форма ПО системы телевизионного контроля ТВС

Проведено сравнение результатов контроля разновысотности ТВС, полученных контактным методом на энергоблоке №1 РоАЭС в процессе проведения ППР 2011 года, с данными, полученными в результате работы разработанного ПО системы телевизионного контроля ТВС. Сравнение показало, что максимальное отклонение высот, полученное системой телевизионного контроля ТВС, от контактного метода не превышает 1.4 мм. Учитывая, что инструментальная погрешность контактного метода контроля ТВС составляет около 1 мм, то можно сделать вывод, что инструментальная погрешность бесконтактного метода контроля разновысотности ТВС не превышает 2.5 мм, что является допустимым показателем в соответствии с регламентом эксплуатации реактора типа ВВЭР.

Это позволяет сделать вывод о том, что на основе анализа последовательности одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП, перемещаемой по активной зоне реактора, с учетом данных о расположении ТВС на плоскости, возможно произвести контроль разновысотности ТВС с инструментальной погрешностью, не превышающей допустимую.

По результатам испытаний системы в ходе ППР 2011 года показано, что количество правильно идентифицированных номеров ТВС по изображениям активной зоны реактора составило 89% от общего числа рассмотренных номеров ТВС. В связи с этим ПО может использоваться в задаче автоматизированной идентификации номеров ТВС в качестве контекстной помощи оператору.

ПО прошло экспериментальную проверку на энергоблоке №1 РоАЭС. Как показали результаты испытаний в производственных условиях, время, необходимое для выполнения работы ПО системы телевизионного контроля ТВС в задаче контроля разновысотности ТВС составляет 1 час, а в задаче идентификации номеров ТВС составляет 2-3 часа. Таким образом, общее время выполнения процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора типа ВВЭР уменьшено с 8 часов до 3-4 часов. Сравнение с существующими методами контроля ТВС показало, что разработанное ПО обеспечивает ряд преимуществ, основные из которых следующие:

  • устранение необходимости использования дополнительного (нештатного) оборудования МП;
  • устранение механического контакта с ТВС;
  • контекстная помощь оператору при проведении операции идентификации номеров ТВС.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные автором в ходе работы над диссертацией.

Основные результаты и выводы

В результате проведенных исследований решена актуальная научная задача разработки методов и алгоритмов обработки изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП, обеспечивающих повышение эффективности выполнения процедуры контроля ТВС в процессе ППР реактора типа ВВЭР.

В процессе решения основной научной задачи получены следующие научные и практические результаты.

Разработан метод бесконтактного контроля разновысотности ТВС на основе обработки одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК МП ВВЭР, отличающийся использованием данных о расположении ТВС на плоскости.

Разработан метод автоматизированной идентификации номеров ТВС на основе обработки одноракурсных изображений, получаемых от штатной ТК мехатронного комплекса МП ВВЭР.

Разработана общая процедура телевизионного контроля ТВС, основанная на обработке видеоизображений, получаемых одним функциональным элементом - штатной ТК в процессе движения МП по заданному маршруту. Данная процедура сочетает в себе методы контроля разновысотности ТВС и идентификации номеров ТВС, позволяет упростить процедуру контроля ТВС и, как следствие, еще больше сократить время ее реализации за счет совмещения идентичных этапов обоих методов.

Разработан комбинированный алгоритм совмещения изображений, отличающийся от существующих сочетанием метода поиска точечных особенностей и метода, основанного на итеративном повышении разрешающей способности изображения.

Разработан алгоритмически реализуемый метод улучшения качества изображения, отличающийся анализом коэффициента вклада изображений ТВС, полученных с одного ракурса ТК. Доказано, что в сравнении с известными методами улучшения качества изображений, данный метод обеспечивает наибольший показатель PSNR.

Разработан алгоритмически реализуемый метод детектирования верхней эллиптической поверхности головок ТВС на изображении активной зоны реактора, отличающийся от существующих использованием компоненты градиента яркости и анализа переменной разрешающей способности.

Разработан алгоритмически реализуемый метод сегментации текстовой области номеров ТВС расположенных под произвольным углом относительно горизонта, отличающийся использованием морфологических операций и преобразования произвольной четырехугольной области в прямоугольную.

На основе разработанных методов и алгоритмов, предложенных в диссертации, создано ПО системы телевизионного контроля ТВС.

ПО прошло экспериментальную проверку на энергоблоке №1 РоАЭС. В результате работы разработанного ПО в процессе ППР 2011 общее время выполнения процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора типа ВВЭР уменьшено с 8 часов до 3-4 часов за счет применения новых методов и алгоритмов обработки одноракурсных изображений. Таким образом, поставленная в диссертации цель сокращения времени процедуры контроля ТВС в активной зоне атомного реактора в период планово-предупредительного ремонта за счет применения новых методов и алгоритмов обработки одноракурсных видеоизображений, полученных от ТК МП, достигнута.

Список использованных источников

1.         Каляев, И.А. Инновационные разработки Южного научного центра РАН в области создания систем управления для атомной энергетики [Текст] / И.А. Каляев, В.В. Коробкин, А.П. Кухаренко, В.В. Макеев, В.П. Поваров, К.Е. Румянцев. // Инновации, – 2006. – №10. – С. 62.

2.  Макеев, В.В. Система бесконтактного определения разновысотности головок тепловыделяющих сборок в активной зоне реактора [Текст] / В.В. Макеев, В.П. Поваров, В.В. Коробкин, О.В. Лебедев // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки, – 2006. – №6. – С. 37.

Основные публикации по теме диссертации

  • Хисамутдинов, М.В. Метод вычисления координат высоты изделий в системе бесконтактного определения разновысотности ТВС активной зоны реактора [Текст] / М.В. Хисамутдинов, Я.С. Коровин // Известия Южного федерального университета. Технические науки, – 2010. – №12. – С. 142-148 (ведущий рецензируемый журнал, входит в перечень ВАК)
  • Хисамутдинов, М.В. Фильтрация изображений в целях выделения эллипсов в системе бесконтактного определения разновысотности тепловыделяющих сборок активной зоны реактора типа ВВЭР-1000 [Текст] / М.В. Хисамутдинов, Я.С. Коровин // Мехатроника, автоматизация, управление, – 2011. – №4. – С. 42-44 (ведущий рецензируемый журнал, входит в перечень ВАК)
  • Хисамутдинов, М.В. Многостадийная методика обработки изображений для выделения эллипсов, соответствующих торцам головок тепловыделяющих сборок в активной зоне реактора [Текст] / М.В. Хисамутдинов // Материалы международной научно-технической конференции. Т.2. Многопроцессорные вычислительные и управляющие системы (МВУС-2009)  – Дивноморское: Изд-во ТТИ ЮФУ, – 2009. – С. 230-232.
  • Хисамутдинов М.В. Распознавание номеров изделий ТВС в активной зоне реактора [Текст] / Хисамутдинов М.В. // Материалы международной IX научно-технической конференции “Распознавание-2010”  – Курск: Изд-во ЮЗГУ, – 2010. – С. 79-81.
  • Хисамутдинов М.В. Методы и средства дистанционной инвентаризации ТВС в активной зоне атомного реактора типа ВВЭР-1000 [Текст] / Хисамутдинов М.В.. // Материалы четвертой всероссийской мультиконференции по проблемам управления.  – Геленджик: Изд-во ТТИ ЮФУ – 2011. – С. 430-433.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             ЛР №020565 от 23 июня 1997г.

Формат 60х841/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. п.л. – 1,4.                    Уч.-изд. л. -1,1.

Заказ №54.              Тираж 100 экз.

ГСП 17А, Таганрог, 347928, Некрасовский, 44

Типография Технологического института

Южного федерального университета в г. Таганроге

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.