zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-12-36-43zldm-1816Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLОпределение параметров взвешенных частиц произвольной формы оптико-электронным методомDetermination of the parameters of suspended particles of arbitrary shape by optoelectronic methodСеменовВ. В.SemenovV. V.

Семенов Владимир Владимирович.

346500, Ростовская обл., Шахты, ул. Шевченко, д. 147

Vladimir V. Semenov.

147, ul. Shkevchenko, Shakhty, Rostov obl., 346500

vvsemenov@mail.ruДонской государственный технический университетРоссияDon State Technical UniversityRussian Federation20222512202288123643Copyright © Семенов В.В., 20222022Семенов В.В.Semenov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1816

Данные о параметрах взвешенных частиц необходимы в электронной, оптической, химической и горнодобывающей промышленности, порошковой металлургии, физике атмосферы, медицине и др. В работе представлены результаты определения параметров взвешенных частиц произвольной формы с помощью комбинированного оптико-электронного подхода, включающего фотоэлектрический метод и метод цифровой обработки изображений. Результаты обоих методов использовали для коррекции параметров частиц и оперативного управления излучением лазерного излучателя. Работа применяемого для определения параметров оптико-электронного устройства основывалась на анализе изображений частиц в четырех проекциях, а также на регистрации рассеянного частицами и собранного эллиптическим зеркалом излучения. Спектрометрию дисперсного состава аэрозолей проводили с использованием фотоэлектронного умножителя. Изображения взвешенных частиц для цифровой обработки получали с помощью матрицы прибора с зарядовой связью. Показано, что применяемые алгоритмы обработки изображений позволяют удалять шумы, корректировать фон, улучшать границы, определять порог бинаризации, исключать мелкие частицы, выделять замкнутые области и границы, проводить разбиение изображения на части и подсчет количества частиц в каждой из них, определять параметры и классифицировать частицы. Кроме того, они дают возможность восстанавливать объемную форму взвешенной частицы и выводить ее основные характеристики на цифровой индикатор с точностью до 1 %, что существенно лучше, чем у известных аналогичных устройств. Полученные результаты могут быть использованы для контроля загрязнения воздуха и повышения точности идентификации взвешенных частиц произвольной формы.

Data on the parameters of suspended particles are required in the electronic, optical, chemical and mining industries, powder metallurgy, atmospheric physics, medicine, etc. We present the results of determining the parameters of suspended particles of arbitrary shape using a combined optoelectronic approach, including a photoelectric method and a digital method of image processing. The results of both methods were used to correct the particle parameters and operational control of the laser emitter radiation. The operation of an optoelectronic device used to determine the parameters is based on the analysis of particle images in four projections, as well as on the registration of radiation scattered by particles and collected by an elliptical mirror. Spectrometry of the disperse composition of aerosols was carried out using a photomultiplier tube. The images of suspended particles for digital processing were obtained using a CCD array. It is shown that the applied image processing algorithms make it possible to remove noise, correct a background, improve the boundaries, determine the binarization threshold, exclude small particles, select closed areas and boundaries, split the image into the parts and count the number of particles in each of them, determine the parameters and classify the particles. Moreover, it becomes possible to restore the volumetric shape of a suspended particle and display the main characteristics on a digital indicator with an accuracy of 1%, which is significantly better than that of known similar devices. The results obtained can be used to control air pollution and improve the accuracy of identification of suspended particles of arbitrary shape.

оптико-электронные методы регистрациифотоэлектронный умножительматрица прибора с зарядовой связьювзвешенные частицы в четырех проекцияхалгоритмы обработки изображений и сигналовDSP-процессорклассификаторoptical-electronic methods of detectionphotomultipliermatrix device with charge couplingsuspended particles in four projectionsimage and signal processing algorithmsDSP processorclassifierReferencesСеменов В. В. Телевизионный анализатор аэрозолей / 9-я Международ. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности»: сб. тр. — СПб.: Политехнический университет, 2010. С. 260 -261.Semenov V. V. Television analyzer of aerosols / 9th International Scientific and Practical Conference “Research, development and application of high technologies in industry”: collection of materials. — St. Petersburg: Politekhnichesky universitet, 2010. P. 260 - 261 [in Russian].Семенов В. В. Компьютерная обработка изображений в телевизионном анализаторе аэрозолей / Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 10(159). С. 88 - 97.Semenov V. V. Computer processing of images in a television analyzer of aerosols / Izv. YuFU. Tekhn. Nauki. 2014. N 10(159). P. 88 - 97 [in Russian].Семенов В. В., Асцатуров Ю. Г., Ханжонков Ю. Б. Оценка потенциальной опасности возникновения поллинозов телевизионным анализатором аэрозолей / Инженерный вестник Дона. 2012. № 4. Ч. 1.Semenov V. V., Assaturov Yu. G., Khanzhonkov Yu. B. Evaluation of the potential danger of pollinosis by a television analyzer of aerosols / Inzh. Vestn. Dona. 2012. N 4. Part 1 [in Russian].Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. — М.: Техносфера, 2005. — 1072 с.Gonzalez R., Woods R. Digital Image Processing, — Moscow: Tekhnosfera, 2005. — 1072 p. [Russian translation].Антонов И. В., Алиевский В. М., Кадушников Р. М., Гроховский В. И. Морфологическое исследование наночастиц средствами анализа изображений / Вестник УГТУ-УПИ. 2005. № 10(62). С. 63 - 68.Antonov I. V., Alievsky V. M., Kadushnikov R. M., Grokhovsky V. I. Morphological study of nanoparticles by means of image analysis / Vestn. UGTU-UPI. 2005. N 10(62). P. 63 - 68 [in Russian].Беляев С. П., Никифорова Н. К., Смирнов В. В. и др. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей. — М.: Энергоиздат, 1981. — 232 с.Belyaev S. P., Nikiforova N. K., Smirnov V. V., et al. Optoelectronic methods for studying aerosols. — Moscow: Energoizdat, 1981. — 232 p. [in Russian].Филиппов В. Л., Казаков В. Н., Толстая Н. В. Спектрометрия дисперсного состава аэрозолей. — Казань: КГЭУ, 2009.Filippov V. L., Kazakov V. N., Tolstaya N. V Spectrometry of the disperse composition of aerosols. — Kazan: KGEU, 2009 [in Russian].Толстая Н. В., Филиппов В. Л., Казаков В. Н. Особенности конструкции оптико-электронных аэрозольных спектрометров и их влияние на точностные характеристики приборов / Вестник КГЭУ. 2010. Т. 5. № 2. С. 22 - 35.Tolstaya N. V., Filippov V. L., Kazakov V. N. Features of the design of optical-electronic aerosol spectrometers and their influence on the accuracy characteristics of devices / Vestn. KGEU. 2010. Vol. 5. N 2. P. 22 - 35 [in Russian].Шмаргунов В. П., Полькин В. В. Счетчик аэрозольных частиц на базе АЗ-5 / Приборы и техника эксперимента. 2007. № 2. С. 165.Shmargunov V. P., Polkin V. V. Aerosol particle counter based on АЗ-5 / Prib. Tekhn. Eksper. 2007. N 2. P. 165 [in Russian].Asatryan R. S., Karayan G. S., Khachatryan N. R. Methodology for metrological certification of an optical-electronic meter of aerosol particles in the environment / Colloquium-journal. 2018. N 3-1(14). P. 58 - 63.Asatryan R. S., Karayan G. S., Khachatryan N. R. Methodology for metrological certification of an optical-electronic meter of aerosol particles in the environment / Colloquiumjournal. 2018. N 3-1(14). P. 58 - 63.Коломиец Г. А., Коломиец С. M. Анализатор размеров и формы аэрозолей «АРФА» / Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 6. С. 553 - 555.Kolomiets G. A., Kolomiets S. M. Aerosol Size and Shape Analyzer “ARFA” / Optika Atmosf. Okeana. 1999. Vol. 12. N 6. P. 553 - 555 [in Russian],Сойфер В. А., Сергеев В. В., Попов С. Б., Мясников В. В. Теоретические основы цифровой обработки изображений: учеб. пособ. — Самара: СГАУ, 2000. — 256 с.Soifer V. A., Sergeev V. V., Popov S. B., Myasnikov V. V. Theoretical foundations of digital image processing. — Samara: SGAU, 2000. — 256 p. [in Russian].Шапиро Л. Компьютерное зрение / Пер. с англ. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. — 752 с.Shapiro L. Computer vision. — Moscow: Binom. Laboratoriya znanii, 2006. — 752 p. [in Russian].Яне Б. Цифровая обработка изображений. — М.: Техносфера, 2007. — 584 с.Yane B. Digital image processing. — Moscow: Tekhnosfera, 2007. — 584 p. [in Russian].Щекин С. Б. Восстановление формы трехмерных объектов методами структурированного освещения / Науч.-техн. вестник информ. технологий, механики и оптики. 2007. № 43. С. 301 - 307.Shchekin S. B. Restoring the shape of three-dimensional objects using structured lighting methods / Nauch.-Tekhn. Vestn. Inf. Tekhnol. Mekh. Opt. 2007. N 43. P. 301 - 307 [in Russian].Тупицын И. В. Реконструкция трехмерной модели объекта на основе стереопары при решении задач 3D моделирования / Вестник СибГУ имени М. Ф. Решетнева. 2011. №3(36). С. 88-92.Tupitsyn I. V. Reconstruction of a three-dimensional model of an object based on a stereopair when solving 3D modeling problems / Vestn. SibGU. 2011. N 3(36). P. 88 - 92 [in Russian],Самойленко М. В. Восстановление формы трехмерного объекта по двухмерным изображениям / Науч.-техн. вестник информ. технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. №6. С. 1074 -1083. DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-1074-1083Samoilenko M. V. Restoring the shape of a three-dimensional object from two-dimensional images / Nauch.-Tekhn. Vestn. Inf. Tekhnol. Mekh. Opt. 2017. Vol. 17. N 6. P. 1074-1083 [in Russian]. DOI: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-1074-1083Аленин В. А. Трехмерная реконструкция объектов из последовательности изображений / Молодой ученый. 2011. № 3-1. С. 33-35.Alenin V. A. Three-dimensional reconstruction of objects from a sequence of images / Mol. Uchenyi. 2011. N 3 - 1. P. 33 - 35 [in Russian].Котляр В. В., Залялов О. К. Итеративный алгоритм восстановления трехмерной формы объекта / Компьютерная оптика. 1996. Т. 16. С. 71 - 74.Kotlyar V. V., Zalyalov О. K. An iterative algorithm for restoring the three-dimensional shape of an object / Komp’yut. Opt. 1996. Vol. 16. P. 71 - 74 [in Russian].Щекин С. Б. Восстановление формы трехмерных объектов методами структурированного освещения / Науч.-техн. вестник информ. технологий, механики и оптики. 2007. № 43. С. 301-307.Shchekin S. B. Restoring the shape of three-dimensional objects using structured lighting methods / Nauch.-Tekhn. Vestn. Inf. Tekhnol. Mekh. Opt. 2007. N 43. P. 301 - 307 [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.