DIPLOMOVÁ PRÁCEgeo.fsv.cvut.cz/proj/dp/2014/vaclav-vlk-dp-2014.pdfIt is a stepper motor, a laser...

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZEFAKULTA STAVEBNÍ

OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE

DIPLOMOVÁ PRÁCEKALIBRACE NIVELAČNÍ LATĚ PROSTŘEDNICTVÍM

SEKVENCE DIGITÁLNÍCH SNÍMKŮ

Vedoucí práce: Ing. Zdeněk VYSKOČIL, Ph.D.Katedra geomatiky

červen 2014 Václav VLK

ABSTRAKTTato práce zkoumá možnosti využití digitálního USB mikroskopu pro kalibraci digitální

nivelační latě. Cílem práce je vyvinout uživatelsky přívětivý počítačový program, který uži-

vateli umožní určit měřítko latě. Pro tento účel bylo využito prostředí systému MATLAB

2013a spolu s dalšími přídavnými balíčky, tzv. toolboxy. Program komunikuje s dal-

šími přístroji v laboratoři, které jsou součástí horizontálního komparátoru, který navrhl

a sestrojil na fakultě stavební ČVUT Ing. Zdeněk Vyskočil, Ph.D a kolektiv. Jedná se

o krokový motor, laserový interferometr a samotný USB mikroskop. Tato diplomová

práce popisuje jednotlivé funkce programu a prováděné výpočty, které slouží ke kalib-

raci nivelační latě, a na základě provedených kalibrací zhodnocuje využitelnost kalibrace

nivelačních latí pomocí snímkování digitálním mikroskopem.

KLÍČOVÁ SLOVAKalibrace digitální nivelační latě, laserový interferometr, digitální mikroskop, detekce linií

ve snímku

ABSTRACTThis paper explores the possibilities of using digital USB microscope for calibrating digital

leveling rod. The goal is to develop a user-friendly computer application for determining

the scale of the leveling rod. For this purpose has been used MATLAB 2013 with ad-

ditional toolboxes. The application communicates with other devices in the laboratory

which are part of the horizontal comparator. It is a stepper motor, a laser interferometer

and the USB microscope. Horizontal comparator was designed and constructed by Ing.

Zdeněk Vyskočil, Ph.D et al. at the Faculty of Civil Engineering, CTU in Prague. This

thesis describes the application features and calculations. This thesis also evaluate the

usability of digital microscope as a tool for digital rod calibration.

KEYWORDSDigital level rod calibration, laser interferometer, digital microscope, image line detection

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že diplomovou práci na téma „Kalibrace nivelační latě prostřednictvím sek-

vence digitálních snímků“ jsem vypracoval samostatně, podle pokynů vedoucího práce.

Použitou literaturu a podkladové materiály uvádím v seznamu zdrojů.

V Praze dne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(podpis autora)

PODĚKOVÁNÍ

Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Zdeňku Vyskočilovi, Ph.D. za pomoc a cenné

rady při zpracování této práce. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Zdeňku Lukešovi, Ph.D.

za přínosné připomínky a také Antonínu Roubalovi za technická řešení nových prvků

komparátoru.

Obsah

Úvod 7

1 Horizontální komparátor pro systémovou kalibraci 9

1.1 Laserový interferometr Renishaw ML10 . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2 Horizontální posun latě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1 Krokový motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.2 Vozík nesoucí lať . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Skloněné zrcadlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Řídící software DLSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 Osvětlení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6 Ruční digitální mikroskop Celestron II . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7 Uchycení mikroskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Teorie 19

2.1 Kalibrace latě pomocí sekvence digitálních snímků . . . . . . . . . . . 19

2.1.1 Statistické zhodnocení měřených hodnot . . . . . . . . . . . . 21

2.2 Kalibrace obrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Tvorba řídícího programu KLPM 23

3.1 MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1.1 Image Acquisition Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.2 Computer Vision System Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1.3 Souřadnicové systémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.4 Image Processing Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1.5 Instrument Control Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.6 GUIDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 Seznam zdrojových souborů programu KLPM . . . . . . . . . . . . . 42

3.3 Hlavní ovládací panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3.1 Nápověda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4 Ovládací panel motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4.1 Funkce motor.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5 Ovládací panel interferometru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.5.1 Funkce Interfero_delka.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.6.1 Funkce realVideo_linematch.m . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.6.2 Funkce DetekceLinii.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.7 Tabulka kalibrovaného úseku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.8 Kalibrace obrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.9 Kalibrace latě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.10 Kompilace programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4 Kalibrace latě pomocí digitálního mikroskopu 74

4.1 Příprava kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.1.1 Urovnání latě do vodorovné polohy . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.1.2 Připojení přístrojů k PC a navázání spojení . . . . . . . . . . 74

4.1.3 Urovnání mikroskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.1.4 Volba kalibrovaného úseku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2 Kalibrace obrazu na počátku kalibrovaného úseku . . . . . . . . . . . 76

4.3 Kalibrace latě ve směru „TAM“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.4 Kalibrace obrazu na konci kalibrovaného úseku . . . . . . . . . . . . . 78

4.5 Kalibrace latě ve směru „ZPĚT“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.6 Zhodnocení kalibrací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.7 Porovnání se systémovou kalibrací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Závěr 84

Použité zdroje 86

Seznam symbolů, veličin a zkratek 88

Seznam příloh 94

A Elektronická příloha 95

ČVUT v Praze ÚVOD

ÚvodTato práce nepřímo navazuje na moji bakalářskou práci, ve které se pomocí

mnoha systémových kalibrací digitálního nivelačního systému Leica NA3003 zkou-

maly vlastnosti horizontálního komparátoru, který navrhl a sestrojil na fakultě sta-

vební ČVUT Ing. Zdeněk Vyskočil, Ph.D a kolektiv. Nivelační přístroj je brán spolu

s příslušnou latí jako jeden celek neboli systém. Proto tedy systémová kalibrace.

Měřítko je nezbytné zjistit pro každou lať, která je s daným nivelačním přístro-

jem používána. V rámci metrologického řádu resortu ČUZK však nejsou tyto ka-

librace latí spolu s nivelačním přístrojem jako jednoho systému v současné době

řešeny (pouze samostatně). A právě proto je potřeba určit měřítko nivelační latě

jako samostatného celku, tedy bez měření nivelačního přístroje během kalibrace.

Tato práce zkoumá možnosti využití digitálního USB mikroskopu pro kalibraci digi-

tální nivelační latě na stávajícím horizontálním komparátoru. Za tímto účelem bylo

nutné vytvořit počítačový program, který komunikuje s dalšími přístroji, které jsou

součástí komparátoru. Jedná se o krokový motor a velmi přesný laserový interfero-

metr, který slouží jako délkový etalon. Krokový motoru posouvá vozík s vodorovně

ležící latí po dráze. Laserový interferometr velmi přesně určuje pozici, kde se ak-

tuálně vozík s latí nachází. Pomocí USB mikroskopu se pořizují snímky čárového

kódu latě, které se následně vyhodnocují. Na každém snímku jsou vyhledány linie,

tedy přechody mezi černými a světlými dílky na lati a díky tomu mohou být ur-

čeny středy černých dílků na snímku. Vzdálenosti mezi středy vybraných dílků na

lati následně slouží k výpočtu měřítka kalibrovaného úseku nivelační latě. Uživatel

programu, po navázání spojení s přístroji, musí, před samotnou kalibrací latě, nej-

prve urovnat mikroskop a poté provést kalibraci obrazu, díky které se určí velikost

obrazových bodů snímku. Pro vytvoření programu bylo zvoleno prostředí systému

MATLAB 2013a spolu s dalšími přídavnými balíčky, tzv. toolboxy, které obsahují

rozšiřující funkce specifické pro různé oblasti využití. Např. pro pořizování dat ze

záznamových zařízení, zpracování pořízených obrazových dat, pro komunikaci PC

s přístroji přes různá rozhraní, atd. Dále systém MATLAB umožňuje vytvářet gra-

fická uživatelská rozhraní, neboli GUI (z angličtiny Graphical User Interface), tedy

7

ČVUT v Praze ÚVOD

tvorbu uživatelsky přívětivých, samostatně spustitelných programů. Pomocí vytvo-

řeného programu byly provedeny kalibrace digitální nivelační latě Leica. V závěru

této práce jsou zhodnoceny výsledky provedených kalibrací nivelační latě pomocí

USB mikroskopu.

8

ČVUT v Praze 1. HORIZONTÁLNÍ KOMPARÁTOR PRO SYSTÉMOVOU KALIBRACI

1 Horizontální komparátor pro systémo-

vou kalibraciTato kapitola popisuje horizontální komparátor určený pro systémovou kalibraci

nivelačního přístroje a latě jako jednoho celku a provedené úpravy pro kalibraci

pomocí digitálního USB mikroskopu.

Horizontální komparátor je chráněn užitným vzorem č. 18519, jehož majiteli jsou

Ing. Zdeněk Vyskočil, Ph.D., doc. Ing. František Krpata, CSc. a Antonín Roubal.

Obr. 1.1: Schéma fungování horizontálního komparátoru

Lať je při kalibraci ve vodorovné poloze a pro zobrazení čárového kódu latě do

svislé roviny se používá zrcadla skloněného k záměrné přímce nivelačního přístroje

v úhlu 45∘. Toto zrcadlo je pevně uchyceno v rámu nad nivelační latí (viz. obr. 1.2).

Nivelační lať je umístěna na vozíku, který se pohybuje po ocelové kolejové dráze v ose

rovnoběžné se záměrnou přímkou nivelačního přístroje. O pohyb vozíku po dráze se

stará krokový motor, který otáčí hnací ložiskovou tyčí. Na vozíku se také nachází

odrazný hranol interferometru. Interferometr je laserové zařízení, které dokáže měřit

změny vzdálenosti s přesností na mikrometry [3]. Celý proces systémové kalibrace je

automatizován pomocí softwaru DLSC, díky propojení krokového motoru, laserového

interferometru a nivelačního přístroje s PC. Pro kalibraci pomocí USB mikroskopu

bylo tedy nutné vytvořit ovládací software, určený přímo k tomuto účelu.

9


Obr. 1.2: Pohled od nivelačního přístroje směrem k zrcadlu

1.1 Laserový interferometr Renishaw ML10

Laserový interferometr Renishaw ML10 Gold Standard je kompaktní (obsahuje

laserovou hlavu i přijímač signálu), přenosný měřící systém, pro velmi přesné ur-

čování délkových rozdílů v jednom směru, z čehož vychází měření i jiných veličin

(rovinnost, sklon dráhy atd.), při použití příslušných optických elementů. Interfero-

metr Renishaw dosahuje vynikajících stabilních garantovaných přesností lepších než

±0, 7𝜇𝑚.𝑚−1 [1].

Obr. 1.3: Laserový interferometr Renishaw ML10 Gold Standart

10


Jak je vidět na obrázku 1.4, interferometr používá k odrazu paprsku odrazný

hranol, který je umístěn na pojízdném vozíku, který nese lať. Měření interferometru

se při kalibraci pohybuje ve vzdálenosti od 0,7 m do 2,8 m. Aby interferometr správně

opravoval měřené délky z vlivu indexu lomu prostředí, musí se mu na začátku každé

kalibrace zaslat informace o aktuální teplotě (na desetiny ∘C s přesností 0,3∘C),

tlaku vzduchu (v Pa s přesností 100 Pa) a relativní vlhkosti vzduchu (na jednotky %

s přesností 20%) [3]. Při změně atmosférických hodnot v laboratoři je délka určena

s chybou 0,96 ppm / ∘C (0,96 𝜇𝑚 na metr délky, při změně o 1∘C), 0,27 ppm / hPa

a o 0,0084 ppm / % relativní vlhkosti vzduchu [1].

Obr. 1.4: Schéma uspořádání optiky laserového interferometru

Tab. 1.1: Vybraná technická data o Renishaw ML10 Gold Standart

Zdroj laseru Helium neonová (HeNe) laserová trubiceVýkon laseru <1 mWVlnová délka ve vakuu 632,990577 nmDlouhodobá stabilita frekvence ±0, 05 𝑝𝑝𝑚 (miliontin celku)Stabilita frekvence po 1hodině ±0, 02 𝑝𝑝𝑚 (miliontin celku)Dosah 0–40mVýstup 5 pin ’Datalink’Napájení 100-240 VAC (nominal) 50-60 HzPracovní teplota 0–40∘C (32–104∘F)

11


1.2 Horizontální posun latě

1.2.1 Krokový motor

K elektrickému motoru je připojena řídící jednotka. Součástí motoru je pružná

spojka se spojkovou skříní, kde dochází k převodu otáček motoru na hnací tyč (viz.

obr 1.5). Motor otáčí železnou tyčí s trapézovým závitem o průměru 40 mm a délce

3,7 m. Tyč je na svém konci usazena v ložisku připevněném k ocelovém překladu.

Horizontální posun latě umožňuje posouvat lať s minimálním krokem 16 mikrokroků,

což za použití převodovky znamená posun o 0,01 mm. Rychlost pohybu je však

omezená. Posun o 1 m trvá při maximální rychlosti asi 3 minuty.

Obr. 1.5: Krokový motor, řídící jednotka, zdroj napětí a vypínač

Na koncích dráhy jsou nainstalovány bezpečnostní spínače pro okamžité vypnutí

krokového motoru, díky čemuž nehrozí poškození komparátoru při chybném zadání

úseku kalibrace.

1.2.2 Vozík nesoucí lať

Vozík s tyčí spojuje duralová deska. Tato deska je přišroubována k čelu vozíku

a nese otvor se závitem, kterým tyč prochází (viz. obr. 1.6). K vozíku je ve svém

středu připevněna kovová traverza, která na třech šroubech nese lať. Dva šrouby na

jedné straně zajišťují možnost horizontace latě v příčném směru a jeden šroub vzadu

ve směru podélném.

12


Obr. 1.6: Připevnění poháněné matice k vozíku

1.3 Skloněné zrcadlo

Pro nezkreslené zobrazení obrazu čárového kódu latě je nutné, aby zrcadlo svíralo

úhel 45∘ s normálou k ploše latě i se záměrnou přímkou nivelačního přístroje. Zrca-

dlo je umístěno v konstrukci, která je připevněna k tělu komparátoru a umožňuje

částečné natáčení zrcadla pomocí hrubých a jemných ustanovek.

Obr. 1.7: Využití běžného tenkého zrcadla při nastavení skloněného zrcadla

Pro nastavení zrcadla do polohy odkloněné od osy latě o 45∘ se používá jedno-

duchý postup, využívající nivelační přístroj jako autokolimátor. To zajišťuje na lať

(pod zrcadlo) položené běžné tenké zrcadlo s pokovenou zadní stranou [4].

Při kalibraci samotné latě, pomocí digitálního USB mikroskopu, využití zrcadla

a nutnost jeho urovnání zcela odpadá, což časově zkracuje celý proces kalibrace.

13


1.4 Řídící software DLSC

Autorem programu Digital level system calibration (DLSC) je Ing. Zdeněk Lukeš,

Ph.D., který program vyvinul ve spolupráci s Ing. Zdeňkem Vyskočilem, Ph.D. v roce

2009. Program je určen pro operační systém typu Linux a s uživatelem komunikuje

v anglickém jazyce.

Nivelační přístroj a interferometr provedou měření, které odešlou do PC, kde se

měřené hodnoty zaregistrují, a program dá poté pokyn motoru, aby posunul vozíkem

o zvolený krok na další pozici, kde se měření opakuje, dokud vozík nedosáhne zadané

koncové pozice.

Obr. 1.8: Uživatelské prostředí programu DLSC

Během měření (kalibrace) program vykresluje graf vývoje výškových odchy-

lek a regresní přímku (aproximace měřených hodnot přímkou metodou nejmenších

čtverců). V grafu se na ose 𝑦 zobrazují normalizované rozdíly ℎ𝑙𝑎𝑡−𝑑𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟, tedy rozdíly

opravené o průměrnou hodnotu a na ose 𝑥 pozice na lati ℎ𝑙𝑎𝑡. Výsledkem kalibrace

je údaj o měřítku systému: 𝑚 = 1+𝑎0, kde 𝑎0 je násobný koeficient regresní přímky.

Jde tedy o lineární regresi, kde měření nivelačního přístroje ℎ𝑙𝑎𝑡 je nezávislá a měření

interferometru 𝑑𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 závislá proměnná.

Celý projekt lze exportovat do formátu *.txt.

14


Ukázka části exportovaného měření:

DIGITAL LEVEL SYSTEM CALIBRATION v1,00 (Nov 10 2011 12:45:15)--------------------------------------------------------------------------------Project name: DINI12File name: /home/zed/calibration/DINI12_LD12_k154Start time: 2012-01-26-16:07:59Operator: V. VlkInstrument: DINI12 Instrument ID: 701882Staff: LD12 Staff ID: 10322Sessions: 1. LD12 10322 a~2. LD12 10322 b 3. LD12 10322 c 4. LD12 10322 d--------------------------------------------------------------------------------Session 1 : LD12 10322a~--------------------------------------------------------------------------------Start time: 2012-01-26-16:07:59 End time: 2012-01-26-16:32:53Start position [mm]: 119,97 End position [mm]: 1899,48Step [mm]: 20,00Number of observations: 90Distance level-staff [m]: 3,81Linear regression results:--------------------------System scale: 0,999996 ( -4 ppm)System scale RMS: 0,000002 ( 2 ppm)RMS of unit weight [um]: 10Maximum residuum [um]: 28 Minimum residuum [um]: -20Observations:-------------h_level d_laser residuals temperature_Air pressure humidity temperature_Mat1 temperature_Mat2[mm] [mm] [um] [deg C] [hPa] [%] [deg C] [deg C]------------------------------------------------------------------------------------------------------119,97 -1774,850 -4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0139,99 -1754,839 5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0159,97 -1734,855 1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0179,95 -1714,878 4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0199,94 -1694,900 15 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0219,92 -1674,915 10 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Při tvorbě řídícího programu pro kalibraci latě pomocí USB mikroskopu byla

snaha o obdobný způsob statistické analýzy měřených hodnot a tedy určení měřítka

latě, aby bylo možné oba způsoby kalibrace výsledkově porovnat.

1.5 Osvětlení

Samotné osvětlení laboratoře je nedostačující pro měření pomocí digitálních ni-

velačních přístrojů a proto je nutné lať osvětlit přídavným zdrojem světla. K tomuto

účelu slouží podélná zářivka, která je napevno připevněna k rámu, nesoucí skloněné

zrcadlo (obr. 1.9).

Obr. 1.9: Osvětlení latě

15


Při kalibraci latě pomocí USB mikroskopu není potřeba lať zářivkou osvětlovat,

neboť samotný mikroskopu má vlastní zdroj světla v podobě šesti bílých LED diod

(obr. 1.10).

Obr. 1.10: Objektiv mikroskopu s LED diodami

1.6 Ruční digitální mikroskop Celestron II

Ruční digitální mikroskop firmy Celestron je určen spíše pro veřejnost, než pro

vědecké účely. Výhodou je příznivá pořizovací cena (1 500Kč) a dostupnost. Pro účely

kalibrace latě je však plně dostačující.

Parametry přístroje [2]:

∙ Zvětšení: 10x–40x (až 150x na některých monitorech)

∙ LED osvětlení pomocí 6 diod v kruhu

∙ Připojení i napájení přes USB 2.0 kabel

∙ Kamera 2 MPx (CMOS)

∙ Rychlost snímání videa: 25 snímků za vteřinu (při nízkém rozlišení)

∙ Možnost focení a nahrávání videa přes dodávaný software

∙ Součástí je nastavitelný kovový stojan

16


Obr. 1.11: Digitální mikroskop Celestron II (zdroj [2])

1.7 Uchycení mikroskopu

Pro uchycení mikroskopu bylo nutné ke stávající konstrukci přimontovat obdél-

níkový jaekl, ke kterému se, pomocí dvou šroubů s podložkami, přichytil kovový

stojan mikroskopu (obr. 1.12).

Obr. 1.12: Uchycení mikroskopu

Polohování mikroskopu probíhá ručně s pomocí kovového stojanu, který se skládá

ze dvou kulových hlav mezi destičkami, které jsou k sobě přitahovány pomocí šroubu.

S mikroskopem lze tedy libovolně ručně manipulovat, ale pouze ve všech osách zá-

roveň.

17


Zaostřování obrazu probíhá ručně pomocí šedého vroubkovaného kolečka z umělé

hmoty. Povrch tohoto kolečka je naneštěstí velmi hladký a proto není lehké obraz

zaostřit, aniž by mikroskop nezměnil svoji polohu.

18

ČVUT v Praze 2. TEORIE

2 Teorie

2.1 Kalibrace latě pomocí sekvence digitálních snímků

nivelační lať

interferometr

d1

d2

d3

o1 o2 o3

p3

p2

p1

s1 s2 s3

[Academic use only] Obr. 2.1: Schéma znázorňující snímkování latě

Čárový kód se u digitálních nivelačních latí skládá z množství různě silných

černých dílků (proužků). Jednotlivé dílky se skládají z různého počtu elementárním

dílků. Velikost elementárním dílku, resp. velikost nejužší mezery mezi dílky, je pro

daného výrobce digitálních nivelačních přístrojů stejná. U digitálních nivelačních

latí pro přístroje Leica je to 2,025 mm. Díky tomu lze poměrně jednoduše určit

vzdálenosti mezi jednotlivými dílky, vzdálenosti mezi jejich středy, či jejich pozici

na lati (p1, p2, p3 na obrázku 2.1) vztaženou k libovolnému počátku (první dílek

na lati, patka latě atd.).

Před kalibrací latě se určí tzv. kalibrované dílky. Na pozicích kalibrovaných dílků

(p1, p2, p3) se provádí snímkování pomocí digitálního mikroskopu (s1, s2, s3)

a měření délky pomocí laserového interferometru (d1, d2, d3). Měřená délka před-

stavuje vzdálenost středu snímku od počátku měření interferometru. Střed kalibro-

vaného dílku se ale zpravidla nenachází přesně na středu snímku. Proto se k měřené

délce musí přičíst ještě oprava, neboli vzdálenost středu dílku od středu obrazu.

19


Opravy (o1, o2, o3) jsou na obrázku 2.1 vyobrazeny v rovině snímku (s1, s2,

s3), jedná se tedy o počet obrazových bodů (pixelů). Pro získání opravy v délko-

vých jednotkách, je potřeba vynásobit každý z těchto pixelů svojí velikostí. Určení

velikosti jednotlivých pixelů se zabývá sekce 2.2 Kalibrace obrazu.

Při kalibraci se mikroskop nepohybuje nad latí, ale svoji pozici mění pomocí

krokového motoru nivelační lať (viz. obr. 2.2).

1

23

45

6

7 8

109

11

p1

d1

d2

p2

0

480,5

960

640,5 1280

+o1

0

480,5

960

640,5 1280

-o2

12

[Academic use only] Obr. 2.2: Schéma znázorňující různé pozice latě při kalibraci

Seznam jednotlivých prvků komparátoru popsaných v obrázku 2.2:

1: Ocelová lavice s kolejovou drahou2: Krokový motor3: Hnací ložisková tyč4: Připevnění vozíku k poháněné matici na hnací ložiskové tyči5: Ložiskové ukotvení ložiskové tyče6: Vozík nesoucí lať7: Nivelační lať8: Patka latě9: Odrazný hranol interferometru

10: Laserový interferometr11: Pozice snímání čárového kódu latě pomocí mikroskopu12: Zeď laboratoře

20


Obrazové souřadnice středu kalibrovaného dílku se v každém snímku určí pomocí

tzv. detekce linií. Řídící software provede analýzu každého snímku. Ve snímku vy-

hledá linie (přechody černá-bílá). Vypočte středy mezi sousedními liniemi a vyřadí

ty, které se nacházejí na bílém pozadí.

Do vyrovnání vstupují na ose X známé hodnoty pozic na lati 𝑝𝑙𝑎𝑡 a na ose Y nor-

malizované rozdíly 𝑝𝑙𝑎𝑡 − 𝑑𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 + 𝑜. Na obrázku 2.2 je vidět, že v případě urovnání

latě na vozík patkou ke zdi, se lať při kalibraci pohybuje směrem ke zdi. V tako-

vém případě se musí měřené délky d násobit koeficientem −1, aby platilo pravidlo:

když p1 < p2, tak d1 < d2. Opravy o, o které se opravují měřené délky d mají

vždy kladnou hodnotu, pokud se střed kalibrovaného dílku nachází v dolní polovině

snímku, resp. zápornou hodnotu, nachází-li se v horní polovině snímku.

Tab. 2.1: Ukázka hodnot získaných při kalibraci latě, kde Rozdíl = p - (d + o)

Kalib. dílek Pozice dílku [mm] Měřená délka [mm] Oprava [mm] Rozdíl [mm]

1 450,050 -370,56463 -0,01180 812,57633

2 500,725 -311,85955 +0,00592 812,57863

3 557,425 -255.14721 -0,00296 812,57517

2.1.1 Statistické zhodnocení měřených hodnot

Měřítko kalibrovaného úseku latě se vypočte aproximací měřených hodnot přím-

kou metodou nejmenších čtverců. Výsledkem je údaj o měřítku kalibrovaného úseku

latě: 𝑚 = 1+𝑎0, kde 𝑎0 je násobný koeficient regresní přímky. Jde o lineární regresi,

kde pozice na lati 𝑝𝑙𝑎𝑡 je nezávislá a opravené měření interferometru 𝑑𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 +𝑜 závislá

proměnná.

2.2 Kalibrace obrazu

Aby mohla být určena velikost oprav (vzdálenost středu kalibrovaného dílku

od středu obrazu), je nejprve nutné určit velikosti jednotlivých pixelů (obrazových

bodů). Před samotnou kalibrací latě se tedy musí provést ještě tzv. kalibrace obrazu.

21


Ta se provádí obdobným způsobem, jako dříve popsaná kalibrace latě s tím rozdílem,

že se s latí nepřejíždí mezi jednotlivými dílky na lati, ale provádí se opakované

snímkování jediného dílku, který se v obraze posouvá o velmi malou vzdálenost

(motor posouvá s latí např. o 0,1 mm).

2

3

4

1

u3

u2

u1

KU

[Academic use only] Obr. 2.3: Schéma zobrazující posun středu dílku při kalibraci obrazu

Na obrázku 2.3 je zobrazen dílek na začátku kalibrace obrazu a na jejím konci.

Střed dílku se na každém snímku nachází v jiné pozici (1, 2, 3 a 4). Pro každou

pozici jsou známy jak obrazové souřadnice středu dílku, tak i délka z interferometru.

Jednotlivé rozdíly měřených délek se vydělí příslušným počtem pixelů, čímž se získá

průměrná velikost jednoho pixelu v daném úseku (u1, u2, u3). Tato hodnota se

poté zobrazí do grafu na X-ové souřadnici středu daného úseku (vyjádřeno v pi-

xelech). Hodnoty v grafu se poté aproximují pomocí polynomu 3. stupně, čímž se

získají velikosti jednotlivých pixelů v kalibrovaném úseku KU.

Polynom 3. stupně byl zvolen po poradě s vedoucím práce, neboť zde nehraje roli

pouze nekolmost objektivu mikroskopu vůči lati, ale i jeho optická chyba. Distorze,

neboli zkreslení obrazu, které se obecně projevuje měnící se ostrostí obrazu směrem

od středu snímku k jeho okrajům. Přímka na okrajích snímku se jeví zakřivená. Při

kalibraci latě je tedy žádoucí, aby se kalibrované dílky nacházely co nejblíže středu

snímku. Proto bylo rozhodnuto ke kalibraci obrazu i latě používat pouze elementární

(nejužší) dílky na lati.

Pro určení co možná největšího rozsahu pixelů se na začátku kalibrace obrazu

najede s latí do takové pozice, aby se dílek v obraze nacházel u jednou z okrajů.

22

ČVUT v Praze 3. TVORBA ŘÍDÍCÍHO PROGRAMU KLPM

3 Tvorba řídícího programu KLPMPro tvorbu řídícího programu KLPM bylo zvoleno prostředí MATLAB verze

8.1.0.604 (vydání R2013a) s těmito přídavnými balíčky (tzv. Toolboxy):

∙ Image Acquisition Toolbox, verze 4.5 (R2013a)

∙ Image Processing Toolbox, verze 8.2 (R2013a)

∙ Computer Vision System Toolbox, verze 5.2 (R2013a)

∙ Instrument Control Toolbox, verze 3.3 (R2013a)

ČVUT poskytuje svým zaměstnancům a studentům k užívání vždy aktuální

licenci akademické verze prostředí MATLAB spolu s mnoha toolboxy. Prostředí

MATLAB je využíváno studenty oboru Geodézie a kartografie v průběhu celého

studia k výpočtům a zpracování zadaných úloh a proto bylo zvoleno jako nejvhod-

nější nástroj pro tvorbu řídícího programu. Použitý operační systém Microsoft Win-

dows 8 Version 6.2 (Build 9200) je 64-bitovým systémem a proto i výpočetní skripty

v prostředí MATLAB byly pro zvýšení výpočetního výkonu ukládány v 64-bitové

verzi.

3.1 MATLAB

MATLAB je integrované prostředí pro vědeckotechnické výpočty, modelování,

návrhy algoritmů, simulace, analýzu a prezentaci dat, paralelní výpočty, měření

a zpracování signálů, návrhy řídicích a komunikačních systémů. MATLAB je nástroj

jak pro pohodlnou interaktivní práci, tak pro vývoj širokého spektra aplikací [5].

Hlavní vlastnosti:

∙ Programovací jazyk pro numerické výpočty, vizualizace a vývoj aplikací

∙ Interaktivní prostředí pro zkoumání, navrhování a řešení problémů

∙ Matematické funkce lineární algebry, statistiky, Fourierovy analýzy, filtrování,

optimalizace, numerické integrace a řešení diferenciálních rovnic

23


∙ Vestavěné uživatelské rozhraní pro vizualizaci dat a nástroje pro vytváření

vlastních grafů

∙ Vývojové nástroje pro zlepšení kvality kódu a maximalizaci výkonu

∙ Nástroje pro tvorbu aplikací s grafickým rozhraním

∙ Funkce pro integraci Matlabovských algoritmů s externími aplikacemi a pro-

gramovacími jazyky jako je C, Java, .NET a Microsoft Excel.

Následující podkapitoly popisují použité toolboxy a také vlastnosti jednotlivých

funkcí, které byly využity při tvorbě programu KLPM.

3.1.1 Image Acquisition Toolbox

Image Acquisition Toolbox je sada funkcí, které rozšiřují schopnosti výpočet-

ního prostředí MATLAB. Toolbox podporuje širokou škálu operací pro pořizování

snímků, včetně:

∙ Automatické rozpoznání hardwaru a konfigurace jeho hardwarových vlastností

∙ Získávání snímků pomocí mnoha typů zařízení pro snímání obrazu, od profe-

sionálních fotoaparatur, až po USB kamery

∙ Zobrazení tzv. „živého náhledu“ videa

∙ Spouštění automatického opakovaného pořizování snímků

∙ Konfigurace tvz. „Callback“funkcí, které se provedou při výskytu určitých

událostí

∙ Uvedení obrazových dat do pracovního prostředí MATLABu

Pro používání funkcí Image Acquisition Toolboxu je však nezbytné mít současně

nainstalovaný i Image Processing Toolbox [6].

Pro pořizování obrazových dat pomocí Image Acquisition Toolbox je nutné po-

stupovat podle těchto základních kroků:

24


1. Instalace a nastavení zařízení pro pořizování snímků

2. Získání informace, která jedinečně identifikuje naše snímací zařízení

info = imaqhwinfo(’winvideo’)

3. Vytvoření video input objectu (objekt vstupu videa, skrze tento objekt MATLAB

se zařízením komunikuje)

obj = videoinput(’winvideo’, 1);

4. Nastavení pořizovaných snímků pomocí video objektu (volitelné)

set(obj,’ReturnedColorSpace’,’grayscale’); (Přijímat obraz ve škále šedi)

5. Náhled snímaného videa (volitelné)

preview(obj);

6. Pořízení obrazových dat

image = getsnapshot(obj);

7. Úklid (zastavení snímání, zavření náhledu, smazání video objektu)

closepreview(obj);

delete(obj);

Funkce imaqhwinfo

Funkce imaqhwinfo poskytuje informace o všech dostupných (připojených) za-

řízeních pro snímání obrazu.

Příkaz info = imaqhwinfo(’adaptorname’) vrací do proměnné info strukturu

textových polí, které obsahují informace o adaptéru uvedeném jako textový řetězec

’adaptorname’ (název adaptéru). V našem případě se jedná o adaptér ’winvideo’,

neboť požadujeme výpis dostupných zařízení pro zpracování obrázků zobrazených

ve správci zařízení v ovládacích panelech systému Windows. Získaná informace ob-

sahuje verzi adaptéru a výpis dostupných zařízení pro daný adaptér.

Ukázka získání informace o všech dostupných zařízení pro adaptér ’winvideo’:info = imaqhwinfo(’winvideo’)info =

AdaptorDllName: [1x73 char]AdaptorDllVersion: ’4.5 (R2013a)’

25


AdaptorName: ’winvideo’DeviceIDs: {[1]}

DeviceInfo: [1x1 struct]

Každému zařízení je přiděleno identifikační číslo DeviceID, které se využívá k pří-

stupu k informacím o daném zařízení (název, standardní formát, podporované for-

máty).

Ukázka získání informace o určitém zařízení dostupném skrze příslušný adaptér.

K identifikování zařízení slouží jeho identifikační číslo DeviceID:

dev_info = imaqhwinfo(’winvideo’, 1)dev_info =

DefaultFormat: ’YUY2_1280x960’DeviceFileSupported: 0

DeviceName: ’Celestron Digital Microscope’DeviceID: 1

VideoInputConstructor: ’videoinput(’winvideo’, 1)’VideoDeviceConstructor: ’imaq.VideoDevice(’winvideo’, 1)’

SupportedFormats: {1x8 cell}

Získané údaje o zařízení se následně používají např. ve funkci videoinput.

Funkce imaqreset

Při prvním zavolání funkce imaqhwinfo se informace o nalezených zařízeních

uloží do mezipaměti. Funkce imaqreset se využívá pro vynucené vyhledání nově

připojených zařízení, které mohly být připojeny až po spuštění programu MATLAB.

Funkce imaqreset odstraní všechny objekty pro získávání obrazu, které exis-

tují v mezipaměti a uvolní všechny adaptéry načtené z panelu nástrojů Windows.

Výsledkem je obnovení (znovu načtení) všech připojených zařízení pro získávání ob-

razu.

Funkce videoinput

Funkce videoinput vytváří video input object (objekt vstupu videa), díky kte-

rému MATLAB komunikuje s daným zařízením.

Příkaz obj = videoinput(adaptorname,deviceID,format) vytvoří video in-

put object, kde format je textový řetězec, který specifikuje konkrétní formát videa

podporovaný zařízením, adaptorname je název adaptéru (v našem případě ’winvideo’)

a deviceID je identifikační číslo zařízení pro pořizování obrazových dat.

26


Funkce getselectedsource

Funkce getselectedsource vrací aktuálně zvolený video source object. Při ote-

vření video source objektu je uživateli umožněno v reálném čase měnit nastavení vi-

deo input objektu, tedy měnit parametry zobrazovaného videa (jas, kontrast, barvy,

ostrost atd.).

Příkaz src = getselectedsource(obj) vyhledá všechny video source objekty

(video source object) související se vstupním video objektem (video input object)

obj a vrátí takový video source object src, jehož atribut Selected (Zvoleno) je

nastaven na „ON“.

Funkce preview

Příkaz preview(obj) zobrazí okno s živým náhledem videa snímaného zaříze-

ním, se kterým MATLAB komunikuje skrze video input object obj.

Funkce getsnapshot

Příkaz image = getsnapshot(obj) ihned vrátí jeden snímek pořízený zaříze-

ním skrze video input object obj. Počet vrácených snímků tedy není závislý na

hodnotě atributu video input objektu FramesPerTrigger. Datový typ vráceného

snímku se odvíjí od příslušné barevné škály, která je nastavena pomocí atributu

ReturnedColorSpace.

Stejný výsledek produkuje i příkaz getdata(obj,1,’uint8’), kde obj je video

input object, 1 je počet pořízených snímků a (’uint8’) je typ dat (hodnoty pixelů

u snímků pořizovaných ve škále šedi jsou v paměti uloženy jako unsigned integer

8-bit, tedy od 0 do 255).

Funkce trigger

Příkaz trigger(obj) zahájí sběr dat z video input objektu obj. Video objekt obj

musí být spuštěn a jeho atribut TriggerType musí být nastavena na ’Manual’. To

se provede pomocí příkazu triggerconfig(obj, ’Manual’);. Pro spuštění video

objektu obj se musí využít funkce start(obj).

27


Funkce trigger (spoušť) je využívána spolu s funkcí timer (časovač) pro zobra-

zování snímků z aktuálně pořizovaného videa, které byly nějakým způsobem zpra-

covány (upraveny). Upravené snímky se díky těmto funkcím zobrazí až ve chvíli,

kdy jsou připraveny k zobrazení. Zobrazované video se překreslí až ve chvíli, kdy je

další upravený snímek k dispozici. Zobrazované video se tedy liší od pořizovaného

a často je i pomalejší (nezobrazuje všechny pořizované snímky, ale jen některé po

úpravě). K úpravě snímků se používají funkce obsažené v Computer Vision System

Toolboxu, které umožňují do snímků vkládat různé geometrické obrazce, symboly

a texty.

3.1.2 Computer Vision System Toolbox

Computer Vision System Toolbox poskytuje algoritmy a nástroje pro návrh a si-

mulaci počítačového vidění a systémy pro zpracování videa. Obsahuje nástroje a al-

goritmy pro detekci pohybu, detekci objektů, sledování objektů, prostorového vidění,

zpracování a analýzu videa. Nástroje zahrnují vstupy a výstupy video souborů, zob-

razení videa, kreslení grafiky a skládání obrazu [7].

Funkce insertShape

Funkce insertShape umožňuje do snímku či videa kreslit různé geometrické

tvary (linie, obdélníky, kruhy a polygony).

Příkaz obrazek = insertShape(image, ’circle’, [150 280 35], ’LineWidth’,

5) vloží do snímku image kroužek o síle čáry 5 a o poloměru 35 pixelů na pozici

x=150, y=280.

Funkce insertMarker

Funkce insertMarker umožňuje do snímku či videa kreslit různé symboly (linie,

obdélníky, kruhy a polygony).

Příkaz obrazek = insertMarker(image, [50 100], ’x’, ’color’, ’yellow’,

28


Obr. 3.1: Ukázka obrázku s vloženými geometrickými tvary (zdroj: mathworks.com)

’size’, 10) vloží do snímku image na pozici x=50, y=100 žlutý křížek o velikosti

10.

Funkce insertText

Funkce insertText umožňuje do snímku či videa kreslit různé textové řetězce

(písmena i čísla).

Příkaz obrazek = insertText(image, [50 100], ’Ahoj’, ’FontSize’, 18) vloží

do snímku image na pozici x=50, y=100 textový řetězec Ahoj o velikosti písma 18.

3.1.3 Souřadnicové systémy

Poloha v obraze se může určovat pomocí různých souřadnicových systémů. V MATLABu

se používá hlavně pixelových a prostorových souřadnic, což jsou dva hlavní souřad-

nicové systémy používané v programu Computer Vision System Toolbox.

Souřadnice pixelů

Souřadnice pixelu umožňuje určit polohu ve snímku. V tomto souřadnicovém

systému je s obrazem zacházeno jako s množinou diskrétních prvků uspořádaných

v mřížce, seřazených shora dolů a zleva doprava (viz. obr 3.2).

První souřadnice pixelu r (řádek) se zvyšuje směrem dolů, zatímco druhá sou-

řadnice c (sloupec) se zvyšuje na pravé straně. Pixelové souřadnice jsou celočíselné

hodnoty v rozmezí od 1 do délky řádku nebo sloupce. Pixelové souřadnice pou-

žívané v programu Computer Vision System Toolbox jsou identické s pixelovými

29


Obr. 3.2: Počátek pixelového souřadnicového systému (zdroj: [7])

souřadnicemi používanými programy Image Processing Toolbox a MATLAB. Platí

zde soulad mezi indexy pixelů a indexy prvních dvou rozměrů matice v MATLABu.

Například hodnota pixelu v pátém řádku a druhém sloupci je uložena v matici na

pozici [4;2]. Díky tomu lze použít klasické indexování matic pro přístup k hodnotám

jednotlivých pixelů. Hodnota pixelu [4;2] v obrázku 3.3 je 1, což odpovídá bílé barvě.

Pixely barevných obrázků obsahují hodnotu od 0 do 1 pro každou RGB (červená,

zelená a modrá) složku (např. [0,1; 0,2; 1,0]).

obrazek = [0.0 0.6 0.4 0.5

0.7 0.8 0.9 1.0

1.0 0.9 0.8 0.6

0.6 0.8 0.7 1.0];

obrazek(3,1) = 0.4

Prostorové souřadnice

Prostorové souřadnice umožňují určit polohu v obraze s větší přesností než pixe-

lové souřadnice. Například u pixelového souřadnicového systému je pixel považován

za samostatnou jednotku, jednoznačně identifikovanou celým číslem řádku a sloupce

(např. obrazek(3,4)). V prostorovém systému souřadnic mohou být souřadnice

bodu zapsány desetinným číslem (např. [3,3; 4,7]). Následující obrázek znázorňuje

prostorový souřadnicový systém.

30


Obr. 3.3: Vizualizace matice obrazek obsahující snímek ve škále šedi

Obr. 3.4: Počátek prostorového souřadnicového systému (zdroj: [7])

Souřadnice středu obrazu se určí ze vztahu:

𝑋𝑆 = počet sloupců matice2 + 0, 5 ,

𝑌𝑆 = počet řádků matice2 + 0, 5 .

3.1.4 Image Processing Toolbox

Image Processing Toolbox poskytuje komplexní sadu algoritmů, funkcí a aplikací

pro zpracování obrazu, analýzu, vizualizaci a vývoj vlastních algoritmů. Umožňuje

31


provést analýzu obrazu, segmentaci obrazu, vylepšení obrazu, redukce šumu, geomet-

rické transformace a registraci obrazu. Mnohé funkce toolboxu podporují vícejádrové

procesory, grafické karty a generování kódu v jazyce C.

Image Processing Toolbox podporuje širokou škálu obrazových formátů, včetně

těch s vysokým dynamickým rozsahem, vysokým rozlišením v řádu gigapixelů, vlo-

ženým ICC profilem a tomografické formáty. Vizualizační funkce a aplikace umožňují

prozkoumat obrázky a videa, zkoumat oblast pixelů, nastavení barev a kontrastu,

vytvořit kontury nebo histogramy a manipulovat s oblastí zájmu (ROI, neboli re-

gion of interest). Toolbox podporuje pracovní postupy pro zpracování, zobrazení

a navigaci velkých snímků [8].

Všechny níže vyjmenované funkce Image Processing Toolboxu se v řídícím pro-

gramu KLPM využívají k detekci linií ve snímku a následnému určení snímkových

souřadnic středu černých dílků na lati.

Obr. 3.5: Vzorový snímek latě pořízený digitálním mikroskopem

Funkce graytresh

Příkaz [level EM] = graythresh(I) určí globální práh (úroveň) obrazu I,

který lze použít k převodu obrazu na obraz binární pomocí funkce im2bw. Výstupní

proměnná level je normalizovaná hodnota barevné intenzity, která leží v rozsahu

[0, 1]. Druhá výstupní proměnná EM obsahuje hodnotu v rozsahu [0, 1] a označuje

32


účinnost prahování graythresh vstupního obrazu I. Dolní mez je dosažitelná pouze

těmi obrazy, které obsahují pouze jednu úroveň šedi. Horní mez je dosažitelná pouze

dvouhodnotovými obrázky.

Výsledek prahování vzorového snímku latě I (viz. obr 3.5):

level = 0.57843137254902, EM = 0.917846672128219

Na obrázku 3.6 je zobrazen histogram vzorového snímku s červeně vyznačenou

hodnotu level*255 = 147,5. Obrázek 3.7 zobrazuje hodnoty jednotlivých pixelů

na ose Y. Jedná se o jeden sloupec pixelů, který se nachází na středu snímku (počet

pixelů na ose X / 2). Červeně je opět vyznačena hodnota přechodu.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Skala sedi

Poc

et p

ixel

u

0 50 100 150 200 250

Obr. 3.6: Histogram

0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

50

100

150

200

250

Y Souradnice pixelu

Stu

pen

sedi

pix

elu

Obr. 3.7: Hodnoty pixelů

Při převodu na binární obraz (černá/bílá) se pixely, které mají stupeň šedi pod

vyznačeným přechodem převedou do černé barvy (hodnota 0) a zbylé do bílé (1).

Funkce edge

Příkaz BW = edge(I,’prewitt’,’horizontal’) má na vstupu snímek I, který

zpracuje a vrátí binární obraz BW stejné velikosti s hodnotou pixelu 1 na pozicích,

kde funkce detekuje hranu.

Ve výchozím nastavení používá funkce edge pro detekci hran metodu Sobel, ale

nejlepších výsledků bylo dosaženo s metodou Prewitt1 , která se od metody Sobel

liší pouze hodnotami v používaných 3 x 3 maskách.1Judith M.S. Prewitt publikovala v roce 1970 kapitolu „Object Enhancement and Extraction“

ve své akademické práci „Picture processing and Psychopictorics“

33


200 400 600 800 1000 1200

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Obr. 3.8: Vzorový snímek převedený na binární snímek

Operátor používá dvě 3 x 3 masky, které jsou konvolvovány (hodnota daného

pixelu ve výstupním obraze se vypočte vynásobením každé hodnoty 3 x 3 masky

s odpovídající hodnotou daného pixelu vstupního obrazu) s původním obrazem I pro

výpočet aproximace derivací - jeden pro horizontální a jeden pro vertikální změny.

Definujeme-li 𝐼 jako zdrojový obraz a 𝐺𝑥 a 𝐺𝑦 jako dva obrazy, které v každém bodě

obsahují horizontální a vertikální aproximaci derivací, jsou tyto získány ze vztahu:

𝐺𝑥 =

⎡⎢⎢⎢⎢⎢⎣−1 0 +1

−1 0 +1

−1 0 +1

⎤⎥⎥⎥⎥⎥⎦ · 𝐼 , 𝐺𝑦 =

⎡⎢⎢⎢⎢⎢⎣+1 +1 +1

0 0 0

−1 −1 −1

⎤⎥⎥⎥⎥⎥⎦ · 𝐼 ,

Operátor vypočítá gradient intenzity obrazu v každém bodě, což je směr největší

možné změny od bílé k černé a rychlost změny v tomto směru. Výsledek tedy ukazuje,

jak „náhle“ nebo „hladce“ se obraz na tomto místě mění a díky tomu lze určit

pravděpodobnost, že daná část obrazu obsahuje hranu a jakým směrem je tato

hrana orientována.

V každém bodě obrazu mohou být výsledné aproximace gradientu kombinovány,

rozsah gradientu se poté určí pomocí následujícího vztahu:

𝐺 =√︁

𝐺2𝑥 + 𝐺2

𝑦 .

Využitím tohoto poznatku lze určit směr gradientu ze vztahu:

34


Obr. 3.9: Příklad principu konvolvace 3 x 3 masky s pixelem původního snímku

(zdroj: developer.apple.com)

Θ = arctan 𝐺𝑦

𝐺𝑥

.

Pokud nastane případ Θ = 0 , znamená to, že směr maximálního kontrastu z černé

k bílé směřuje na snímku zleva doprava. Další úhly jsou určovány ve směru proti

hodinovým ručičkám.

Metoda Prewitt najde hrany pomocí Prewittovy aproximace derivací. Vrací

hrany na těch místech, kde je gradient snímku I maximální [9].

Pro ukázku byl gradient snímku I vypočten pomocí příkazu:

[Gmag, Gdir] = imgradient(I,’prewitt’)

Funkce hough

Příkaz [H, theta, rho] = hough(BW) vypočítá standardní Houghovu trans-

formaci (SHT) vstupního binárního obrazu BW. Houghova transformace se používá

pro detekci linií v obraze. Funkce vrací H, výslednou matici Houghovy transformace.

theta (od -90∘ do 89∘) a rho jsou hodnoty, přes které byla transformace provedena.

Standardní Houghova transformace (SHT) využívá parametrické vyjádření přímky:

35


Obr. 3.10: Rozsah gradientu Gmag (vlevo) a Směr gradientu, Gdir (vpravo)

Obr. 3.11: Výstupní binární obrázek z funkce na detekci hran edge

𝜌 = 𝑥 · cos(𝜃) + 𝑦 · sin(𝜃) ,

kde 𝜌 je délka úsečky kolmé k detekované linii, jejíž počátek je v počátku snímku

(levý horní roh) a konec na detekované linii. 𝜃 je úhel, který svírá osa X s přímkou

procházející počátkem, která je kolmá k detekované linii, měřený ve stupních ve

směru hodinových ručiček od kladného směru osy x (viz. obr. 3.13). Rozsah úhlu 𝜃

je (−90∘ ≤ 𝜃 < 90∘) a měří se také ve směru hodinových ručiček od kladného směru

osy x.

36


θ

ρ

−80 −60 −40 −20 0 20 40 60 80

−1500

−1000

−500

0

500

1000

1500

Obr. 3.12: Grafické znázornění Houghovy transformace binárního snímku BW

Obr. 3.13: Určení úhlu Theta

Pozice prvků v matici SHT je určena hodnotami rho, resp. theta. Prvky v SHT

matici představují akumulované hodnoty. Zpočátku je hodnota každého prvku nu-

lová. Pro každý prvek, který není na pozadí, se pro každou hodnotu theta vypočte

příslušná hodnota rho. rho je poté zaokrouhleno na nejbližší povolenou řádku ma-

tice SHT. Hodnota tohoto prvku se zvýší (postupně se akumuluje). Na konci tohoto

postupu hodnota Q v matici SHT o souřadnicích (r, c) představuje, že Q bodů v ro-

vině xy leží na linii určené pomocí theta (c) a rho (r). Maximální hodnoty v SHT

představují potenciální linie ve vstupním obraze.

Funkce houghpeaks

Příkaz peaks = houghpeaks(H, numpeaks) najde vrcholy v Houghovy trans-

formační matici H (SHT). numpeaks je skalární hodnota, která určuje maximální

37


počet vrcholů, která má funkce identifikovat. Pokud se numpeaks nezadají, nastaví

se implicitně na hodnotu 1.

Funkce vrací údaje o nalezených vrcholech. Jedná se o matici o rozměrech Q x 2,

kde Q se může pohybovat od 0 do numpeaks. Q obsahuje souřadnice řádků a sloupců

nalezených vrcholů.

peaks = houghpeaks(H, 5)

peaks =

798 1

1492 1

1148 1

Jak je vidět z předešlého příkladu, funkce houghpeaks nalezla celkem tři vrcholy

v matici H.

Funkce houghlines

Příkaz lines = houghlines(BW, theta, rho, peaks) vyznačí úsečky v ob-

razu BW, nalezené pomocí předchozích funkcí Houghovy transformace.

Funkce houghlines vrací úsečky v podobě pole struktur, jejichž počet se rovná

počtu nalezených úseček. Každá struktura obsahuje následující prvky:

∙ point1 - vektor obsahující souřadnice (x, y) počátku úsečky

∙ point2 - vektor obsahující souřadnice (x, y) konce úsečky

∙ theta - úhel ve stupních, pochází z Houghovy transformační matice

∙ rho - pozice na ose rho v Houghově transformační matici

Do funkce houghlines mohou vstupovat i následující parametry:

∙ ’FillGap’ - Kladné reálné číslo, které určuje vzdálenost mezi dvěma úseč-

kami spojenými se stejnými prvky Houghovy transformace. Pokud je vzdále-

nost mezi úsečkami nižší než zadaná hodnota, funkce houghlines tyto čárové

segmenty spojí do jedné úsečky. Výchozí hodnota je 20.

38


∙ ’MinLength’ - Kladné reálné číslo, které určuje minimální délku nově vzniklé

úsečky pomocí spojení z více segmentů. Pokud je úsečka kratší, nepoužije se.

Výchozí hodnota je 40.

Obrázek 3.14 zobrazuje vzorový snímek I spolu s detekovanými liniemi pomocí

následujícího kódu:

BW = edge(I,’prewitt’,’horizontal’)

[H, theta, rho] = hough(BW)

peaks = houghpeaks(H, 5)

lines = houghlines(BW,theta,rho,peaks,’FillGap’,200,’MinLength’,800)

200 400 600 800 1000 1200

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Obr. 3.14: Vzorový snímek I s vyznačenými liniemi nalezenými pomocí Houghovy

transformace

39


3.1.5 Instrument Control Toolbox

Instrument Control Toolbox umožňuje MATLABu komunikovat přímo s přístroji,

jako jsou osciloskopy, funkční generátory, analyzátory signálů, napájecí zdroje a ana-

lytické přístroje. Toolbox se k nástrojům připojí prostřednictvím ovladačů, jako je

IVI a VXIplug & play, nebo prostřednictvím textu na bázi příkazů SCPI přes běžně

používané komunikační protokoly jako GPIB, VISA, TCP/IP a UDP [10].

Funkce tcpip

Funkce tcpip vytváří TCPIP objekt. TCPIP objekt se využívá pro komunikaci

se zařízeními připojenými k lokální počítačové síti. Program KLPM pomocí TCPIP

objektu komunikuje s laserovým interferometrem, který je připojen ke vzdálenému

počítači přes sériový port.

Příkaz t = tcpip(’147.32.131.11’,5001,’Terminator’,’CR/LF’) vytvoří TCPIP

objekt, díky kterému může MATLAB komunikovat s počítačem, jehož síťová IP ad-

resa je 147.32.131.11. Komunikace probíhá po portu 5001. Nastavení terminátoru se

odvíjí od typu zařízení a jeho způsobu připojení k PC. Zpravidla se uvádí v doku-

mentaci daného zařízení.

Příklad použití:

1. Vytvoření TCPIP objektu

t = tcpip(’147.32.131.11’,5001,’Terminator’,’CR/LF’)

2. Připojení TCPIP objektu ke vzdálenému hostiteli

fopen(t)

3. Odeslání příkazu ke vzdálenému hostiteli a přijímání odpovědi

fprintf(t,’SignalStrength’)

Signal = fscanf(t)

4. Odpojení TCPIP objektu od vzdáleného hostitele

fclose(t)

40


3.1.6 GUIDE

GUI (grafické uživatelské rozhraní) poskytuje pohodlné ovládání softwarových

aplikací pomocí myši, což eliminuje potřebu učit se programovací jazyk nebo příkazy

za účelem spuštění aplikace.

MATLAB aplikace jsou samostatné programy obsahující MATLAB s plnohod-

notným uživatelským rozhraním, které automatizují úlohu nebo výpočet. GUI ob-

vykle obsahuje ovládací prvky, jako jsou nabídky, panely nástrojů, tlačítka a posuv-

níky. Mnoho produktů MATLAB, jako je Curve Fitting Toolbox, Signal Processing

Toolbox, Image Acquisition Toolbox a Control System Toolbox, obsahují aplikace

s vlastní uživatelským rozhraním. Vytvořit lze také vlastní aplikace, obsahující od-

povídající uživatelské rozhraní, pro ostatní uživatele.

Aplikace GUIDE (vývoj GUI prostředí) poskytuje nástroje pro tvorbu uživatel-

ských rozhraní pro vlastní aplikace. GUIDE Layout Editor umožňuje graficky navrh-

nout uživatelské rozhraní. GUIDE pak automaticky generuje MATLAB kód uživa-

telského rozhraní. Úpravami tohoto kódu se může dále upravovat chování aplikace.

MATLAB obsahuje vestavěné funkce, které pomáhají vytvořit GUI pro aplikace

programově. Přidat se dají dialogová okna, ovládací prvky uživatelského rozhraní

(např. tlačítka a posuvníky) a kontejnery (například panely a skupiny tlačítek) [11].

Obr. 3.15: Prostředí pro návrh grafického uživatelského rozhraní - guide (zdroj: [11])

41


3.2 Seznam zdrojových souborů programu KLPM

Aplikace GUIDE vytváří dva soubory charakterizující nově vytvořené uživatel-

ské rozhraní (okno). Prvním je soubor s příponou *.fig, který obsahuje informace

o umístění jednotlivých grafických prvků (texty, tlačítka, posuvníky, tabulky atd.).

Druhým je soubor s příponou *.m, který je připraven pro naprogramování vlastních

příkazů, které se mají vykonat po spuštění rozhraní (zobrazení okna) nebo po in-

terakci s jednotlivými prvky uživatelského rozhraní, jako např. stisk tlačítka, posun

posuvníku atd.

MAIN

Napoveda

main motor

Interferometr

Mikroskop

dilky late.m

motor.m

motorSTOP.m

Detekce linii.m

realVideo linematch.m

realVideo 4linky.m

realVideo 2linky.m

Interfero delka.m

KalibraceLate.m

KalibraceObrazu.m

[Academic use only] Obr. 3.16: Kostra programu KLPM

Seznam zdrojových souborů se stručným popisem:

MAIN.fig + MAIN.m

Hlavní ovládací panel. Zobrazí se při spuštění programu KLPM. Slouží ke

spouštění zbylých uživatelských rozhraní (Napoveda, main_motor, Interferometr

a Mikroskop) a výpočetních skriptů (dilky_late.m, KalibraceObrazu.m a Kalib-

raceLate.m).

Napoveda.fig + Napoveda.m

Okno s nápovědou. Obsahuje návod k použití programu KLPM pro kalibraci

latě.

main_motor.fig + main_motor.m

Okno ovládacího panelu motoru. Umožňuje komunikaci s krokovým motorem

42


přes sériový port, který pohybuje s latí po dráze. Využívá funkcí motor.m

a motorSTOP.m.

Interferometr.fig + Interferometr.m.

Okno ovládacího panelu interferometru. Umožňuje komunikaci s laserovým

interferometrem přes TCP/IP. Využívá funkce Interfero_delka.m.

Mikroskop.fig + Mikroskop.m

Okno pro výběr a nastavení mikroskopu. Umožňuje zvolit zobrazovací zařízení

a formát obrazu a zobrazit jeho náhled. Umožňuje spuštění funkce pro urovnání

mikroskopu realVideo_linematch.m.

dilky_late.m

Výpočetní skript sloužící k vytvoření tabulky rozestupů mezi kalibrovanými

dílky. Tato tabulka je požadována při spuštění KalibraceLate.m.

KalibraceObrazu.m

Výpočetní skript, který využívá funkcí motor.m, Interfero_delka.m a Detekce-

Linii.m, ke kalibraci obrazu. Výstupem je textový soubor s velikostmi jednot-

livých pixelů. Tento soubor je požadována při spuštění KalibraceLate.m.

KalibraceLate.m

Výpočetní skript, který po načtení souboru s tabulkou rozestupů kalibrace

a souboru z kalibrace obrazu, využívá funkcí motor.m, Interfero_delka.m a De-

tekceLinii.m k určení měřítka kalibrovaného úseku nivelační latě.

motor.m

Funkce, která odesílá motoru pokyn k posunu latě zadaným směrem a o zada-

nou vzdálenost.

motorSTOP.m

Funkce, která posílá motoru dotaz a přijímá odpověď. Z přijaté odpovědi zjiš-

ťuje, zda-li je motor v pohybu, či nikoli.

Interfero_delka.m

Funkce, která vrací aktuálně odečtenou délku laserovým interferometrem.

43


DetekceLinii.m

Funkce, která ve vstupním obrázku vyhledává linie, na základě čehož poté

vypočítává souřadnice středů černých dílků.

realVideo_linematch.m

Funkce, která zobrazuje video ze zobrazovacího zařízení, v kterém detekuje

linie pomocí funkce DetekceLinii.m. Nalezené linie a středy černých dílků vy-

kresluje do zobrazovaného videa. Slouží jako zpětná vazba při urovnávání mi-

kroskopu.

realVideo_4linky.m

Funkce, která zobrazuje video ze zobrazovacího zařízení. Do každého snímku

videa zakresluje tři červené poloprůhledné plochy, kterými tak vyznačí dvě

oblasti pro umístění černého dílku na začátku kalibrace obrazu.

realVideo_2linky.m

Funkce, která zobrazuje video ze zobrazovacího zařízení. Do každého snímku

videa zakresluje dvě červené poloprůhledné plochy, kterými tak vyznačí oblast

pro umístění prvního kalibrovaného dílku na začátku kalibrace latě.

3.3 Hlavní ovládací panel

Představováno soubory MAIN.fig a MAIN.m.

Okno hlavního ovládacího panelu se otevře při spuštění programu KLPM. Slouží

jako nabídka pro pohodlné spouštění všech aplikací, které vedou k určení měřítka

kalibrovaného úseku latě a také k zobrazení okna s nápovědou (viz. obr. 3.17).

Před spuštěním programu se musí do USB portu PC připojit jednak krokový motor

pomocí redukce „serial-to-USB“ a jednak mikroskop.

Hlavní ovládací panel slouží také jako platforma pro ukládání dat. Jedná se

o různá nastavení, které uživatel programu zadává v jiných oknech (např. port pro

připojení motoru, rychlost pohybu motoru atd.). Např. pokud uživatel změnil hod-

noty v okně ovládacího panelu motoru a toto okno poté zavřel, při opětovném ote-

vření okna budou hodnoty ve stejném stavu, v jakém byly před uzavřením okna.

44


Obr. 3.17: Okno hlavního ovládacího panelu programu KLPM

Hlavní ovládací panel tedy musí být stále spuštěný. Po kliknutí na křížek pro ukon-

čení programu se objeví dialogové okno dotazující se o potvrzení tohoto kroku (viz.

obr. 3.18). Při zvolení odpovědi „Ano“ se zavřou všechna právě otevřená okna pro-

gramu KLPM a program se ukončí.

Obr. 3.18: Okno dotazující se o potvrzení o ukončení aplikace

3.3.1 Nápověda

Představováno soubory Napoveda.fig a Napoveda.m.

Okno nápovědy se otevře po kliknutí na tlačítko „Nápověda“ umístěné na hlavním

ovládacím panelu. Okno nápovědy obsahuje na pravé straně seznam dostupných

položek a v levé části zobrazuje text aktuálně zvolené položky (viz. obr. 3.19).

Při změně položky v seznamu se změní nejen zobrazovaný text, ale i název rá-

mečku (viz. obr. 3.20).

Text nápovědy obsahuje instrukce o postupu práce s programem a poskytuje

rady při řešení obvyklých problémů.

45


Obr. 3.19: Okno nápovědy

Obr. 3.20: Okno nápovědy po změně položky

3.4 Ovládací panel motoru

Představováno soubory main_motor.fig a main_motor.m.

Okno ovládacího panelu motoru se otevře po kliknutí na tlačítko „Motor“ umís-

těné na hlavním ovládacím panelu. Při spuštění aplikace se program dotáže pomocí

příkazu COMport = instrhwinfo(’serial’) na výpis dostupných sériových portů.

Pokud není nalezen žádný sériový port, zobrazí se okno z obrázku 3.21.

Obr. 3.21: Okno chybové hlášky o nenalezení sériového portu

Pokud příkaz COMport = instrhwinfo(’serial’) nalezné dostupné sériové porty,

okno ovládacího panelu motoru se zobrazí a nalezené porty jsou připraveny k výběru

v rozbalovací nabídce (viz. obr. 3.22).

46


Obr. 3.22: Okno ovládacího panelu motoru

Uživatel může vyzkoušet spojení s motorem přes nastavený port stisknutím tla-

čítka „Zkouška spojení“. Stisknutím tlačítka „Zkouška spojení“ se motoru odešle

přes zvolený sériový port příkaz k posunu o velmi malou vzdálenost (pomocí funkce

motor.m). Po odeslání tohoto příkazu je pomocí funkce motorSTOP.m v cyklu opa-

kovaně zjišťováno, zda-li se motor ještě pohybuje, či už se zastavil. V případě, že se

dal do pohybu a zastavil se, zobrazí se hláška z obrázku 3.23.

Obr. 3.23: Zpráva o úspěšném připojení motoru

V případě, že se motor do pohybu nedal, znamená to, že nedostal příkaz k pohybu

a stále není připojen. V takovém případě se zobrazí chybová hláška (viz. obr. 3.24)

a okno s nápovědou (viz. obr. 3.25).

Obr. 3.24: Chybová hláška připojení motoru

47


Obr. 3.25: Nápověda k připojení motoru, pokud se motor nepřipojil

Okno „Ovládací panel motoru“ slouží jako samostatná aplikace pro posun ni-

velační latě. Uživatel má možnost zvolit směr pohybu latě (ke zdi nebo ode zdi),

rychlost pohybu a délku posunu latě. Délka posunu se může zadat jak v centimet-

rech nebo přímo v krocích motoru. Při zadání jedné hodnoty se hodnota v druhém

políčku automaticky přepočítá dle konstanty: 1 𝑘𝑟𝑜𝑘 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑢 = 4, 040𝑒−6 cm. Za-

dané hodnoty jsou kontrolovány a v případě zadání příliš nízké, či vysoké hodnoty

je uživatel upozorněn pomocí zprávy z obrázku 3.26. Stisknutím tlačítka „START“

se motoru pomocí funkce motor.m odešlou zadané hodnoty pro posun latě.

Obr. 3.26: Upozornění na hranice zadávaných hodnot

3.4.1 Funkce motor.m

Funkce motor.m slouží pro odesílání povelů k pohybu motoru přes sériový port.

Funkci se na vstupu zadává celkem pět údajů:

1: Název sériového portu, např. ’COM3’ (hodnota z ovládacího panelu motoru)

2: Počáteční rychlost motoru (hodnota z ovládacího panelu motoru)

3: Počáteční zrychlení motoru (hodnota z ovládacího panelu motoru)

4: Maximální rychlost motoru (hodnota z ovládacího panelu motoru)

5: Směr pohybu latě spolu s počtem kroků motoru (jakým směrem a o jakou vzdá-

lenost má motor s latí posunout), např. ’f40000’ (dopředu o 40000 kroků)

48


3.5 Ovládací panel interferometru

Představováno soubory Interferometr.fig a Interferometr.m.

Okno ovládacího panelu interferometru se otevře po kliknutí na tlačítko „Interferometr“

umístěné na hlavním ovládacím panelu.

Laserový interferometr je připojen přes sériový port ke starému notebooku s ope-

račním systémem Windows XP. Na tomto notebooku se nejprve musí spustit pro-

gram, který komunikuje s interferometrem. Tento program poskytl pan Ing. Jiří

Matoušek, který ho však neaktualizuje pro novější operační systémy. Na notebooku

se dále musí spustit program „TCP tunel“, který je určen k vytvoření tunelu mezi

počítači připojenými k místní síti. V programu „TCP tunel“ se musí zadat IP ad-

resa, díky které notebook komunikuje se sítí a port 5001. Následně se klikne na

tlačítko „Start“ pro vytvoření TCP tunelu.

Počítač, ke kterému je připojen motor a digitální mikroskop (a na kterém je

program KLPM spuštěn) musí být tedy také připojen k místní síti, aby mohl s in-

terferometrem přes TCP/IP komunikovat (viz. obr. 3.27).

TCP tunel

IP:

port:

StartSTOP

147.32.131.11

5001

Windows XP

IP:147.32.131.11

Windows 8

interferometr

motor

mikroskop

místní síť

KLPM - Interferometr

spojení

Zkouška

starý notebook

[Academic use only] Obr. 3.27: Schéma zobrazující připojení přístrojů v laboratoři

49


Po otevření okna ovládacího panelu interferometru je zobrazeno pouze pole pro

zadání IP adresy a tlačítko „Zkouška spojení“. Zbytek uživatelského rozhraní je

zatím skrytý (viz. obr. 3.28). Uživatel musí zadat IP adresu notebooku, ke kterému

je interferometr připojen. Zadaná IP adresa se musí shodovat s tou, která byla

zadána v programu „TCP tunel“.

Obr. 3.28: Okno ovládacího panelu interferometru před navázáním spojení

Po zadání IP adresy a stisknutí tlačítka „Zkouška spojení“ program nejdříve

zkontroluje textový řetězec IP adresy a v případě nesrovnalostí zobrazí okno s ná-

povědou (viz. obr. 3.29).

Obr. 3.29: Okno s nápovědou o správném zadání IP adresy

50


Pokud je zadaná IP adresa ve správném formátu, program vytvoří TCPIP ob-

jekt, díky kterému komunikuje s interferometrem. Při navazování spojení se dočasně

zobrazí oznamovací okno (obrázek 3.30).

Obr. 3.30: Okno s nápovědou o správném zadání IP adresy

Pokud interferometr na dotaz odpoví, ale nepošle v odpovědi požadované znaky,

že je připojen, zobrazí se chybová hláška (obrázek 3.31), která informuje uživatele

o tom, že interferometr dotazovací řetězec sice přijal (tedy že TCP/IP spojení fun-

guje), ale že zpět neodeslal požadovaný řetězec.

Obr. 3.31: Chybová hláška o nepřipojení interferometru, který však dotazovací ře-

tězec přijal

Pokud se nepodaří interferometr připojit, zobrazí se chybová hláška (obrázek

3.32).

Obr. 3.32: Okno chybové hlášky o nepřipojení interferometru

Pokud vše proběhne v pořádku, zobrazí se oznamující hláška o úspěšném připo-

jení interferometru (viz. obr. 3.33) a zobrazí se dosud skryté panely uživatelského

rozhraní.

51


Obr. 3.33: Okno s oznámením o úspěšném navázání spojení

Při každé komunikaci s interferometrem jsou získány i údaje o síle laserového sig-

nálu a vlnové délce (Lambda). Tyto hodnoty jsou poté zobrazovány v uživatelském

rozhraní (viz. obr. 3.34).

Obr. 3.34: Okno ovládacího panelu interferometru po navázání spojení

52


Pokud síla signálu klesne pod 30%, zobrazí se varovná hláška (obrázek 3.35).

Obr. 3.35: Varovná hláška o nízké síle signálu

Laserový interferometr Renishaw ML10 nedisponuje jednotkou pro automatic-

kou korekci vlnové délky. Proto se mu před každým měřením musí zaslat aktuální

atmosférické hodnoty (teplota, tlak a vlhkost vzduchu). K tomuto účelu slouží pa-

nel s názvem „Nastavení aktuálních atmosférických hodnot“. Uživatel musí vyplnit

všechna tři políčka a stisknout tlačítko „Odeslat do Interferometru“. Pokud uživatel

nevyplní všechna tři pole nebo zadá některou z hodnot v jiném řádu, než se očekává,

zobrazí se příslušná varovná zpráva. Pokud jsou zadané hodnoty v pořádku, odešlou

se do interferometru, který by měl pomocí zadaných hodnot upravit vlnovou délku.

Pokud se vlnová délka Lambda změnila či nikoli, zobrazí se příslušná hláška (viz.

obr. 3.36).

Obr. 3.36: Okno se zprávou o úspěšném změně atmosférických hodnot

Ve spodním panelu s názvem „Laserové měření“ se po stisku tlačítka „Získat

délku“ interferometru odešle pokyn pro změření délky pomocí funkce Interfero_delka.m.

Tato délka (v metrech) se poté zobrazí do tabulky (viz. obr. 3.37). Hodnoty v ta-

bulce lze označit a zkopírovat. Kliknutím na tlačítko „Vyčistit tabulku“ se provede

vymazání hodnot z tabulky.

53


Obr. 3.37: Okno ovládacího panelu interferometru se zobrazenými měřenými délkami

3.5.1 Funkce Interfero_delka.m

Funkce Interfero_delka.m slouží pro získání délky z laserového interferometru,

který s PC komunikuje po lokální síti skrze TCP/IP tunel. Funkci se na vstupu

zadává pouze IP adresa PC, ke kterému je interferometr připojen přes sériový port

a na kterém je spuštěn program TCP/IP tunel. Funkce vytvoří spojení pomocí

TCPIP objektu vytvořeného pomocí funkce tcpip. Interferometru odesílá pokyn

pro odečtení délky a zaslání její hodnoty zpět. Funkce odečte délku celkem 10 x

a posledních pět hodnot zprůměruje. Výsledný aritmetický průměr vrací na výstup.

3.6 Mikroskop

Představováno soubory Mikroskop.fig a Mikroskop.m.

Okno mikroskopu se otevře po kliknutí na tlačítko „Mikroskop“ umístěné na hlavním

ovládacím panelu. Při spuštění program pomocí funkce imaqhwinfo(’winvideo’)

vyhledá dostupná zobrazovací zařízení a seznam jejich podporovaných obrazových

formátů. Tyto údaje poté použije pro naplnění rozbalovacích nabídek (viz. obrázky

54


3.38 a 3.39). Pokud není žádné zařízení dostupné, zobrazí se chybová hláška se

zprávou: „Nebylo nalezeno žádné záznamové zařízení!“

Obr. 3.38: Rozbalovací nabídka dostupných zobrazovacích zařízení

Obr. 3.39: Rozbalovací nabídka dostupných formátů obrazu daného zařízení

Po výběru požadovaného zařízení a obrazového formátu je možné výsledek na-

stavení zhodnotit stisknutím tlačítka „Spustit náhled videa“. Při zaškrtnutí volby

„Otevřít tabulku s nastavením obrazu při spuštění náhledu videa“ se spolu s náhle-

dem videa pomocí funkce preview(obj) zobrazí i video source object (viz. obrázky

3.40 a 3.41). Náhled videa je užitečný při zaostřování mikroskopu.

55


Obr. 3.40: Okno uživatelského rozhraní mikroskopu

Obr. 3.41: Okno náhledu videa s tabulkou obsahující parametry video source objektu

Po stisknutí na tlačítka „Urovnání mikroskopu s detekcí linií“ se spustí funkce

realVideo_linematch.m.

3.6.1 Funkce realVideo_linematch.m

Funkce realVideo_linematch.m slouží jako kontrola správného urovnání mikro-

skopu před kalibrací.

56


Funkci se na vstupu zadávají tři údaje:

1: Identifikační číslo zobrazovacího zařízení DeviceID (dle volby v okně Mikro-

skop)2: Formát obrazu (dle volby v okně Mikroskop)3: Počet snímků za vteřinu, které se budou zobrazovat (rychlost videa)

Tyto údaje použije pro vytvoření video input objektu pomocí příkazu obj =

videoinput(’winvideo’, DeviceID, Format).

Hodnotu počtu snímků za vteřinu využije při vytvoření časovače pomocí funkce

timer. Pomocí funkce trigger spouští získávání snímků z videa. Díky využití časo-

vače získává pouze daný počet snímků za vteřinu, což zajistí větší časový prostor pro

zpracování jednotlivých snímků. Každý snímek prochází zpracováním. Nejdříve sní-

mek vstupuje do funkce DetekceLinii.m a následně jsou detekované linie a tangenta

jejich stočení zobrazeny do snímku pomocí funkcí insertShape a insertText (viz.

obr. 3.42).

Obr. 3.42: Okno zobrazující živé video s detekovanými liniemi a středy dílků

Tato funkce uživateli poskytuje zpětnou vazbu při urovnávání mikroskopu. Mi-

kroskop by měl být urovnán do takové polohy, aby byly detekované linie pokud

možno rovnoběžné s delší stranou snímku a aby byla ostrost po celé ploše snímku

konstantní, tedy aby byla plocha snímku rovnoběžná s plochou čárového kódu latě.

57


Pokud je detekovaná linie stočená o více než 20′′ , zobrazí se na videu červenou bar-

vou. Uživatel by se měl tedy snažit, aby byly všechny zobrazené linie zelenou barvou

a zobrazovaná tangenta stočení linií se blížila k nule.

3.6.2 Funkce DetekceLinii.m

Funkce DetekceLinii.m slouží k detekci linií ve snímku pomocí funkcí popsaných

v sekci 3.1.4 Image Processing Toolbox.

Funkci se na vstupu zadává pět údajů:

1: Vstupní obrázek (v podobě matice)2: Počet vrcholů (peaks), které má detekovat funkce houghpeaks

3: Hodnota citlivosti, která slouží jako konstanta upravující hodnotu přechodu

(funkce graytrash) používanou ve funkci houghpeaks

4: Hodnota argumentu ’FillGap’ ve funkci houghlines

5: Hodnota argumentu ’MinLength’ ve funkci houghlines

Na výstup jdou takové detekované linie, které jsou stočené vůči delší straně

snímku o méně než 1∘ a protínají svislý střed snímku. Mezi dvěma sousedními liniemi

jsou vypočteny středy. Pro každý střed je poté vyhodnocováno, zda-li se nachází na

černém pozadí. Průměrná hodnota všech pixelů na stejné řádce musí být menší než

hodnota přechodu (funkce graytresh).

Na výstupu z funkce DetekceLinii.m jsou celkem čtyři proměnné:

XY - matice o rozměrech „počet linií“ × 4 obsahující na každém řádku pixelové

souřadnice počátku a konce detekované linie (úsečky) v následujícím pořadí:

[𝑥1 𝑦1 𝑥2 𝑦2]

COEFF - matice o rozměrech „počet linií“ × 2 obsahující na každém řádku koeficienty

(𝑎0 𝑎1) detekované linie/přímky

Y_APROX - matice o rozměrech „počet linií“ × 2 obsahující na každém řádku Y-ové

pixelové souřadnice linie, v kterých linie protíná okraje snímku: [𝑦𝑝𝑟𝑜 𝑥=1 𝑦𝑝𝑟𝑜 𝑥=𝑚𝑎𝑥]

Stredy_dilku - vektor obsahující souřadnice středů černých dílků v obraze

58


3.7 Tabulka kalibrovaného úseku

Představováno souborem dilky_late.m.

Po kliknutí na tlačítko „Vytvořit novou tabulku kalibračních rozestupů pro lať

Leica“ umístěné na hlavním ovládacím panelu se zobrazí dialog pro zadání hod-

not rozsahu kalibrace (viz. obr .3.43).

Obr. 3.43: Okno sloužící k zadání požadovaného úseku kalibrace

Po zadání hodnot a kliknutí na tlačítko „OK“ se provede výpočet.

Výsledek výpočtu se zobrazí v dialogovém okně (viz. obr .3.44).

Obr. 3.44: Okno s výslednými parametry vygenerované tabulky rozestupů kalibrace

Uživatel má možnost se rozhodnout, zda-li chce výsledek uložit, či nikoli. Pokud

zvolí možnost „Ne“, zobrazí se zpráva na obrázku 3.46 a výpočetní skript se ukončí.

59


Pokud zvolí možnost „Ano“, zobrazí se okno (obr. 3.45) průzkumníka Windows pro

zvolení adresáře a názvu souboru s výslednou tabulkou.

Obr. 3.45: Okno průzkumníka Windows pro uložení souboru s tabulkou rozestupů

Obr. 3.46: Okno varovné hlášky, že vygenerovaná tabulka nebyla uložena

Pokud uživatel toto okno zavře, nebo klikne na „Storno“, zobrazí se okno se

zprávou na obrázku 3.46. Pokud uživatel tabulku uloží, zobrazí se okno se zprávou:

„Tabulka kalibračních rozestupů byla uložena.“

Zdrojovou matici s pozicemi nejužších dílků na latích určených pro nivelační

přístroje Leica poskytl vedoucí práce.cb mm1 02 6,07503 10,12504 20,25005 24,30006 36,4500. .. .. .

156 2656,8000157 2660,8500158 2666,9250159 2670,9750160 2679,0750

60


První dílek v matici o souřadnici 0 mm je však až třetím nejužším dílkem od

počátku latě. Jeho vzdálenost od patky latě je asi 82 mm. Výsledná zpráva o výsledku

výpočtu (obr. 3.44) je opravena o tuto zkutečnost.

Výstupem je tedy textový soubor, který obsahuje vektor s rozestupy mezi jed-

notlivými kalibrovanými dílky na lati. Rozestupy jsou v milimetrech. Posledními

dvěma hodnotami v souboru jsou vzdálenosti prvního a posledního kalibrovaného

dílku.[frame=single]5.8725000e+01, 5.6700000e+01, 4.0500000e+01, 4.6575000e+01, 4.2525000e+01, 5.6700000e+01, 6.8850000e+01,7.0875000e+01, 5.0625000e+01, 4.4550000e+01, 8.3025000e+01, 5.2650000e+01, 4.0500000e+01, 7.4925000e+01,5.0625000e+01, 7.4925000e+01, 4.6575000e+01, 4.0500000e+01, 5.2650000e+01, 5.0625000e+01, 4.2525000e+01,6.8850000e+01, 9.5175000e+01, 4.6575000e+01, 5.0625000e+01, 4.0500000e+01, 4.0500000e+01, 4.0500000e+01,1.2352500e+02, 8.7075000e+01, 4.4550000e+01, 4.0500000e+01, 4.8600000e+01, 5.0625000e+01, 4.4200000e+02,2.3660000e+03

3.8 Kalibrace obrazu

Představováno souborem KalibraceObrazu.m.

Funkce KalibraceObrazu.m se spustí po kliknutí na tlačítko „Kalibrace obrazu“ umís-

těné na hlavním ovládacím panelu. Kalibrace obrazu probíhá dle následujících bodů:

1. Zobrazení okna průzkumníka Windows pro výběr složky sloužící k ukládání

výstupů.

2. Zobrazení okna s instruktáží (obrázek 3.47).

Obr. 3.47: Okno s instruktážní zprávou před kalibrací obrazu

3. Spuštění funkce realVideo_4linky.m (živý náhled videa a vyznačenými ob-

lastmi pro umístění kalibrovaného dílku v obraze (viz. obr. 3.48)).

4. Vytvoření video input objektu pomocí příkazu vid = videoinput(’winvideo’,

DeviceID, DeviceFormat), nastavení video objektu na získávání snímků v od-

stínech šedi a spuštění zařízení pomocí příkazu start(vid).

61


Obr. 3.48: Okno videa s vyznačenými oblastmi pro umístění dílku před kalibrací

5. Pořízení snímku pomocí funkce getsnapshot.

6. Detekce linií a určení středu kalibrovaného dílku v pořízeném snímku pomocí

funkce DetekceLinii.m (pokud nenalezen žádný střed dílku, zobrazení chybové

hlášky a ukončení kalibrace obrazu).

7. Vyhodnocení, zda-li se střed kalibrovaného dílku nachází v jedné z vyznačených

oblastí.

(a) Pokud ne, odstranění video input objektu (delete(vid)) a zobrazení

okna z obrázku 3.49.

Obr. 3.49: Okno s otázkou, zda-li opakovat či ukončit kalibraci obrazu

i. Pokud zvoleno „Zkusit znovu“, návrat k bodu č. 2.

ii. Pokud zvoleno „Ukončit“, kalibrace obrazu se ukončí.

62


(b) Pokud se střed kalibrovaného dílku nachází v jedné z vyznačených kraj-

ních oblastí, zobrazí se graf zobrazující pořízený snímek spolu s deteko-

vanými liniemi a středem dílku (viz. obr. 3.50). Graf a samotný pořízený

snímek se uloží do zvolené složky ve formátu PNG, resp. TIFF a dále se

pokračuje bodem č. 8.

Obr. 3.50: Graf zobrazující pořízený snímek s detekovanými liniemi a středem dílku

8. Výpočet limitní obrazové souřadnice (nachází se ve stejné vzdálenosti od pro-

tilehlého delšího okraje obrazu jako se nyní nachází střed dílku v obrazu),

sloužící pro vyhodnocení, zda-li už kalibrovaný dílek v obraze „přejel“ od jed-

noho okraje k druhému.

9. Vytvoření okna průběhu kalibrace obrazu s tlačítkem pro ukončení (viz. obr.

3.51).

Obr. 3.51: Okno průběhu kalibrace obrazu s tlačítkem pro ukončení

63


10. Změření délky pomocí funkce Interfero_delka.m a společně s obrazovou sou-

řadnicí středu dílku uložení do matice MIRY.

11. Vyhodnocení, zda-li se střed dílku v obraze dostal za limitní hodnotu (zda-li

se nachází v blízkosti opačného okraje, než u kterého se nacházel na začátku

kalibrace).

(a) Pokud ještě limit nepřekročil, pokračuje se bodem č. 12.

(b) Pokud už limit překročil, kalibrace je u konce a provede se závěrečný

proces, počínaje bodem č. 24.

12. Udělení pokynu motoru, pomocí funkce motor.m, aby s latí posunul o 0,1 mm.

13. Změření délky pomocí funkce Interfero_delka.m.

14. Pořízení snímku pomocí funkce getsnapshot a jeho uložení do zvolené složky

ve formátu TIFF.


funkce DetekceLinii.m (pokud není nenalezen žádný střed dílku, kalibrace ob-

razu pokračuje bodem č. 12).

16. Zobrazení grafu zobrazujícího pořízený snímek spolu s detekovanými liniemi

a středem dílku a jeho uložení ve formátu PNG.

17. Uložení délky (získané v bodě č. 13) a obrazové souřadnice středu dílku do

matice MIRY.

18. Výpočet počtu pixelů mezi současnou a předchozí pozicí středu dílku v obrazu

a uložení do proměnné rozdil_StredyDilkuPX.

19. Výpočet vzdálenosti mezi současnou a předchozí pozicí nivelační latě a uložení

do proměnné d_StredyDilku.

20. Výpočet průměrné obrazové souřadnice mezi současnou a předchozí pozicí

středu dílku v obrazu a její uložení do prvního sloupce matice MERITKA.

64


21. Výpočet průměrné velikosti jednoho pixelu z daného obrazového úseku d_StredyDilku

/ rozdil_StredyDilkuPX a uložení do druhého sloupce matice MERITKA.

22. Pokud matice MERITKA obsahuje alespoň dva řádky, vstupuje do vyrovnání

pomocí MNČ. Jejími hodnotami je proložen polynom 3. stupně. Je tak ur-

čena velikost každého pixelu z dosavadního kalibrovaného úseku obrazu. Do

výsledné matice MeritkoPX se do prvního sloupce ukládá souřadnice pixelů

a do druhého sloupce jejich velikost v mikrometrech.

23. Výpočet procentuálního vyjádření stavu průběhu kalibrace obrazu a aktuali-

zace okna průběhu kalibrace (viz. obr. 3.51). Kalibrace obrazu dále pokračuje

návratem k bodu č. 11.

24. Odstranění video objektu (delete(vid)) a zavření všech oken (grafu a okna

s průběhem kalibrace).

25. Uložení výsledné matice MeritkoPX do textového souboru. Tento soubor slouží

pro načtení této matice MeritkoPX při kalibraci latě (funkce KalibraceLate.m).

26. Zobrazení grafu (viz. obr. 3.52) s výsledkem kalibrace obrazu (hodnoty z ma-

tice MERITKA) s proloženým polynomem 3. stupně (hodnoty z matice MeritkoPX)

a jeho uložení do formátu PDF.

250 300 350 400 450 500 550 600 650 7005.5

5.55

5.6

5.65

5.7

5.75

5.8

5.85

5.9

5.95

6Velikost jednotlivých obrazových bodù

Obrazové body [pix]

Vel

ikos

t obr

azov

ého

bodu

[µm

]

Obr. 3.52: Graf zobrazující výsledek kalibrace obrazu

65


27. Uložení proměnných MIRY, rozdil_StredyDilkuPX, d_StredyDilku, MERITKA

a MeritkoPX do textového souboru Kalib_obr_promenne.txt (slouží ke kon-

trole).

28. Uložení všech textových výstupů, které MATLAB při kalibraci vypisoval, do

textového souboru log__kal_obr.txt (slouží ke kontrole, pokud se kalibrace

přeruší z důvodu nějaké chyby).

3.9 Kalibrace latě

Představováno souborem KalibraceLate.m.

Funkce KalibraceLate.m se spustí po kliknutí na tlačítko „Kalibrace latě“ umístěné

na hlavním ovládacím panelu. Kalibrace latě probíhá dle následujících bodů:

1. Zobrazení okna průzkumníka Windows pro výběr souboru s tabulkou roze-

stupů kalibrace (vygenerována pomocí funkce dilky_late.m) a následné načtení

dat do proměnné TAB_rozestupu.

2. Zobrazení okna průzkumníka Windows pro výběr souboru kalibrace obrazu,

který obsahuje velikosti jednotlivých pixelů a následné načtení dat do pro-

měnné MeritkoPX.

3. Zobrazení okna průzkumníka Windows pro výběr složky sloužící k ukládání

výstupů.

4. Zobrazení okna s instruktáží (obrázek 3.53).

Obr. 3.53: Okno s instruktážní zprávou

5. Spuštění funkce realVideo_2linky.m (živý náhled videa s vyznačenou oblastí

pro umístění kalibrovaného dílku v obraze). Uživatel najede pomocí ovládacího

66


panelu motoru s kalibrovaným dílkem přibližně na střed obrazu (viz. obr. 3.54)

a okno ovládacího panelu motoru a okno videa zavře.

Obr. 3.54: Kalibrovaný dílek posunut do vyznačené oblasti pomocí motoru

6. Vytvoření video input objektu pomocí příkazu vid = videoinput(’winvideo’,

DeviceID, DeviceFormat), nastavení video objektu na získávání snímků v od-

stínech šedi a spuštění zařízení pomocí příkazu start(vid).

7. Pořízení snímku pomocí funkce getsnapshot.


funkce DetekceLinii.m (pokud nenalezen žádný střed dílku, zobrazení chybové

hlášky a ukončení kalibrace obrazu).

9. Vyhodnocení, zda-li se střed kalibrovaného dílku nachází ve vyznačené oblasti

(v úseku kalibrace obrazu).

(a) Pokud ne, odstranění video input objektu (delete(vid)) a zobrazení

okna z obrázku 3.55.

i. Pokud zvoleno „Zkusit znovu“, návrat k bodu č. 4.

ii. Pokud zvoleno „Ukončit“, kalibrace latě se ukončí.

67


Obr. 3.55: Okno s otázkou, zda-li opakovat či ukončit kalibraci obrazu

(b) Pokud se střed kalibrovaného dílku nachází ve vyznačené oblasti, pokra-

čuje se bodem č. 10.

10. Výpočet opravy, neboli vzdálenosti středu dílku od středu obrazu, za pomoci

matice MeritkoPX z kalibrace obrazu a její uložení do prvního sloupce matice

MIRY.

11. Zobrazení okna, dotazujícího se na umístění patky latě (viz. obr. 3.56). Tato

informace slouží ke zjištění směru posunu latě, k určení znaménka měřených

délek interferometrem a k určení znaménka délek opravujících rozestupy mezi

kalibrovanými dílky (tzv. opravy motoru).

Obr. 3.56: Okno s otázkou o pozici latě

(a) Pokud se patka latě nachází dál od zdi, lať se bude posouvat směrem od

zdi, délky měřené interferometrem se budou násobit číslem 1 a opravy

motoru číslem -1.

(b) Pokud se patka latě nachází blíže ke zdi, lať se bude posouvat směrem ke

zdi, délky měřené interferometrem se budou násobit číslem -1 a opravy

motoru číslem 1.

12. Zobrazení dotazovacího okna, zda-li se jedná o tzv. zpětnou kalibraci (viz. obr.

3.57).

68


Obr. 3.57: Okno dotazující se, jedná-li se o tzv. zpětnou kalibraci

(a) Pokud se nejedná o zpětnou kalibraci, nic se nemění.

(b) Pokud se jedná o zpětnou kalibraci, tabulka rozestupů kalibrace se pře-

vrátí pomocí funkce TAB_rozestupu = flipud(TAB_rozestupu) a změní

se směr posunu latě a znaménko oprav motoru.

13. Zobrazení okna s grafem zobrazující pořízený snímek spolu s detekovanými

liniemi a středem dílku (viz. obr. 3.58). Graf a samotný pořízený snímek se

uloží do zvolené složky ve formátu PNG, resp. TIFF.

Obr. 3.58: Okno zobrazující aktuálně vyhodnocený snímek

69


14. Vytvoření okna průběhu kalibrace obrazu s tlačítkem pro ukončení (viz. obr.

3.59). Pokud se kdykoliv stiskne tlačítko pro ukončení kalibrace, okamžitě se

přeskočí až na bod č. 34.

Obr. 3.59: Okno průběhu kalibrace latě s tlačítkem pro ukončení

15. Změření délky pomocí funkce Interfero_delka.m a její uložení se správným zna-

ménkem do druhého sloupce matice MIRY.

16. Výpočet opravené měřené délky (součet hodnot na stejném řádku v matici

MIRY) a uložení této hodnoty do vektoru Cteni.

17. Výpočet pozice kalibrovaného dílku na lati (od patky latě) v milimetrech (po-

stupným přičítání kalibračních rozestupů) a uložení do vektoru PoziceNaLati.

18. Výpočet rozdílu Cteni - PoziceNaLati a uložení do vektoru rozdil.

19. Uložení právě vypočtených hodnot (PoziceNaLati, Cteni, rozdil) do matice

VYSLEDKOVA.

20. Cyklus, který se opakuje tolikrát, kolik je rozestupů kalibrace (jaká je velikost

vektoru TAB_rozestupu).

21. Udělení pokynu motoru, pomocí funkce motor.m, aby s latí posunul o vzdá-

lenost z vektoru TAB_rozestupu opravenou o tzv. opravu motoru (hodnotu

opravy získané v bodě č. 10, resp. 26 s příslušným znaménkem). Motor tedy

s latí přejede do takové pozice, v které se střed kalibrovaného dílku nachází

velmi blízko středu obrazu (do 50 𝜇𝑚).

22. Opakované měření délky pomocí funkce Interfero_delka.m, dokud rozdíl dvou

po sobě měřených délek není menší než 0,1 mm, což značí, že se motor zastavil.

70


23. Pořízení snímku pomocí funkce getsnapshot a jeho uložení do zvolené složky

ve formátu TIFF.

24. Změření délky pomocí funkce Interfero_delka.m a její uložení se správným zna-

ménkem do druhého sloupce matice MIRY.


funkce DetekceLinii.m (pokud není nenalezen žádný střed dílku, zobrazí se chy-

bová hláška a kalibrace latě se ukončí).

26. Výpočet opravy, neboli vzdálenosti středu dílku od středu obrazu, za pomoci

matice MeritkoPX z kalibrace obrazu a její uložení do prvního sloupce matice

MIRY.

27. Zobrazení grafu zobrazujícího pořízený snímek spolu s detekovanými liniemi

a středem dílku a jeho uložení ve formátu PNG (viz. obr. 3.58).

28. Výpočet opravené měřené délky (součet hodnot na stejném řádku v matici

MIRY) a uložení této hodnoty do vektoru Cteni.

29. Výpočet pozice kalibrovaného dílku na lati (od patky latě) v milimetrech (po-

stupným přičítání kalibračních rozestupů) a uložení do vektoru PoziceNaLati.

30. Výpočet rozdílu Cteni - PoziceNaLati a uložení do vektoru rozdil.

31. Uložení právě vypočtených hodnot (PoziceNaLati, Cteni, rozdil) do matice

VYSLEDKOVA.

32. Aktualizace okna průběhu kalibrace (viz. obr. 3.59).

33. Pokud se nejednalo o poslední kalibrovaný dílek, pokračuje kalibrace latě ná-

vratem k bodu č. 16. Pokud se o však poslední kalibrovaný dílek jednalo,

kalibrace pokračuje následujícím bodem.

34. Odstranění video objektu (delete(vid)) a zavření všech oken (grafu a okna

s průběhem kalibrace).

71


35. Pokud se během kalibrace zpracovaly tři a více dílků, provede se statistické

zhodnocení vedoucí k určení měřítka kalibrovaného úseku latě.

(a) Výpočet normalizovaných rozdílů a jejich uložení do vektoru rozdil_D.

Jedná se o hodnoty z vektoru rozdil opravené o jejich průměrnou hod-

notu.

(b) Výpočet lineární regrese, kde PoziceNaLati je nezávislá a rozdil_D zá-

vislá proměnná. Výsledkem je údaj o měřítku kalibrovaného úseku latě:

𝑚 = 1 + 𝑎0, kde 𝑎0 je násobný koeficient regresní přímky.

(c) Výpočet oprav od vyrovnané hodnoty a jejich uložení do vektoru res.

36. Uložení vektorů rozdil_D a res do čtvrtého, resp. pátého sloupce matice

VYSLEDKOVA.

37. Uložení výsledků kalibrace a výsledné matice VYSLEDKOVA do textového sou-

boru vysledky_kalibrace.txt.

38. Zobrazení grafu (viz. obr. 3.60) normalizovaných rozdílů (𝑑𝑙𝑎𝑠𝑒𝑟 + 𝑜𝑝𝑟𝑎𝑣𝑎) −

𝑝𝑜𝑧𝑖𝑐𝑒 𝑛𝑎 𝑙𝑎𝑡𝑖 (PoziceNaLati na ose X a rozdil_D na ose Y) s proloženou

regresní přímkou a jeho uložení do formátu PDF.

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400−10

−5

0

5

10

15Výsledek kalibrace latì pomocí snímkování digitáním mikroskopem

Pozice na lati [mm]

Opr

avy

od p

rum

eru

[µm

]

Obr. 3.60: Graf zobrazující výsledek kalibrace latě

72


39. Uložení všech proměnných do souboru Kalib_late_vsechny_promene.mat (slouží

ke kontrole, v prostředí MATLAB se načítá pomocí příkazu:

load(Kalib_late_vsechny_promene.mat)).

40. Uložení všech textových výstupů, které MATLAB při kalibraci vypisoval, do

textového souboru log_„datum“.txt (slouží ke kontrole, pokud se kalibrace

přeruší z důvodu nějaké chyby).

3.10 Kompilace programu

Pro vytvoření samostatně spustitelného programu v prostředí Windows byla po-

užita aplikace MATLAB Compiler. Vytvořen byl instalační balíček KLPM_pkg.exe

o velikosti 413 MB, který vedle samotného programu KLPM nainstaluje i MATLAB

Runtime Library. Jedná se o knihovnu obsahující všechny MATLAB funkce potřebné

pro správný chod všech MATLAB aplikací. Program KLPM je tedy možné používat

i na počítačích, které nemají nainstalovaný MATLAB. V takovém případě se po spuš-

tění KLPM_pkg.exe (viz. obr. 3.61) automaticky spustí program MCRInstaller.exe,

což je samorozbalovací archiv (viz. obr. 3.62) obsahující instalátor MATLAB Run-

time Library. Samotný program se poté spouští pomocí KLPM.exe o velikosti 29 MB.

Obr. 3.61: Okno zobrazující průběh instalace balíčku KLMP_pkg.exe

Obr. 3.62: Samorozbalovací archiv MCRInstaller.exe, obsahující instalátor MRL

73

ČVUT v Praze 4. KALIBRACE LATĚ POMOCÍ DIGITÁLNÍHO MIKROSKOPU

4 Kalibrace latě pomocí digitálního mik-

roskopuKe kalibraci digitální nivelační latě Nedo Leica GPCL3, s.č. 29723 (délka 3 m) byl

využit nově vytvořený řídící software Kalibrace latě pomocí mikroskopu (KLPM).

Provedeny byly celkem dvě kalibrace latě, které měly prověřit správné fungování

programu KLPM. Nejdříve ve směru „TAM“ na úseku od 442 mm do 2366 mm

a poté ve směru „ZPĚT“ na úseku od 2366 mm do 442 mm. Na zvoleném úseku bylo

měřeno celkem na 35 pozicích. Před každou kalibrací latě byla provedena kalibrace

obrazu na počátečním kalibrovaném dílku úseku.

4.1 Příprava kalibrace

Před samotným měřením se musí provést několik nezbytných úkonů, aby byla

zajištěna požadovaná přesnost kalibrace.

4.1.1 Urovnání latě do vodorovné polohy

Nivelační lať byla na vozík připevněna patkou blíže ke zdi laboratoře. Lať byla

nejdříve urovnána pomocí rektifikované libely s přesností 0,2 mm/m a poté urov-

nána do vodorovné polohy pomocí nivelace. K nivelaci latě byl použit druhý digitální

nivelační přístroj Leica NA3003. Místo těžké nivelační latě byly použity dvě tenké

papírové stupnice s kódem, které byly připevněny lepící páskou k polystyrenu čtver-

cových rozměrů. Čtení byla provedena nad nosníky, které lať podpírají (viz. obr.

4.1). Měření se opakovalo, dokud nebyl rozdíl výšek mezi nosníky menší než 0,1 mm.

4.1.2 Připojení přístrojů k PC a navázání spojení

Před spuštěním programu KLPM byl k USB portu počítače připojen digitální

mikroskop a pomocí redukce ze sériového na USB port i krokový motor. Počítač byl

pomocí síťového kabelu připojen ke školní počítačové síti, aby mohl přes TCP/IP

74


Obr. 4.1: Proužky se stupnicemi na polystyrenu v pozici nad jedním z nosníků

tunel komunikovat s laserovým interferometrem. Ten se připojil opět pomocí re-

dukce ze sériového na USB port ke „starému“ notebooku, na kterém byl spuštěn

program pro komunikaci s přístrojem a program TCP tunel. Zadána byla IP adresa

147.32.131.11 a port 5001.

Po spuštění programu KLPM byla, prostřednictvím ovládacího panelu motoru,

navázána komunikace s krokovým motorem přes sériový port COM3. Poté prostřed-

nictvím ovládacího panelu interferometru byla navázána komunikace s laserovým

interferometrem pomocí zadané IP adresy 147.32.131.11. Síla signálu se pohybovala

okolo 50%.

4.1.3 Urovnání mikroskopu

Ze seznamu dostupných zařízení byl zvolen Celestron digital microscope a for-

mát obrazu byl ponechán standardní YUY2_1280x960. Poté se stisknutím tlačítka

„Urovnání mikroskopu“ spustil živý náhled videa, v kterém byly zakresleny dete-

kované linie spolu s údaji o jejich stočení. Obraz mikroskopu byl nejdříve nahrubo

zaostřen a poté byl mikroskop ručně urovnán. Všechny detekované linie v obrazu

byly zobrazeny zeleně, což značilo, že se od delší strany záběru nestáčí o více než

20′′ . Okno s videem pro urovnání mikroskopu se zavřelo a pomocí tlačítka „Spustit

náhled videa“ se spustil živý náhled videa, díky kterému se obraz mikroskopu ručně

doostřil.

75


4.1.4 Volba kalibrovaného úseku

Pro volbu kalibrovaného úseku byla použita funkce programu KLPM, ve které

byl zadán úsek 440 mm až 2400 mm s minimálním rozestupem kalibrovaných dílků

40 mm. Funkce vypočetla, že první kalibrovaný dílek bude ve vzdálenosti 442 mm

a poslední dílek ve vzdálenosti 2366 mm od patky latě. Minimální rozestup dvou sou-

sedních dílků bude 40,500 mm a maximální 123,525 mm. Rozestup větší jak 100 mm

bude v kalibrovaném úseku latě pouze jeden. Tabulka rozestupů kalibrace byla ulo-

žena do souboru 442az2366mm_40mm.txt.

4.2 Kalibrace obrazu na počátku kalibrovaného

úseku

Před spuštěním kalibrace obrazu byly interferometru odeslány aktuální atmosfé-

rické hodnoty (teplota 22,0∘C, tlak 99100 Pa a relativní vlhkost 52%). Pro kalibraci

obrazu byl použit první dílek zvoleného kalibrovaného úseku.

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

5.6

5.65

5.7

5.75

5.8

5.85

5.9

Velikost jednotlivých obrazových bodù


Vel

ikos

t obr

azov

ého

bodu

[µm

]

Obr. 4.2: Graf kalibrace obrazu na začátku kalibrovaného úseku (442 mm)

76


Měřeno bylo celkem na 30 pozicích. Na každé pozici se detekce linií zdařila. Vý-

počet byl tedy proveden na 29 úsecích. Kalibrovaný úsek snímku zahrnoval celkem

477 pixelů (od pixelu 239 do pixelu 716).

Velikosti jednotlivých pixelů blízko středu obrazu (480,5):pixel velikost [um]471 5.8087472 5.8089473 5.8091474 5.8094475 5.8096476 5.8098477 5.8101478 5.8103479 5.8106480 5.8108481 5.8110482 5.8113483 5.8115484 5.8118485 5.8120486 5.8123487 5.8125488 5.8127489 5.8130490 5.8132

Průměrná velikost pixelu blízko středu snímku je 5, 8110 𝜇𝑚.

4.3 Kalibrace latě ve směru „TAM“

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400−10

−5

0

5

10


Pozice na lati [mm]

Opr

avy

od p

rum

eru

[µm

]

Obr. 4.3: Graf průběhu kalibrace ve směru „TAM“

Čas začátku kalibrace: 26.05.2014 16:41:31Čas konce kalibrace: 26.05.2014 17:02:00Počáteční pozice [mm]: 442Koncová pozice [mm]: 2366

77


Počet observací: 35Měřítko: 0.99999152 (-8.48 ppm)Střední kvadratická chyba měřítka: 0.00000094 (0.94 ppm)Střední kvadratická chyba z~oprav [um]: 3.2Max oprava po vyrovnání [um]: 6.6Min oprava po vyrovnání [um]: -6.9

Pozice na Opravené čtení Rozdíl Opravy od průměrného Odchylky od regresnílati [mm] interfrometru [mm] [mm] rozdílu [um] přímky [um]------------------------------------------------------------------------------------------------------------442.000 -370.57633 -812.57633 8.04 -0.02500.725 -311.85363 -812.57863 10.34 2.78557.425 -255.15017 -812.57517 6.89 -0.20597.925 -214.65335 -812.57835 10.06 3.32644.500 -168.07854 -812.57854 10.25 3.91687.025 -125.55590 -812.58090 12.61 6.63743.725 -68.85100 -812.57600 7.71 2.21812.575 0.00543 -812.56957 1.28 -3.64883.450 70.87670 -812.57330 5.01 0.69934.075 121.50496 -812.57004 1.75 -2.14978.625 166.05655 -812.56845 0.16 -3.36

1061.650 249.08100 -812.56900 0.71 -2.101114.300 301.72920 -812.57080 2.51 0.151154.800 342.22928 -812.57072 2.43 0.411229.725 417.16096 -812.56404 -4.25 -5.631280.350 467.78763 -812.56237 -5.92 -6.871355.275 542.71130 -812.56370 -4.59 -4.911401.850 589.28228 -812.56772 -0.57 -0.491442.350 629.78335 -812.56665 -1.64 -1.221495.000 682.43104 -812.56896 0.67 1.541545.625 733.05926 -812.56574 -2.55 -1.261588.150 775.58485 -812.56515 -3.14 -1.491657.000 844.42798 -812.57202 3.73 5.971752.175 939.60987 -812.56513 -3.16 -0.121798.750 986.18713 -812.56287 -5.42 -1.981849.375 1036.81095 -812.56405 -4.24 -0.371889.875 1077.31519 -812.55981 -8.48 -4.261930.375 1117.80718 -812.56782 -0.47 4.091970.875 1158.31188 -812.56312 -5.17 -0.272094.400 1281.83545 -812.56455 -3.74 2.212181.475 1368.91249 -812.56251 -5.78 0.912226.025 1413.46634 -812.55866 -9.63 -2.572266.525 1453.95974 -812.56526 -3.03 4.382315.125 1502.56028 -812.56472 -3.57 4.252365.750 1553.19053 -812.55947 -8.82 -0.58

4.4 Kalibrace obrazu na konci kalibrovaného úseku

Před spuštěním kalibrace obrazu byly interferometru odeslány aktuální atmosfé-

rické hodnoty (teplota 21,8∘C, tlak 99000 Pa a relativní vlhkost 49%). Pro kalibraci

obrazu byl použit poslední dílek zvoleného kalibrovaného úseku.

Velikosti jednotlivých pixelů blízko středu obrazu (480,5):pixel velikost [um]471 5.8408472 5.8404473 5.8401474 5.8397475 5.8393476 5.8389477 5.8385478 5.8382479 5.8378480 5.8374481 5.8371482 5.8367483 5.8364484 5.8361485 5.8357486 5.8354487 5.8351488 5.8347489 5.8344490 5.8341

Průměrná velikost pixelu blízko středu snímku je 5, 8374 𝜇𝑚. Tato hodnota se

liší o 0, 0264 𝜇𝑚 oproti kalibraci obrazu na začátku úseku.

78


250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

5.6

5.8

6

6.2

6.4

6.6

Velikost jednotlivých obrazových bodù


Vel

ikos

t obr

azov

ého

bodu

[µm

]

Obr. 4.4: Graf kalibrace obrazu na konci kalibrovaného úseku (2366 mm)

Měřeno bylo celkem na 33 pozicích. Na pozicích 27, 30 a 32 se detekce linií

nezdařila z důvodu nerovnoměrného osvětlení pomocí LED diod mikroskopu. Černý

dílek odrážející světlo se na levé straně snímku zdá být jako bílý (viz. obr. 4.5).

Výpočet byl tedy proveden na 28 úsecích. Kalibrovaný úsek snímku zahrnoval celkem

514 pixelů (od pixelu 222 do pixelu 736).

Obr. 4.5: Snímek pořízený na pozici 32, u kterého nebyly detekovány linie

79


4.5 Kalibrace latě ve směru „ZPĚT“

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400−8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8


Pozice na lati [mm]

Opr

avy

od p

rum

eru

[µm

]

Obr. 4.6: Graf průběhu kalibrace ve směru „ZPĚT“

Čas začátku kalibrace: 26.05.2014 17:45:49Čas konce kalibrace: 26.05.2014 18:06:16Počáteční pozice [mm]: 2366Koncová pozice [mm]: 442Počet observací: 35Měřítko: 1.00000521 (5.21 ppm)Střední kvadratická chyba měřítka: 0.00000088 (0.88 ppm)Střední kvadratická chyba z~oprav [um]: 3.0Max oprava po vyrovnání [um]: 6.6Min oprava po vyrovnání [um]: -4.9

Pozice na Opravené čtení Rozdíl Opravy od průměrného Odchylky od regresnílati [mm] interfrometru [mm] [mm] rozdílu [um] přímky [um]------------------------------------------------------------------------------------------------------------2366.000 1553.16837 -812.83163 0.72 -4.352315.375 1502.54289 -812.83211 1.20 -3.602266.775 1453.93920 -812.83580 4.89 0.342226.275 1413.43938 -812.83562 4.71 0.382181.725 1368.88960 -812.83540 4.49 0.382094.650 1281.81357 -812.83643 5.52 1.861971.125 1158.29180 -812.83320 2.29 -0.721930.625 1117.79061 -812.83439 3.48 0.681890.125 1077.29030 -812.83470 3.79 1.201849.625 1036.78515 -812.83985 8.94 6.561799.000 986.16963 -812.83037 -0.54 -2.661752.425 939.58751 -812.83749 6.58 4.711657.250 844.41313 -812.83687 5.96 4.581588.400 775.56770 -812.83230 1.39 0.371545.875 733.03895 -812.83605 5.14 4.341495.250 682.42032 -812.82968 -1.23 -1.761442.600 629.77120 -812.82880 -2.12 -2.371402.100 589.26638 -812.83362 2.71 2.661355.525 542.69301 -812.83199 1.08 1.281280.600 467.77458 -812.82542 -5.49 -4.901229.975 417.14925 -812.82575 -5.16 -4.321155.050 342.22243 -812.82757 -3.34 -2.101114.550 301.72115 -812.82885 -2.06 -0.611061.900 249.07156 -812.82844 -2.47 -0.74978.875 166.05061 -812.82439 -6.52 -4.37934.325 121.49946 -812.82554 -5.37 -2.98883.700 70.87544 -812.82456 -6.35 -3.70812.825 -0.00195 -812.82695 -3.96 -0.94743.975 -68.85627 -812.83127 0.36 3.74687.275 -125.55156 -812.82656 -4.35 -0.68644.750 -168.07657 -812.82657 -4.34 -0.45598.175 -214.65752 -812.83252 1.61 5.75557.675 -255.15349 -812.82849 -2.42 1.93500.975 -311.85156 -812.82656 -4.35 0.29442.250 -370.57615 -812.82615 -4.76 0.19

80


4.6 Zhodnocení kalibrací

Odlišná znaménka výsledných měřítek (-8,48 a +5,21 ppm) nejsou výsledkem

chybného výpočtu. Při sečtení měřených kalibrovaných úseků latě („JEST“) a po-

rovnání s danou délkou úseku „MÁ BÝTI“, se potvrdila správnost výpočtu, viz.

následující tabulka:

Tab. 4.1: Porovnání délky kalibrovaných úseků se změřenou hodnotou

Směr kalib. „MÁ BÝTI“ [mm] „JEST“ [mm] rozdíl [um] poměr„TAM“ 1923,750 1923,76687 -16,87 0,99999123 (-8,77 ppm)„ZPĚT“ 1923,750 1923,74452 +5,48 1,00000285 (+2,85 ppm)

Normalizované rozdíly z obou kalibrací byly vyneseny do grafu a byla provedena

lineární regrese (viz. obr. 4.7).

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400−10

−5

0

5

10

15

Graf normalizovaných rozdílu "(dlaser

+ oprava) − pozice na lati"

Pozice na lati [mm]

Opr

avy

od p

rum

eru

[µm

]

Kalibrace TAM

Kalibrace ZPET

Regresní prímka

Obr. 4.7: Graf porovnávající průběhy kalibrací ve směru „TAM a ZPĚT“

Počet observací: 70Měřítko: 0.99999836 (-1.64 ppm)Střední kvadratická chyba měřítka: 0.00000104 (1.04 ppm)Střední kvadratická chyba z~oprav [um]: 5.0Max oprava po vyrovnání [um]: 11.5Min oprava po vyrovnání [um]: -8.3

81


Vliv na přesnost mají zejména následující jevy:

1. Chyba určení délky laserovým interferometrem lineárně vzrůstající s velikostí

měřené délky (± 0, 7 ppm) [1].

2. Chyba z nekompenzování vlnové délky laserového interferometru z měnících

se atmosférických podmínek v laboratoři (+0,96 ppm /∘C, -0,27 ppm / mbar,

+0,0084 ppm / % Rel. vlhkosti) [1].

3. Přesnost určení středu kalibrovaného dílku v obraze. Linie jsou v obraze dete-

kovány s přesností na celé pixely. Střed dílku je jejich průměrem, tedy je určen

s přesností poloviny velikosti pixelu, která činila asi 5, 8 𝜇𝑚.

4. Chyba z měnící se vzdálenosti čárového kódu latě od objektivu mikroskopu

max. 0, 5𝜇𝑚 na každé pozici. Rozdíl v určení velikosti pixelu na začátku úseku

a na jeho konci činil 0, 026 𝜇𝑚, což při najetí se středem dílku na střed obrazu

do ±10 pixelů, způsobí chybu v určení opravy asi 0, 3 𝜇𝑚.

Při kalibraci ve směru „TAM“ se lať pohybovala směrem ke zdi, díky čemuž

klesala měřená délka pomocí interferometru. Lineárně však klesala i chyba měřené

délky (bod č. 1). Naopak s měnícími se atmosférickými podmínkami mírně vzrůstala

chyba určení vlnové délky (bod č. 2). Dále mírně vzrůstala i chyba z určení opravy

(bod č. 4). Vzniklé chyby tedy během měření mohly „jít“ proti sobě a nepatrně se

navzájem vyrušovat.

Naopak při kalibraci ve směru „ZPĚT“ se lať pohybovala směrem od zdi, díky

čemuž vzrůstala měřená délka pomocí interferometru. Všechny chyby tedy v průběhu

kalibrace vzrůstaly.

4.7 Porovnání se systémovou kalibrací

Pro stejnou nivelační lať byly pomocí řídícího softwaru DLSC provedeny systé-

mové kalibrace s trojicí nivelačních přístrojů Leica. Systémové kalibrace byly pro-

vedeny na úsecích latě od 500 mm do 2500 mm a od 510 mm do 2510 mm s krokem

20 mm.

82


Tab. 4.2: Výsledná měřítka systémových kalibrací stejné latě s přístroji Leica

Nivelační přístroj DNA03 (sč. 723289) NA3003 (sč. 93206) NA3003 (sč. 93346)500 - 2500 mm -1,01 -10,33 -4,71500 - 2500 mm -3,76 -10,46 -4,62500 - 2500 mm -0,80 -9,32 -4,08průměr [ppm] -1,86 -10,04 -4,47510 - 2510 mm -1,66 -3,07 -2,32510 - 2510 mm -11,05 -10,09 -4,44510 - 2510 mm 2,91 -10,02 1,71průměr [ppm] -3,27 -7,73 -1,68

Výsledky systémové kalibrace sice nelze přímo porovnávat s výsledky kalibrace

latě pomocí digitálního mikroskopu, neboť do výsledku promlouvá přesnost nive-

lačního přístroje a přesnost urovnání skloněného zrcadla, ale i přesto lze porovnat

rozptyl výsledných měřítek. Srovnáním s výsledky systémové kalibrace bylo ověřeno

správné fungování programu KLPM. Výsledná měřítka latě -8,48 ppm a +5,21 ppm

řádově odpovídají výsledkům systémové kalibrace.

83

ČVUT v Praze ZÁVĚR

ZávěrKvůli potřebě kalibrovat digitální nivelační latě jako samostatný celek bylo roz-

hodnuto o použití sekvence digitálních snímků čárového kódu latě pomocí digitál-

ního USB mikroskopu Celestron spolu s laserovým interferometrem Renishaw ML10

jako délkovým etalonem. Pro tento účel byl vyvinut řídící software KLPM zalo-

žený na výpočetní platformě MATLAB. Tento software umožňuje uživateli navázat

spojení s přístroji používanými při kalibraci latě. Software obsahuje jednoduchou

nápovědu, která uživateli poskytne informace o postupu práce s programem. Uži-

vatelské rozhraní programu umožňuje pohodlně spouštět jednotlivé aplikace sloužící

pro komunikaci s přístroji. Jedná se o krokový motor (posun latě), laserový interfe-

rometr (měření délek) a digitální mikroskop (snímkování latě). Dále program umož-

ňuje, na základě zadaných hodnot počátku a konce kalibrace, vygenerovat tabulku

s rozestupy mezi kalibrovanými dílky. Součástí programu je aplikace pro kalibraci

obrazu, díky které se zjišťují velikosti jednotlivých pixelů ve snímcích z digitálního

mikroskopu. Po navázání spojení s přístroji, vygenerování tabulky s rozestupy mezi

kalibrovanými dílky a provedení kalibrace obrazu je možné spustit samotnou kalib-

raci latě. Program určuje pozici středu kalibrovaného dílku v obraze pomocí detekce

linií. V každém snímku se pomocí výpočetních funkcí vyhledají liniové přechody

mezi černými dílky a světlými mezerami na lati. Díky informaci o velikosti jednot-

livých pixelů v obraze lze určit vzdálenost středu černého dílku v obrazu od středu

snímku. Laserový interferometr určuje pozice středu obrazu. Sečtením těchto dvou

hodnot se získá skutečná pozice středu dílku na lati („JEST“). Porovnáním s teo-

retickou pozicí dílku („MÁ BÝTI“) se získá rozdíl („MÁ BÝTI - JEST“) v každý

kalibrovaný dílek na lati. Vynesením normalizovaných rozdílů (rozdílů „MÁ BÝTI

- JEST“ opravených o průměrnou hodnotu) do grafu a proložením těchto hodnot

regresní přímkou se získá měřítko kalibrovaného úseku latě.

Pomocí řídícího softwaru KLPM byly provedeny dvě kalibrace digitální nivelační

latě Nedo Leica GPCL3, s.č. 29723 (délka 3 m) na úseku 446 mm až 2366 mm s mi-

nimálním rozestupem kalibrovaných dílků 40 mm. Provedena byla jedna kalibrace

ve směru „TAM“ (od 446 mm do 2366 mm) a jedna ve směru „ZPĚT“ (od 2366 mm

84

ČVUT v Praze ZÁVĚR

do 446 mm). Výsledné měřítko kalibrovaného úseku bylo 0,99999152 (-8,48 ppm),

resp. 1,00000521 (5,21 ppm). Před každou kalibrací latě byla provedena kalibrace

obrazu na prvním dílku úseku. Rozdíl průměrné velikosti pixelu na středu obrazu

činil 0, 0264 𝜇𝑚. Srovnáním s výsledky systémové kalibrace bylo ověřeno správné

fungování programu KLPM. Výsledná měřítka latě -8,48 ppm a +5,21 ppm řádově

odpovídají výsledkům systémové kalibrace.

Řídící software byl zkompilován do samostatně spustitelného programu určeného

pro 64-bitové operační systémy Windows.

85

ČVUT v Praze POUŽITÉ ZDROJE

Použité zdroje[1] Laser measurement system - system architecture. [online].

Dostupné z: <http://www.arc-bg.com/prod_file/81.pdf>.

[2] CELESTRON, LLC. Deluxe Handheld Digital Microscope.

[online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: <http://www.

celestron.com/browse-shop/microscopes/digital-microscopes/

deluxe-handheld-digital-microscope>.

[3] VYSKOČIL, Z. Kalibrace digitálních nivelačních přístrojů - systémová kalibrace

na horizontálním komparátoru, Disertační práce, ČVUT Praha, 2009.

[4] VLK, V. Zjišťování systémových vlivů na výsledek kalibrace latě, Bakalářská

práce, ČVUT Praha, 2012.

[5] THE MATHWORKS, Inc. MATLAB: Primer 2014a. [online]. [cit. 2014-

05-05]. Dostupné z: <http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/

getstart.pdf>.

[6] THE MATHWORKS, Inc. Image Acquisition Toolbox: User’s Guide. 2014a. [on-

line]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: <http://www.mathworks.com/help/pdf_

doc/imaq/imaq_ug.pdf>.

[7] THE MATHWORKS, Inc. Computer Vision System Toolbox: User’s Guide.

2014a. [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: <http://www.mathworks.cn/

help/pdf_doc/vision/vision_ug.pdf>.

[8] THE MATHWORKS, Inc. Image Processing Toolbox: User’s Guide. 2014a.

[online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: <http://www.mathworks.co.uk/help/

pdf_doc/images/images_tb.pdf>.

[9] FISHER, R. Sobel Edge Detector. 2003. [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z:

<http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/HIPR2/sobel.htm>.

86

ČVUT v Praze POUŽITÉ ZDROJE

[10] THE MATHWORKS, Inc. Instrument Control Toolbox: User’s Guide. 2014a.

[online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: <http://www.mathworks.cn/help/

pdf_doc/instrument/instrument.pdf>.

[11] THE MATHWORKS, Inc. MATLAB: Creating Graphical User Interfaces.

2014a. [online]. [cit. 2014-05-05]. Dostupné z: <http://www.mathworks.com/

help/pdf_doc/matlab/buildgui.pdf>.

87

ČVUT v Praze SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK

Seznam symbolů, veličin a zkratekČVUT České vysoké učení technické

FSv Fakulta stavební

ČUZK Český úřad zeměměřický a katastrální

DLSC Digital level system calibration

KLPM Kalibrace latě pomocí mikroskopu

GUI Graphical User Interface

MRL MATLAB Runtime Library

88

Seznam obrázků1.1 Schéma fungování horizontálního komparátoru . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 Pohled od nivelačního přístroje směrem k zrcadlu . . . . . . . . . . . 10

1.3 Laserový interferometr Renishaw ML10 Gold Standart . . . . . . . . 10

1.4 Schéma uspořádání optiky laserového interferometru . . . . . . . . . . 11

1.5 Krokový motor, řídící jednotka, zdroj napětí a vypínač . . . . . . . . 12

1.6 Připevnění poháněné matice k vozíku . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7 Využití běžného tenkého zrcadla při nastavení skloněného zrcadla . . 13

1.8 Uživatelské prostředí programu DLSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.9 Osvětlení latě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.10 Objektiv mikroskopu s LED diodami . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.11 Digitální mikroskop Celestron II (zdroj [2]) . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.12 Uchycení mikroskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1 Schéma znázorňující snímkování latě . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2 Schéma znázorňující různé pozice latě při kalibraci . . . . . . . . . . . 20

2.3 Schéma zobrazující posun středu dílku při kalibraci obrazu . . . . . . 22

3.1 Ukázka obrázku s vloženými geometrickými tvary (zdroj: mathworks.com) 29

3.2 Počátek pixelového souřadnicového systému (zdroj: [7]) . . . . . . . . 30

3.3 Vizualizace matice obrazek obsahující snímek ve škále šedi . . . . . . 31

3.4 Počátek prostorového souřadnicového systému (zdroj: [7]) . . . . . . . 31

3.5 Vzorový snímek latě pořízený digitálním mikroskopem . . . . . . . . . 32

3.6 Histogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.7 Hodnoty pixelů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.8 Vzorový snímek převedený na binární snímek . . . . . . . . . . . . . . 34

3.9 Příklad principu konvolvace 3 x 3 masky s pixelem původního snímku

(zdroj: developer.apple.com) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.10 Rozsah gradientu Gmag (vlevo) a Směr gradientu, Gdir (vpravo) . . . 36

3.11 Výstupní binární obrázek z funkce na detekci hran edge . . . . . . . . 36

3.12 Grafické znázornění Houghovy transformace binárního snímku BW . . 37

3.13 Určení úhlu Theta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.14 Vzorový snímek I s vyznačenými liniemi nalezenými pomocí Hou-

ghovy transformace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.15 Prostředí pro návrh grafického uživatelského rozhraní - guide (zdroj:

[11]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.16 Kostra programu KLPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.17 Okno hlavního ovládacího panelu programu KLPM . . . . . . . . . . 45

3.18 Okno dotazující se o potvrzení o ukončení aplikace . . . . . . . . . . 45

3.19 Okno nápovědy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.20 Okno nápovědy po změně položky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.21 Okno chybové hlášky o nenalezení sériového portu . . . . . . . . . . . 46

3.22 Okno ovládacího panelu motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.23 Zpráva o úspěšném připojení motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.24 Chybová hláška připojení motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.25 Nápověda k připojení motoru, pokud se motor nepřipojil . . . . . . . 48

3.26 Upozornění na hranice zadávaných hodnot . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.27 Schéma zobrazující připojení přístrojů v laboratoři . . . . . . . . . . . 49

3.28 Okno ovládacího panelu interferometru před navázáním spojení . . . 50

3.29 Okno s nápovědou o správném zadání IP adresy . . . . . . . . . . . . 50

3.30 Okno s nápovědou o správném zadání IP adresy . . . . . . . . . . . . 51

3.31 Chybová hláška o nepřipojení interferometru, který však dotazovací

řetězec přijal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.32 Okno chybové hlášky o nepřipojení interferometru . . . . . . . . . . . 51

3.33 Okno s oznámením o úspěšném navázání spojení . . . . . . . . . . . . 52

3.34 Okno ovládacího panelu interferometru po navázání spojení . . . . . . 52

3.35 Varovná hláška o nízké síle signálu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.36 Okno se zprávou o úspěšném změně atmosférických hodnot . . . . . . 53

3.37 Okno ovládacího panelu interferometru se zobrazenými měřenými dél-

kami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.38 Rozbalovací nabídka dostupných zobrazovacích zařízení . . . . . . . . 55

3.39 Rozbalovací nabídka dostupných formátů obrazu daného zařízení . . . 55

3.40 Okno uživatelského rozhraní mikroskopu . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.41 Okno náhledu videa s tabulkou obsahující parametry video source

objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.42 Okno zobrazující živé video s detekovanými liniemi a středy dílků . . 57

3.43 Okno sloužící k zadání požadovaného úseku kalibrace . . . . . . . . . 59

3.44 Okno s výslednými parametry vygenerované tabulky rozestupů kalib-

race . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.45 Okno průzkumníka Windows pro uložení souboru s tabulkou rozestupů 60

3.46 Okno varovné hlášky, že vygenerovaná tabulka nebyla uložena . . . . 60

3.47 Okno s instruktážní zprávou před kalibrací obrazu . . . . . . . . . . . 61

3.48 Okno videa s vyznačenými oblastmi pro umístění dílku před kalibrací 62

3.49 Okno s otázkou, zda-li opakovat či ukončit kalibraci obrazu . . . . . . 62

3.50 Graf zobrazující pořízený snímek s detekovanými liniemi a středem

dílku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.51 Okno průběhu kalibrace obrazu s tlačítkem pro ukončení . . . . . . . 63

3.52 Graf zobrazující výsledek kalibrace obrazu . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.53 Okno s instruktážní zprávou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.54 Kalibrovaný dílek posunut do vyznačené oblasti pomocí motoru . . . 67

3.55 Okno s otázkou, zda-li opakovat či ukončit kalibraci obrazu . . . . . . 68

3.56 Okno s otázkou o pozici latě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.57 Okno dotazující se, jedná-li se o tzv. zpětnou kalibraci . . . . . . . . 69

3.58 Okno zobrazující aktuálně vyhodnocený snímek . . . . . . . . . . . . 69

3.59 Okno průběhu kalibrace latě s tlačítkem pro ukončení . . . . . . . . . 70

3.60 Graf zobrazující výsledek kalibrace latě . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.61 Okno zobrazující průběh instalace balíčku KLMP_pkg.exe . . . . . . 73

3.62 Samorozbalovací archiv MCRInstaller.exe, obsahující instalátor MRL 73

4.1 Proužky se stupnicemi na polystyrenu v pozici nad jedním z nosníků 75

4.2 Graf kalibrace obrazu na začátku kalibrovaného úseku (442 mm) . . . 76

4.3 Graf průběhu kalibrace ve směru „TAM“ . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.4 Graf kalibrace obrazu na konci kalibrovaného úseku (2366 mm) . . . . 79

4.5 Snímek pořízený na pozici 32, u kterého nebyly detekovány linie . . . 79

4.6 Graf průběhu kalibrace ve směru „ZPĚT“ . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.7 Graf porovnávající průběhy kalibrací ve směru „TAM a ZPĚT“ . . . 81

Seznam tabulek1.1 Vybraná technická data o Renishaw ML10 Gold Standart . . . . . . . 11

2.1 Ukázka hodnot získaných při kalibraci latě, kde Rozdíl = p - (d +

o) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1 Porovnání délky kalibrovaných úseků se změřenou hodnotou . . . . . 81

4.2 Výsledná měřítka systémových kalibrací stejné latě s přístroji Leica . 83

ČVUT v Praze SEZNAM PŘÍLOH

Seznam příloh

A Elektronická příloha 95

94

ČVUT v Praze A. ELEKTRONICKÁ PŘÍLOHA

A Elektronická přílohaCD se samostatně spustitelným programem, zdrojovými soubory (výpočetními

skripty atd.) a výstupy z provedených kalibrací.

95

Date post:	03-Mar-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	5 times
Download:	0 times

DIPLOMOVÁ PRÁCEgeo.fsv.cvut.cz/proj/dp/2014/vaclav-vlk-dp-2014.pdfIt is a stepper motor, a laser...

Documents