На правах рукописи
ИЛЬЮШЕНКОВ Леонид Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ ОБЪЕКТИВНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ НАКЛОНА
ГОДИЧНЫХ КОЛЕЦ НА ТОРЦАХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2007
Работа выполнена на кафедре технология деревообрабатывающих производств Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Черных Александр Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Чубинский Анатолий Николаевич кандидат технических наук, доцент Шейнов Анатолий Иванович
Ведущая организация: ЗАО «Братский деревообрабатывающий завод»
Защита диссертации состоится «6» ноября 2007 г. в 11 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.220.03 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.
Автореферат разослан «4» октября 2007 г.
Ученный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Анисимов Г.М.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Радиальные заготовки используются в производстве клееного щита и бруса для изготовления мебели и столярно-строительных изделий. К достоинствам таких заготовок следует отнести меньшее изменение формы готовых изделий при изменении температуры и относительной влажности окружающего воздуха, по сравнению с заготовками, у которых при их производстве направление годичных колец не учитывалось. Это важно для изделий, в производстве которых применяется склеивание. Существующий расчет поставов на выпиловку заготовок ведется из допущения, что сечение бревна представляет собой круг, очертания годичных колец представляет собой окружности, центры которых совпадают с центром бревна. На практике имеют места бревна, значительно отличающиеся от указанных допущений. Учет реального расположения годичных колец позволяет повысить эффективность использования сырья.
Цель диссертации. Увеличение выхода радиальных заготовок при раскрое пиломатериалов на основе объективного метода определения угла наклона годичных колец на торце пиломатериалов с помощью анализа цифровых изображений.
Объектом исследования являются пиломатериалы хвойных пород (сосна). Требования, применяемые к ним, сформулированы в ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия».
Предметом исследования является макроскопическое строение древесины сосны. Составление схем раскроя пиломатериалов по результатам анализа цифровых изображений очертания годичных слоев; исследование полезного выхода радиальных заготовок.
Гипотеза Наклон годичных колец на торце пиломатериалов можно достоверно определить с помощью анализа цифровых изображений.
Научная новизна работы.
1. Алгоритм определения и анализа наклона годичных колец на торце пиломатериала;
2. Способ получения радиальных заготовок на основе анализа цифровых изображений очертания годичных колец на торце.
Задачи исследования:
1. Разработка алгоритма принятия решения по выбору рациональной схемы раскроя пиломатериала в зависимости от свойств пиломатериала. Для построения алгоритма необходимо решить следующие задачи:
1.1 Определение рациональных параметров сканирования изображения.
1.2 Разработка алгоритма подготовки изображения сечения пиломатериала со сканера к анализу.
1.3 Разработка алгоритма математического описания сечения пиломатериала.
1.4 Разработка алгоритма измерения наклона годичных колец к пласти.
1.5 Разработка алгоритма принятия решения по раскрою пиломатериала.
2. Программная реализация принятых решений, компиляция технологической программы Radial.exe для операционной системы Windows XP ™.
3. Проверка адекватности принятых решений.
4. Проверка адекватности работы программы Radial.exe 5. Оценка объемного полезного выхода заготовок.
Достоверность результатов Опыты, подтверждающие теоретические выводы, проведены на реальных партиях пиломатериалов, отобранных случайным образом на двух деревообрабатывающих предприятиях г. С-Петербурга:
ЗАО «Технопарк ЛТА» и ЗАО «Центр деревянных конструкций» (Деревообрабатывающий завод №2). Применены статистические методы обработки опытных данных; получен положительный результат испытаний программы Radial.exe на Братском деревообрабатывающем заводе.
Значимость для теории и практики Для теории имеют значение:
алгоритм обработки цифровых изображений торцов пиломатериалов с целью определения угла наклона годичных колец к пласти;
алгоритм составления математической модели наклона годичных колец к пласти пиломатериала и ее анализ;
способ составления схем раскроя пиломатериала на радиальные заготовки.
Для практики имеет значение:
программа раскроя пиломатериалов на радиальные заготовки Radial.exe.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на следующих конференциях:
Конференция молодых ученных и аспирантов «Деревянное домостроение – безопасное доступное жилье» (г. Санкт-Петербург, 1 июня Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы конструирования и производства художественных изделий из древесины» (г. Архангельск, 28-30 июня 2006 г.);
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Организационно-методические вопросы деятельности научно-образовательного центра в области переработки и воспроизводства лесных ресурсов» (г. Воронеж, 13-15 сентября 2006 г.) Международная конференция «Первичная обработка древесины: лесопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспективы развития»
(г. Санкт-Петербург, 30-31 марта 2007 г.) Результаты работы реализованы в технологической программе Radial.exe, которая прошла успешные испытания на ЗАО «Братский деревообрабатывающий завод».
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 5 статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 разделов, выводов и рекомендаций, библиографического списка из 106 наименований (в том числе на иностранном языке 7) и приложений. Общий объем диссертации 172 с., из них приложений 29 с., 85 рисунков, 14 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулирована гипотеза, определены цели исследования, основные положения, выносимые на защиту.
Глава 1. Обзор научных трудов и существующих технологий получения заготовок В главе приводится анализ литературных источников по существующим процессам производства радиальных пиломатериалов, рассмотрены достоинства и недостатки каждого из способов. Этому вопросу уделили большое внимание многие ученые: Калитеевский Р. Е., Батин Н. А., Янушкевич А. А., Межов И. С., Осипова Л. К., и др. На основании приведенного анализа можно сделать вывод, что существующие технологии исходят из допущения, что сечение бревна представляет собой круг, а очертание годичного слоя окружность. В диссертации ставится вопрос о разработке способа производства радиальных заготовок непосредственно из пиломатериалов с учетом реального расположения годичных слоев на торце пиломатериалов. Это позволит увеличить выход радиальных заготовок и отказаться от ручной корректировки заранее рассчитанных поставов, так как на практике годичные слои, как правило, смещены от центра и имеют эллиптичность.
В разделе даны основные подходы к автоматизированному обнаружению пороков в древесине. Пороки определяются исходя из следующих принципов:
– по различию плотности здоровой древесины и древесины содержащей порок;
– по характеру отражения падающего луча света от здоровой древесины и древесины с пороком;
– по яркости и цвету зон изображений древесины, получаемых с видеокамер, здоровых и содержащих пороки.
На основе анализа состояния вопроса были сформулированы задачи исследований. Определять расположение годичных колец на торце решено при помощи анализа цифровых изображений.
Глава 2. Методические положения проведения исследований В главе 2 изложена методика постановки проведения исследований, даются технологические рекомендации по получению радиальных заготовок из пиломатериалов. В исследованиях принят поперечно-продольно-поперечный способ раскроя:
- поперечный раскрой. На этой операции вырезаются крупные дефекты пиломатериалов в основном сучки, получают двух-, трехкратные заготовки по длине, подготовка торцев к снятию цифрового изображения.
- сканирование очертания годичных слоев. На этой стадии следует подготовить схему продольного раскроя пиломатериалов для следующей стадии раскроя с учетом реального расположения годичных слоев.
Схема раскроя пиломатериала составляется следующим образом: после проведения сканирования строится математическую модель изменения угла наклона годичных колец к пласти пиломатериала - по его ширине. По ней плоскость торца пиломатериала делят на области где угол 45° и область где > 45° и соответствующим образом ориентируют пласти выпиливаемых заготовок (рис. 1).
Рис. 1 Схема получения заготовок столярного щита: 1 – выпиливаемая заготовка; 2 – пропил; 3 – направляющая линейка; 4 – стол; 5 – отходы - продольный раскрой. Раскрой осуществляется с учетом ориентации пластей, выпиливаемых заготовок, относительно направления годичных слоев (рис. 1). Горизонтальные пропилы осуществляются на следующем проходе.
- поперечный раскрой. На этой стадии заготовки торцуются в соответствии с требуемыми размерами и качеством.
Получаемые таким способом заготовки могут быть использованы в производстве столярного мебельного щита или в производстве клееного бруса для производства деревянных окон со стеклопакетами.
Для реализации разработанных алгоритмов, анализа экспериментальных данных выбран язык технических расчетов MATLAB 7.0.1™.
MATLAB 7.0.1™ - интерактивная система, в которой основным элементом данных является массив. Это позволяет решать различные задачи, связанные с техническими вычислениями, особенно в которых используются матрицы и вектора, в несколько раз быстрее, чем при написании программ с использованием «скалярных» языков программирования, таких как Си и Фортран. В исследовании придется работать с изображениями, которые хранятся в памяти компьютера в виде матриц и массивов.
Помимо системы MATLAB 7.0.1™ в исследовании используются следующие пакетные расширения:
1. Image Processing Toolbox 5.0.1 – дополнительный компонент для обработки изображений (анализ, фильтрация, двумерные преобразования, восстановление и т. п.).
2. Matlab Compiler 4.1 - компилятор m-файлов в коды С, С++.
3. Statiatic Toolbox 5.0.1 – набор методов вероятностного анализа и визуализации результатов статистических исследований.
Определение наклона годичных колец к пласти пиломатериала производится по бинарным черно-белым изображениям, которые получаются путем преобразования полноцветных изображений. Стадии обработки алгоритма и принятия решения по раскрою пиломатериала на радиальные заготовки по цифровому бинарному изображению:
выделение актуальной области изображения, занятого пиломатериалом;
математическое описание сечения пиломатериала. Принято следующие описание сечения пиломатериала: для обрезного пиломатериала пласти и кромки описываются четырьмя прямыми отрезками; для необрезного пиломатериала пласти описываются двумя прямыми отрезками, кромки двумя полиномами.
расстановка точек замеров;
измерение угла наклона годичных колец к пласти;
построение математического описания наклона годичных колец по ширине пиломатериала. Описание проводится полиномами второго порядка. В точке для углов наклона годичных колец 0° (180°) функция терпит разрыв, тогда описание проводится двумя полиномами (рис. 3);
Составление схемы раскроя пиломатериала (рис. 1).
Принятые теоретические решения по основным пунктам методики проверены опытным путем. В ходе проверки решались следующие вопросы:
1. Корректная настройка программы.
2. Стабильность работы алгоритма для пиломатериалов, имеющих различное макроскопическое строение (различный цвет ядра и заболони, ранней и поздней древесины, ширина годичного слоя и т. п.).
3. Правильность составления схем и математической модели для разных образцов древесины.
Для проверки правильности работы алгоритма исследования проводились на следующих пиломатериалах:
Влажность пиломатериала, % Глава 3. Теоретическое исследование цифровых изображений сечений пиломатериалов В третьей главе приведены результаты теоретического анализа цифровых изображений торца пиломатериала для составления схемы раскроя на радиальные заготовки.
Очищенное от шума индексированное изображение торца пиломатериала описывается матрице Aij, где индексы i и j указывают положения элемента изображения (пикселя) относительно осей Oy и Ox соответственно. Значение элемента матрицы Aij = 1, указывает на то, что пиксель черный, Aij = 2, что белый.
Используя матрицу Aij можно найти угол наклона годичных колец к пласти. Для этого следует выбрать точку, в которой необходимо произвести измерение. Для нее должно выполняться условие: элемент матрицы Aij = 1, т. е. быть черным, черные элементы должны быть также в некоторой окрестности вокруг этой точки (рис. 2). Предположим, что это точка С(х, у) в поздней зоне древесины, для которой требуется найти угол наклона годичных слоев к пласти.
Рис. 2 Схема определения угла наклона годичных колец В строке матрицы выделяется по 50 элементов слева и справа от выбранной точки С (отрезок АВ). Подсчитывается количество элементов равных 1. Затем отрезок АВ поворачивается на некоторый угол, так, чтобы начало отрезка А, оказалось в столбце Х-49. Угол поворота отрезка, находится по формуле Снова подсчитывается количество элементов равных 1, которые пересечет отрезок в новом положении. Затем отрезок AB поворачивается так чтобы вершина отрезка А оказалась в столбце Х-48 и подсчитывается количество элементов равных единице и т. д. пока отрезок AB не совершит полный оборот.
Угол наклона годичных колец определяется таким положением отрезка АВ при котором он пересек максимальное количество элементов матрицы А равных 1.
Для проверки правильности работы алгоритма проведено опытное сравнение предлагаемого метода с «ручным» методом измерения наклона годичных колец с помощью транспортира с ценой деления 1. Измерения наклона годичных колец к пласти проводилось по касательной к годичному слою в центре сечения пиломатериала. Было измерено 50 образцов.
Измерения показали, что разница между двумя способами не превышает 6, а среднеквадратическое отклонение составило 3,16. К источникам погрешности предлагаемого способа относится:
1. Дискретность вращения отрезка АВ. Длина отрезка АВ выбрана для сосны равной 20 мм. Эта длина 100 элементов матрицы (на рис. 2 для наглядности количество элементов уменьшено). Уменьшение длины отрезка снижает точность определения угла наклона годичных слоев. Большая длина отрезка приводит к тому, что отрезок захватывает соседние слои и повышение точности не происходит. Минимальное значение отрезка DE равно 1, длина отрезка CD принята 50, тогда шаг вращения отрезка составит Указанная величина является теоретической погрешностью предлагаемого способа.
2. У образцов древесины, имеющих большую ширину поздней зоны годичного слоя может быть несколько положений отрезка в которых он пересекает максимальное количество элементов матрица А, равных единице. В этом случае алгоритм выбирает первое положение, несмотря на то, что оно может нечетко совпадать с касательной годичного слоя.
К источникам погрешности «ручного» способа следует отнести:
1. Неточность построения касательной к годичным слоям, имеющим широкую или изогнутую зону поздней древесины.
2. Неточность построения измерительной базы по пласти, имеющей покоробленность.
В зоне поздней древесины в середине толщины пиломатериала расставляются точки замеров наклона годичных колец к пласти пиломатериала, и проводится измерение по описанному ранее алгоритму. По результатам измерений строится математическая модель, которая имеет вид, представленный в табл. Математическая модель наклона годичных колец по ширине обрезного x = m; y = n;
Математическая модель наклона годичных колец по ширине необрезного y = n;
В уравнениях приняты следующие обозначения: 1; 2 – значение углов наклона годичных колец, °; n – толщина пиломатериала, мм; m – ширина пиломатериала; m1; m2 – абсциссы, лежащие на боковых поверхностях сечения пиломатериала, в середине его толщины, мм. а1, а2, b1, b2, c1, c2 – эмпирические коэффициенты. Пример выбора точек замеров и графического представления математической модели показаны на рис. 3.
Рис. 3 Расстановка точек замеров наклона годичных колец по ширине пиломатериала и математическая модель наклона годичных колец по ширине пиломатериала (Размерность неподписанных осей в пикс.) После построения математической модели наклона годичных колец по ширине пиломатериала находится разница между измеренными значениями и значениями полиномов в соответствующих точках. Необычно высокая разница между значением полинома и результатом измерений проверяется на предмет грубых промахов измерений с помощью t-критерия Стьюдента. На рис. 3 показано четыре таких промаха. Ошибочные измерения исключаются из анализа, аппроксимация проводится заново. Полученные полиномы второго порядка показаны на рис. 3 как теоретические кривые. К основным причинам появления грубых измерений можно отнести: большую зашумленность изображений, местные искривления годичных колец, пороки небольшой площади: сучки, смоляные кармашки, трещины и т. п.
Глава 4. Экспериментальные исследования параметров цифровых изображений годичных слоев сосновых пиломатериала Четвертая глава посвящена определению основных параметров анализа наклона годичных колец по цифровому изображению торца пиломатериала. К этим параметрам относится:
размер скользящего окна фильтра адаптивной фильтрации Винера;
шаг расстановки точек замеров угла наклона годичных колец к пласти величина максимально-допустимого среднеквадратического отклонения отдельных измерений от теоретической кривой, выше значения которой можно утверждать, что построенная модель неадекватна;
время работы алгоритма по составлению схем раскроя досок на радиальные заготовки.
Параметром позволяющим настроить фильтр Винера является размер скользящего окна фильтра. При увеличении размера скользящего окна фильтра, сначала идет подавление шума, а затем происходит стирание самих годичных колец (рис. 4).
Рис. 4 Фрагмент изображения торца пиломатериала для различных размеров скользящего окна фильтра Винера – M и N.
Экспериментально подтверждено, что применение фильтра Винера со значением окна M = N = 3 снижает количество случаев, когда математическая модель наклона годичных колец по ширине пиломатериала строится неадекватно. Неадекватность заключается в сильно большом разбросе точек отдельных измерений от теоретической кривой из-за невозможности определения точки разрыва полиномов (рис. 3), который имеет место у тангентальных пиломатериалов при значении углов наклона годичных колец к торцу 0° (180°).
От шага расстановки точек замеров угла наклона годичных колец к пласти пиломатериала с одной стороны зависит время работы алгоритма, т. к. при уменьшении шага количество измерений увеличивается, с другой стороны при сильно большом шаге также невозможно найти точку разрыва полиномов при угле 0° (180°). Экспериментально установлено, что при шаге расстановки точек равным 15 пикс. (~2,5 мм) и менее такие случаи отсутствуют.
Максимально допустимое среднеквадратическое отклонение отдельных измерений от теоретической кривой определялось путем сопоставления среднеквадратических отклонений случаев построения адекватной и неадекватной математической модели наклона годичных колец к пласти. Неадекватные модели – модели, полученные для пиломатериалов с загрязненными торцами, торцами с пороками большой площади и модели, полученные с большим шагом расстановки точек замеров – рис. 5.
Рис. 5 Распределение случаев среднеквадратических отклонений отдельных измерений от теоретической кривой для адекватных (среднее значение Ma = 6,2°; выборочный стандарт Sa = 2,4°) и неадекватных математических моделей (среднее значение Mn = 40°; выборочный стандарт Si = 8,1°)) наклона годичных колец к пласти пиломатериала В результате обработки статистических данных получено: что если выводить окно с предупреждением для оператора о неадекватности собранных данных о раскраиваемом пиломатериале при среднеквадратическом отклонении отдельных измерений от теоретической кривой более 16 °, то вероятность вывода ошибочного сообщения составит не более 0,027.
«