Pokročilé metody získání, interpretace obrazových dat a jejich aplikace v průmyslové praxi

Habilitační práce se zabývá získáním a zpracováním obrazových dat, jejich interpretací, se zaměřením na strukturované povrchy, transparentní a lesklé materiály, dále aplikací navržených postupů a nástrojů v praxi s důrazem na uspořádání a konstrukci zařízení. Práce je připravena jako ucelená odborná publikace pro vydání ve formě monografie. Práce se skládá ze tří částí. V první části jsou uvedeny cíle a definice pojmů. Následně jsou zmíněny metody získání a interpretace obrazových dat. Text se odkazuje na připravená skripta: Úvod do problematiky strojového vidění. Dále je uveden obecný přehled možností získání obrazových dat se snahou zobecnit základní principy. Také jsou uvedeny některé nástroje pro interpretaci získaných obrazových dat, především s cílem získání 3D informace o sledovaném objektu a objektivního popisu strukturovaných dat. Tato část nepřináší nové vědecké poznatky. V druhé a třetí části jsou přiblíženy výstupy vědeckovýzkumné činnosti a aplikace znalostí a poznatků v praxi, formovaných a dlouhodobě řešených na Katedře sklářských strojů a robotiky. Výsledky vedou také ke konstrukčnímu řešení zařízení pro aplikaci v průmyslové praxi. Druhá část je zaměřena vědeckovýzkumně a je podpořena odbornými články, z nichž nejvýznamnější jsou uvedeny v příloze práce. Řešenou problematikou v této části je především objektivní kvantifikace povrchových struktur. Tedy například hodnocení míry pravidelnosti nebo neuspořádanosti daného povrchu objektu, složitosti jeho tvaru, povrchové struktury, charakteru vad a další. Užitými nástroji jsou nástroje statistiky, fraktální geometrie, spektrální analýza a další. K analýze bylo použito dat ve formě snímků z kamer a z elektronového mikroskopu, dále snímků metalografických výbrusů a dat z profiloměru. Největší potenciál se objevuje u analýzy rozhraní, které je definováno jako rozhraní dvou materiálů nebo rozhraní světla a stínu. V textu je tak popsáno využití analýzy pro hodnocení korozních změn při působení skloviny nebo atmosféry na povrchu vzorků slitin se změnou doby expozice a složení slitin. Další využití analýzy je možné v oblasti metodiky hodnocení vlnitosti plochého skla pomocí tzv. corrugation testu, která byla rozpracována až do on-line testování a návrhu pro nasazení in-line. V práci jsou uvedeny i možnosti aplikace fraktální geometrie spolu s dalšími nástroji hodnocení povrchových vlastností sledovaného objektu. Třetí část je orientována především na praktické aplikace v průmyslu a mimo jiné na vliv poznatků na konstrukci zařízení. Hlavní řešenou problematikou byla detekce transparentních a lesklých materiálů, včetně řešení neméně důležitých technických problémů s nasazením metod především pro sklářský průmysl. Teoretický rozbor je následně doplněn o praktické příklady, které vedou k aplikacím a jsou přenositelné do průmyslové praxe. Příkladem je detekce vad ve skle, použití bodových konfokálních snímačů pro získání 3D modelu výrobku ze skla, detekce a manipulace s lesklým objektem (tzv. bin picking) a další. Závěry a samotné metody jsou obecně použitelné (nikoliv přímo přenositelné) v mnoha průmyslových odvětvích.The presented habilitation thesis deals with acquisition, processing and interpretation of image data, with a strong focus on structured surfaces, transparent and glossy materials as well as application of proposed procedures and tools in industry with an emphasis on the arrangement and the design of devices. The thesis is prepared as a compact technical publication to be subsequently published as a monograph. The work consists of three parts. In the first part, the aims of the work and definitions of the terms used are introduced. Subsequently image data acquisition and interpretation methods are briefly presented. The text refers to author’s textbook called Introduction to Machine Vision. Subsequently a general overview of image data acquisition possibilities is summarized, attempting simultaneously to make a generalization of basic principles. Several tools for data interpretation are also presented aiming to acquire 3D data on the object observed and objective description of structured data. This part of the thesis does not bring new scientific discoveries. The second and the third parts of the thesis outline research outputs and application of knowledge and findings in industry, as formed and being solved on a long-term basis at the Department of Glass Producing Machines and Robotics. The results obtained also lead to finding design solutions of devices for industrial use applications. The second part is focused on research and development and is supported by the author’s scientific articles, the most significant ones being listed in the Appendix to the thesis. The main issue solved in this part is objective quantification of surface structures. This means evaluation of periodicity or that of irregularities of investigated object’s surface, complexity of its shape, surface structure, character of the defects, etc. The tools used for the evaluation are the ones used in statistics, followed by fractal geometry, spectral analysis and others. The analysis was performed based on data obtained in the form of images from cameras and an electron microscope, as well as images of metallographic samples and data from a profilometer. The highest potential appears to be in the analysis of dividing curve, defined as a divide between two different materials or the one between shadow and light. The text describes the use of the analysis for evaluation of corrosion changes caused by the effect of melted glass or air with a change of the exposure time and the alloy composition. Another application of the analysis is possible in evaluation methodology of the assessment of waviness of flat glass by means of the corrugation test. This application was processed up to on-line testing and design for in-line application. The thesis also presents other possibilities of application of fractal geometry jointly with some other tools used to assess the surface properties of the object analysed. The third part is oriented mostly to practical applications in industry and among others on the influence of knowledge on the machine design. The main area of problematics solved in this part was the problem concerning transparent and glossy materials detection, including the solution of technical problems of the same level of importance connected with application of the method mainly for the glass industry. The theoretical analyses are supplemented by practical examples leading to applications and are transferable into the industry. The examples of this transferability might be defect detection in a glass, the use of point confocal sensors for obtaining 3D models of a glass products, detection and manipulation with a glossy object (called bin picking), etc. Both the conclusions and the methods are generally applicable in (though not directly transferable into) many industrial fields