SE505671C2 - Sätt och anordning vid diametermätning av långsträckta föremål - Google Patents

Description

15 20 25 30 505 671 2 ning av potentiometrar upprepade kalibreringar av poten- tiometrarna, vilket medför ökade drift- och underhåll- skostnader och risk för lägre mätnoggrannhet.

Det har föreslagits beröringsfria diametermätare.

Dessa har byggt på bakgrundsbelysning i form av en ljus- ramp riktad mot linjescankameror. Storleken av den av ka- merorna registrerade mörka konturen av stocken registre- ras och utgör underlag för beräkning av stockens diame- ter. Bakgrundsbelysningen bedömdes nödvändig, eftersom olika typer av ljusstörningar i annat fall skulle påverka diameterbestämningen alltför mycket. För användning i skogsmiljö och i samverkan med konventionella skogsmaski- ner är dock mätutrustning som bygger pà bakgrundsbelys- ning en mycket svårframkomlig väg. Det skulle bland annat krävas avsevärd eller fullständig omkonstruktion av av- verkningsmaskinerna för att sådan mätutrustning skulle kunna monteras på funktionellt sätt. Därtill skulle ljus- rampen vara mycket utsatt för kringflygande kvistar och liknande samt riskera att slå i hinder i avverkningsområ- t ex stenar och stubbar. det, Uppfinningen i sammanfattning Ett syfte med uppfinningen är att undanröja ovan an- givna problem som föreligger med konventionella berörande givare och åstadkomma en säker möjlighet att berörings- fritt mäta diametern hos làngsträckta föremål i mycket krävande miljö med olika typer av ljusstörningar, tempe- raturskillnader och kringflygande föremål, t ex kvistar, spån och snö. Dessutom är föremålet i både axiell och ra- diell rörelse under mätningen och kan ha oregelbunden form. ÄN ÉDIÃIPSDOC lï-il-OQVI. 10 10 15 20 25 30 505 671 3 Enligt uppfinningen är det också möjligt att erhålla säkra mätvärden under varierande belysningsförhållanden.

Genom olika typer av filtrering kan särskilt avvikande mätvärden och sådana mätvärden som erhållits vid mätning av ojämna partier av det làngsträckta föremålet undantas.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen ska nu närmare beskrivas med hjälp av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritning- ar, på vilka FIG 1 visar en principiell mätuppställning för mätning enligt uppfinningen, FIG 2 är en perspektivvy av ett vid mätningen lämpligt belysningsorgan, FIG 3 är ett diagram som visar intensiteten hos reflek- terat ljus från ett mätföremál vid alltför kort exponeringstid, FIG 4 är ett diagram som visar intensiteten hos reflek- terat ljus från ett mätföremål vid acceptabelt lång exponeringstid,.

FIG 5 är ett diagram som anvisar hur ett mått på före- målets bredd kan bestämmas och FIG 6 är ett diagram enligt FIG 5, varvid en störning indikerar ett andra föremål.

Beskrivning I den i FIG 1 visade mätuppställningen är ett lång- sträckt föremål 10, t ex en stock, anordnat rörligt i ax- iell riktning i ett U-format stativ 18. Två bildupptag- ningsanordningar 11 i form av digitala kameror är monte- rade i stativet 18 i rät vinkel mot varandra. I det visa- ANÉISIPSDOC 11-1204 nr. O 10 15 20 25 30 505 671 4 de utförandet är kamerorna 11 anordnade i ett plan, men i andra tillämpningar är kamerorna 11 förskjutna i föremå- lets längdriktning.

För att möjliggöra diametermätning även under mycket varierande ljusförhållanden och vid olika typer av infal- lande störljus är belysningsorgan 12,13,l4 monterade på lämpligt sätt i stativet 18. Vid diametermätningen re- gistrerar kamerorna föremålets synliga begränsningslin- jer, dvs föremålets kontur. FIG 1 visar med första streckade linjer det av kamerorna uppfattade bildfältet, som sträcker sig något utanför föremålets konturer. Som framgår av FIG 1 är belysningsorganen 12,13,l4 anordnade i samma plan som kamerorna, så att just de för kamerorna synliga delarna av föremålets konturpartier belyses. Be- lysningsorganen 12,13,14 belyser i princip ett parti av en periferiell linje på föremålet. Reflekterat ljus från denna linje och från resterande periferiella, från kame- ran synliga, delen av föremålet registreras i kameran. Se från belysningsorganen utgående andra streckade linjer.

För att önskad belysningsintensitet ska kunna uppnås är belysningsorganen 12,13,14 utförda på det i FIG 2 visade sättet.

Kamerorna 11 och belysningsorganen 12,13,14 är ope- rativt förbundna med en styrenhet 15. Första minnesorgan 16 är anordnade för registrering och lagring av bilddata från kamerorna 11. För vissa av de erforderliga beräk- ningarna är beräkningsorgan 17 anordnade. I det i FIG 1 visade utförandet är det första minnesorganet 16 och be- räkningsorganet 17 anordnade i styrenheten 15, men i praktiken kan kamerorna vanligtvis vara försedda med er- forderliga minnesorgan 16 och beräkningsorgan 17. I såda- APIÉMHPSDDC 111144111 ß 10 15 20 25 30 505 671 5 na fall utförs vissa lagrings- och beräkningsàtgärder i kamerorna, medan andra utförs i styrenheten 15.

I FIG 2 visas ett exempel på hur ett belysningsorgan 12 kan vara utfört. Som framgår av beskrivningen nedan är det önskvärt att belysningen ska kunna moduleras på olika sätt. Ett enkelt utförande av modulerad belysning är upp- repad tändning och släckning av belysningsorganet. Belys- ningen ska också ge erforderlig intensitet. Lämpligtvis innefattar därför varje belysningsorgan 12,13,l4 ett flertal lysdioder 19. Lysdioder är driftsäkra och har lång livslängd. Pà senare tid har lysdioder med till- fredsställande belysningsintensitet blivit kommersiellt tillgängliga. En förutsättning är dock att belysningsef- fekten koncentreras till lämpligt parti av stocken. Som nämnts ovan, är kamerorna ll anordnade för att registrera stockens kontur för att därigenom möjliggöra mätning av stockens diameter. Belysningsintensiteten från lysdioder- na 19 koncentreras därför till en linje, som när ljuset träffar föremålet belyser en del av en periferilinje.

Denna del innefattar det fràn kamerorna synliga kantpar- tiet av föremålet.

En stor fördel med att använda lysdioder är att de snabbt kan ställas om mellan släckt och tänt tillstànd.

Härigenom bortfaller helt behovet av olika typer av slu- tare, t ex spaltslutare. Lysdioderna avger också monokro- matiskt ljus, vilket är en stor fördel vid filtrering av infallande ljus.

Vid mätningen registrerar varje kamera en linje vin- kelrätt mot föremàlets längdriktning. Den registrerade ljusintensiteten längs linjen ser principiellt ut som vi- sas i FIG 3. Den svagare ljusintensiteten i centrum är en AM IOISIFSDOC IÉWOIVUI. Ö 10 15 20 25 30 505 671 6 följd av att belysningsorganen l2,13,14 belyser i första hand föremålets kantpartier.

För att minska påverkan från omgivningsljus och stö- rande yttre ljusvariationer belyses föremålet med module- rat ljus. Vid kamerornas registrering tas hänsyn till det modulerade ljuset, så att bidrag från annan ljuskälla än belysningsorganen l2,l3,14 väsentligen utesluts. I ett enkelt utförande tänds och släcks belysningsorganen l2,13,l4 upprepat. Från den bild som registreras med be- lysningen tänd subtraheras den bild som registreras med belysningen släckt. Därvid kvarstår endast det bidrag som kommer från belysningsorganen l2,l3,l4. I mer utvecklade system följer intensiteten mer komplicerade förlopp, lik- som efterföljande kompensation eller beräkning på motsva- rande sätt.

De föremål, företrädesvis stockar, vars diameter ska bestämmas varierar vad avser reflektionsgrad. Detta inne- bär att den uppmätta ljusintensiteten kan variera inom vida gränser. Den i en kamera uppmätta ljussignalen kan se ut som i FIG 3. I FIG 3 anger x-axeln en sträcka och y-axeln uppmätt belysningsintensitet. Från området utan- för föremålet sker ingen reflektion, varför ljussignalen blir noll. In över föremålet ökar reflektionen, och ljus- signalen ökar längs en stigande flank. Ett parti av före- målet kring en från en kamera radiellt mot föremålet in- fallande linje erhåller en mindre andel ljus, varför ljussignalen minskar. Därefter stiger åter ljussignalen, när föremålets från kameran synliga kant belyses av ett annat belysningsorgan. Slutligen faller åter ljussignalen längs en fallande flank, när kameran registrerar infal- lande ljus från området utanför föremålet. Föremålets di- ameter kan härledas ur avståndet mellan den stigande ÅNSOISTFSDOC 111201 III Ü 10 15 20 25 30 505 671 7 flanken och den fallande flanken. Flankernas branthet på- verkar mätningens noggrannhet. Ju brantare flanker, desto högre noggrannhet.

Om kamerans exponeringstid är kort i förhållande till reflektionsgraden, som exemplet i FIG 3 visar, är ljusintensiteten låg och flankerna mindre branta. Därvid blir osäkerheten om föremålets diameter större. För att minska osäkerheten ökas därför exponeringstiden på föl- jande sätt. Föremålets bredd mäts vid en hög nivå hl och en låg nivå hz. Om bredden vid den höga nivån hl är mind- re än 90% av bredden vid den låga nivån enligt FIG 3, ökas exponeringstiden. Andra procentsatser kan användas, när förutsättningarna ändras, t ex om andra nivåer väljs, eller om föremålets reflektion är särskilt hög eller låg. Ökningen sker i steg, tills dess att tillräcklig branthet föreligger. Ett exempel på tillräckligt lång exponerings- tid framgår av FIG 4. Därefter sker fortlöpande inställ- ning mot kortare exponeringstid, så att exponeringstiden inte blir onödigt lång.

Den fortlöpande inställningen av exponeringstiden medför också möjlighet att detektera om stocken är för- sedd med bark eller inte under mätningen. Om det noteras en markerad förändring av exponeringstiden i kombination med en registrerad diameterändring kan detta tolkas som en övergång från bark till icke bark, eller tvärtom. Om veden är ljusare, varvid exponeringstiden blir kortare, samtidigt som diametern minskar, är det mycket troligt att mätning skett på ett parti av stocken som saknar bark. Motsvarande gäller vid längre exponeringstid och ökande diameter, varvid stocken troligtvis har bark. Upp- gift om stockens beskaffenhet beträffande bark kan re- AM ÉISIPSDOC YÉVZGOVI Ü 10 15 20 25 30 505 671 gistreras tillsammans med övriga uppgifter och senare an- vändas vid den fortsatta bearbetningen av stocken.

Den linje som utgör indata för bestämning av föremå- lets bredd behandlas i ett störningsfilter på följande sätt enligt FIG 5 och FIG 6. För beskrivningen nedan vad avser filtrering används uttrycket grundvärde, med vilket avses ett beräknat diametervärde efter filtreringsàtgär- der. Alla mätvärden över ett tröskelvärde indikerar själ- va föremålet. I FIG 5 har två sådana partier över trös- kelvärdet registrerats, och dessa är indikerade med svar- ta rektanglar nedtill i figuren. Om indata varit stabilt som visas i FIG 5 under viss tid, bestäms grundvärdet som avståndet L1 mellan rektanglarnas ytterkanter.

I FIG 6 har en störning förorsakat ett extra objekt.

Avståndet L2 mellan de yttre rektanglarnas ytterkanter avviker mer från tidigare värden än avståndet L1 mellan den vänstra yttre rektangeln och högra kanten hos rektan- geln i mitten. I sådant fall bortses från det tillkomman- de objektet. Det nya värde som avviker minst från det ti- digare bestämda värdet används som nytt grundvärde. Nya värden från mätningen jämförs dels med ett kort medelvär- de, vilket bygger på ett fåtal tidigare grundvärden, t ex de åtta senaste, och dels med ett långt rullande medel- värde. Normalt jämförs aktuellt värde med det korta me- delvärdet, men om detta avviker mycket från det långa an- vänds det långa i stället. Härigenom undviks att t ex en gren i flack vinkel mot stocken passerar störningsfilt- ret.

För att ytterligare öka mätnoggrannheten sker be- handling av mätvärdena även i ett så kallat medianfilter.

Ett flertal mätningar görs i följd, varefter mätvärdena avseende grundvärdena sorteras i storleksordning. Utdata Ål Ã1BIPSG IÉIZ-Ol VII. Q 10 15 20 25 30 505 671 9 från medianfiltret är ett mätvärde tagit någonstans i mitten av de sorterade mätvärdena. I ett föredraget utfö- rande registreras och sorteras de nio senaste mätningar- na, varefter det femte (i mitten) utgör utdata från medi- anfiltret. Det är också möjligt att använda ett större eller mindre antal mätningar.

Det grundvärde på föremålets diameter som bestämts med hjälp av kameran och de ovan beskrivna filtren utgör en i kameran avbildad diameter, som egentligen utgör en korda hos föremålet. I FIG 7 visas principiellt ett före- mål IO och en mot detta riktad kamera ll. Föremålets verkliga diameter är D, med den korda som avbildas i ka- meran är 2y. Kameran är anordnad på avståndet d från fö- remålets centrum. Avståndet d varierar, när föremålet rör sig i radiell riktning under den axiella förflyttningen genom mätuppställningen. I ett använt utförande används en av kamerorna ll för att fastställa avståndet d. I mer utvecklade utföranden används båda kamerorna för diame- termätningen, varvid respektive kamera omväxlande förser styrenheten med data beträffande avståndet d. Genom att aktivt använda två kameror är det möjligt att erhålla da- ta beträffande föremålets ovalitet. Normalavståndet mel- lan kameran och föremålets centrum är n (ej markerat på figurerna). För att kompensera y för ändrat betraktelse- avstånd används först följande formel.

Y(n/d) (1) % II Av FIG 7 framgår följande. dsin(d) (2) H Il AN ÉßIPSJOC íßfiâlvw. 0 lO 15 20 25 30 505 671 10 r = y/cos(d) (3) (2) och (3) ger i sin tur att y/d = cos(d)sin(d) och y/d = sin(2d)/2 (4) d = arcsin(2y/d)/2 (5) r = y/cos(d) (6) x = rsin(d) (7) Av (7) framgår det att skalningen av y inte var kor- rekt, eftersom den förutsatte att kameran verkligen be- fann sig på avståndet d. Det ursprungligen valda y skalas därför om till y = y(n/(d-x)) (8) Beräkningarna enligt formel (2) till (8) upprepas cirka tio gånger, tills de beräknade värdena på r konver- gerar. Ekvationssystemet ovan kan också lösas pà annat sätt.

Den ovan beskrivna metoden att subtrahera bilder vid olika belysningsförhållanden förutsätter att intensiteten hos infallande störljus summerad med den av belysningsor- ganen l2,l3,14 alstrade intensiteten inte leder till ni- våer i kamerorna som ligger utanför arbetsområdet, dvs att bilden uppfattas som maximalt vit.

För att förbättra mätuppställningens störmarginal kan kamerorna utrustas med optiska filter 20, som släpper igenom ljus med den våglängd som lysdioderna utsänder, men dämpar övriga våglängder. Ytterligare förbättring kan uppnås genom att använda ett smalt bandpassfilter av in- terferenstyp. Ett sådant har ett passband på 6-10 nm och AHÉOISIPS DOG IÉ1I-OÅVI. Ü 10 505 671 ll mycket hög dämpning utanför detta, vilket skulle ge kraf- tig förbättring av störmarginalen. En nackdel med optiska filter är att de även dämpar ljuset från belysningsorga- nen. Ett interferensfilter dämpar med cirka 40%, vilket medför att exponeringstiden måste förlängas i motsvarande grad.

De kameror som kan användas är så kallade linjekame- ror, men även areakameror. I det senare fallet utnyttjas bilddata från väsentligen endast en linje för själva dia- metermätningen. Övriga bilddata kan i sådana fall använ- das för att ge ytterligare uppgifter om föremàlets utse- ende eller dimensioner.

AH QWNISDOC IÉIIOIVIV Ü

Claims (19)

10 15 20 25 30 505 671 12 PATENTKRÄV

1. Sätt vid beröringsfri diametermätning av långsträckta föremål (10) med väsentligen cirkulär tvärsektion, varvid det långsträckta föremålet belyses och en genom reflek- tion från föremålet uppkommen ljussignal registreras, k ä n n e t e c k n a t av att belysningsintensiteten över föremålet varieras en- ligt ett förutbestämt mönster, att reflekterad ljusintensitet registreras i en bildupp- tagningsanordning (ll) som bildsignaler vid olika belysningsintensiteter, att bildsignaler vid olika belysningsintensiteter sub- traheras från varandra, så att från mönstret avvi- kande bidrag i den registrerade bildsignalen dämpas, och att föremålets diameter bestäms genom fastställande av avståndet mellan en i bildsignalen förekommande första flank, vilken anger en första från bildupp- tagningsanordningen synlig kant hos föremålet, och en i bildsignalen förekommande andra flank, vilken anger en andra från bildupptagningsanordningen syn- lig kant hos föremålet.

2. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att en belysningskälla (l2;l3;l4) omväxlande inkopplas för att belysa föremålet med hög intensitet och om- växlande, urkopplas.

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att belysningskällan (12;l3;14) bringas att belysa ett periferiellt område pà föremålet. AN SMMPSDOC iåfiålvfl O 10 15 20 25 30 isos 671 13

4. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att föremålet belyses med monokromatiskt ljus av viss våglängd.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att ljussignalen filtreras, sä att ljus av annan våg- längd än den hos det monokromatiska ljuset dämpas.

6. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att bildupptagningsanordningens exponeringstid fortlö- pande ställs in, så att skillnaden i uppmätt diame- ter vid ett första tröskelvärde hos flankerna hos den registrerade ljusintensiteten och vid ett i för- hållande till det första tröskelvärdet högre andra tröskelvärde understiger en förutbestämd del av dia- mêtern.

7. Sätt enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att bildupptagningsanordningens exponeringstid förlängs, om uppmätt diameter vid det andra tröskelvärdet är mindre än en förutbestämd del av uppmätt diameter vid det första tröskelvärdet.

8. Sätt enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att bildupptagningsanordningens exponeringstid förkor- tas, om uppmätt diameter vid det andra tröskelvärdet är större än eller lika med förutbestämd del av upp- mätt diameter vid det första tröskelvärdet.

9. Sätt enligt något av kraven 1-8, k ä n n e - t e c k n a t av AH ÉMUPSDOC iï-II-OIII U lO 15 20 25 30 505 671 att att 14 i bildupptagningsanordningen avbildad diameter (2y), motsvarande en korda, bestäms, ett avstånd (d) mellan föremàlets centrum och bildupptagningsanordningen bestäms, varvid a = 1/2 arcsin(2y/d) och r = y/cos(d), där d = verkligt avstånd mellan bildupptagningsan- ordning och föremàlets centrum, y = halva från bildupptagningsanordningen syn- liga kordans längd, d = vinkeln mellan en radie r och den synliga kordan där radien och kordan skär föremå- lets periferilinje och r = föremålets verkliga radie.

10. Sätt enligt något av ovanstående krav, k ä n n e - t e c k n a t att att att

11. att att

12. n a att av ett flertal bestämda diametervärden lagras, de lagrade diametervärdena sorteras i storleksord- ning och ett diametervärde mellan det största och det minsta diametervärdet väljs som diametervärde. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av nio diametervärden lagras och det femte diametervärdet väljs som diametervärde. Sätt enligt något av krav 1-9, k ä n n e t e c k - t av då fler än den första och den andra flanken förelig- ger i bildsignalen, så att flera avstånd mellan flanker har fastställts, det avstånd utnyttjas som AN%ISIPS.DOC IÉ-liólwif Å 10 15 20 25 30

13. . att att att

14. 505 671 15 vid jämförelse med tidigare fastställda avstånd av- viker minst från dessa. Sätt enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a t av ett första antal diametervärden lagras, ett första medelvärde bestäms på basis av de lagrade diametervärdena, ett andra medelvärde löpande bestäms på basis av nya mätvärden, och a) det första medelvärdet används som referensvär- » de vid jämförelsen med ett fastställt avstånd, när det första medelvärdet ligger inom ett för- utbestämt intervall kring det andra och b) det andra medelvärdet används som referensvär- de, när det det första medelvärdet ligger utan- för det förutbestämda intervallet kring det andra medelvärdet. Sätt enligt något av krav 6-8, k ä n n e t e c k - n a t av att att markerade förändringar av exponeringstiden fast- ställs tillsammans med registrerade diameterändring- ar och en kombination av markerade förändringar av expone- ringstiden och registrerade diameterändringar indi- keras som en övergång från bark till icke bark, el- ler tvärtom.

15. Anordning vid beröringsfri diametermätning av lång- sträckta föremål (10) med väsentligen cirkulär tvärsek- tion, varvid belysningsorgan (l2,l3,14) är anordnade för belysning av det längsträckta föremålet och en bildupp- AH å!!! FSDOC líilfll VI. Ü 10 15 20 25 30 505 671 16 tagningsanordning (11) är anordnad för registrering av en genom reflektion från föremålet uppkommen ljussignal, k ä n n e t e c k n a d av (15) att en styrenhet är operativt förbunden med belys- ningsorganen (12,13,14) för att fortlöpande ställa om en från belysningsorganen (l2,13,14) avgiven be- lysningsintensitet enligt en förutbestämd sekvens, att bildupptagningsanordningen (11) är operativt förbun- den med styrenheten (15), vilken innefattar första minnesorgan (16) för lagring av upptagna bildsigna- ler vid olika belysningsintensiteter, att styrenheten (15) innefattar beräkningsorgan (17) för att subtrahera de i det första minnesorganet (16) lagrade bildsignalerna från varandra, så att från mönstret avvikande bidrag i den registrerade bild- signalen dämpas, och att beräkningsorganet (17) är utfört att bestämma före- màlets diameter genom fastställande av avståndet mellan en i bildsignalen förekommande flank, vilken anger en första från bildupptagningsanordningen syn- lig kant hos föremålet, och en i bildsignalen före- kommande flank, vilken anger en andra från bildupp- tagningsanordningen synlig kant hos föremålet.

16. Anordning enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d av att belysningsorganen (l2,13,14) är utförda, så att de belyser periferiella linjeomráden på föremålet (10).

17. Anordning enligt krav 15, k ä n n e t e c k n a d av att belysningsorganen (12,13,14) är utförda, så att de belyser föremålet (10) med monokromatiskt ljus. AN Éiil PSDDC 11-12* VI Ü 505 671 17

18. Anordning enligt krav 16, k ä n n e t e c k n a d av att belysningsorganen (l2,13,l4) innefattar lysdioder.

19. Anordning enligt krav 18, k ä n n e t e c k n a d av att filter (20) anordnas framför bildupptagningsanord- ningen (11). ÄN ßOIMFSDOC ïíil-GOVII. 0