Комплекс по сканированию алмазного сырья : НПК ВИДЕОСКАН

Комплекс по сканированию алмазного сырья

Дубовенко А.С.
(s @ diamsoft.ru)

Научно-производственным предприятием "Энергия" совместно с НПК "Видеоскан" был разработан уникальный программно-аппаратный комплекс по сканированию ювелирных алмазов с целью нахождения оптимального варианта разметки для изготовления бриллиантов.

Чтобы оценить необходимость получения точных измерений, кратко опишем суть проблем, с которыми сталкиваются алмазообрабатывающие предприятия.

Введение

По своей природе, каждый алмаз имеет уникальную форму

Бриллианты же наоборот, изготавливаются по строго определенным правилам. Таким образом, изготовление каждого бриллианта - это творческий процесс.

В первом приближении задача описывается так - "Необходимо из данного алмаза изготовить как можно больший бриллиант". Реально же задача оказывается намного сложнее. Дело в том, что ее усложняют следующие обстоятельства:

стоимость бриллианта зависит от многих параметров по очень сложному закону;
из одного алмаза могут изготавливаться несколько бриллиантов. Как правило, алмаз подвергается распиловке, и из него изготавливаются два бриллианта.

Стоимость бриллианта зависит от следующих параметров:

1) Масса.
Традиционно масса измеряется в каратах (1 карат=0.20 грамм). При повышении массы, стоимость бриллианта растет неравномерно.

Из графика видно, что при увеличении массы, стоимость бриллианта растет скачкообразно. Значения по массе, в которых происходит скачок, называются "переходные группы". На графике наблюдаются такие переходные группы, как 0.50 карат, 1.00 карат, 1.50 карата, 2.00 карата.

2) Цвет

Чем прозрачнее бриллиант, тем ценнее. Самые ценные (бесцветные бриллианты) дороже самых дешевых (коричневых) в десятки раз.

3) Дефектность, которая в свою очередь определяется следующими обстоятельствами:

Наличие, количество, размер дефектов.
Видны ли дефекты невооруженным глазом.
Видны ли дефекты в лупу 10-кратного увеличения.
Видны ли дефекты через площадку бриллианта или только снизу.
Сколько дефект дает мнимых изображений (отражений) внутри бриллианта.

Также как и цвет, дефектность сильно влияет на стоимость бриллианта.

4) Качество огранки

Для того, чтобы бриллиант оптимально "играл", разработана огранка "Толковского", которая лимитирует углы и размеры бриллианта.

Однако, в целях "нагона" массы, производители могут отклоняться от норм в разумных пределах. Соответственно, чем выше отклонение от этих пределов, тем больший процент скидки будет применен от прейскурантной цены бриллианта.

5) Форма огранки

90% изготавливаемых бриллиантов имеет круглую форму, однако, существуют и десятки других, так называемых "фантазийных", форм.

Багеты Изумруды Маркизы Груши

Рис.1 Компьютерные модели фантазийных форм

Рис. 2. Фотографии реальных бриллиантов фантазийных форм.

Обычно цена бриллиантов фантазийных форм на 20-50% ниже, чем круглых той же массы, но в некоторых случаях форма кристалла настолько подходит под изготовление фантазийных форм, что делает выгодным изготовление той или иной фантазийной формы.

Итак, мы ознакомились со списком параметров, от которых зависит стоимость бриллиантов. Рассмотрим теперь работу разметчика.

Разметчик - это человек, который получает партию алмазного сырья, и для каждого алмаза определяет, какие бриллианты будут из него изготавливаться. Не смотря на сложность решения задач, для обеспечения эффективного производства один разметчик должен размечать от 20 до 200 штук в день.

Теперь рассмотрим, какие задачи решает разметчик:

1) Он должен принять решение - делать круглый бриллиант или фантазийный. Даже если масса получаемого фантазийного бриллианта может получаться больше, чем масса круглого, не всегда его стоимость будет выше. Кроме того, нужно учитывать то, что потребность рынка в фантазийных бриллиантов ниже и могут возникнуть проблемы со сбытом.

2) Выбрать расположение и размеры бриллианта. Существует несколько вариантов расположения бриллианта внутри алмаза.

На рисунке изображен пример правильной формы алмаза - октаэдр. Шип бриллианта может смотреть в каждую из шести углов октаэдра. При этом масса бриллианта будет практически одинаковой. На практике, алмазы правильной формы встречаются редко, поэтому, в каждом положении будет получаться различная масса бриллианта.

Также, в зависимости от расположения дефектов внутри алмаза, положение бриллианта может сильно повлиять на расположение и количество дефектов в будущем бриллианте. После того, как оптимальное положение выбрано, нужно подумать о том, стоит ли уменьшить размеры бриллианта, чтобы вывести те или иные дефекты или оставить бриллиант с дефектами, но большей массы.

3) Геометрия бриллианта. Разметчик должен принять решение, стоит ли отклоняться от параметров идеальной огранки и в каких пределах. При отклонении можно получить бриллиант большего размера, но его будет сложнее реализовать и это может отрицательно сказаться на его стоимости. Обычно изменяют параметры у бриллиантов, которые находятся на границе переходных групп.

4) Варианты раскроя. Как правило, алмаз идет на изготовление двух бриллиантов. Для этого разметчик на кристалле наносит линию разметки, по которой рабочий- распиловщик производит распиливание алмаза на две части. Соответственно при изменении положения линии разметки, масса и стоимость одного бриллианта увеличивается, а второго - уменьшается. Разметчику нужно найти оптимальный вариант.

Вывод:

Разметчик должен иметь возможность быстро просчитать различные варианты раскроя камней. Он должен рассмотреть различные варианты форм огранки, различные варианты отклонений, различные варианты линии разметки.

Конечно, опытный разметчик, как и опытный шахматист, сразу выдает "единственно правильный" ход. Однако ошибаются и шахматисты, и разметчики. И если ошибка в шахматах может привезти к проигрышу партии, то ошибка разметчика может привести к убыткам предприятия или к недополученной прибыли.

Аналогия с шахматами тут возникает не случайно. Именно тандем - Человек+Компьютер позволяет принимать правильные решения. Человек умнее компьютера тем, что он имеет опыт, интуицию, пространственное воображение. Компьютер умнее человека в том, что он может за секунду перебрать миллионы комбинаций (положений бриллианта внутри кристалла).

Кроме того, компьютеризированная система позволяет решать не только задачи разметки, но и последующего анализа производства. Например, когда бриллиант уже изготовлен, можно посмотреть, что задумывал разметчик, и что получилось. А заодно и оценить, насколько четко огранщик выполнил задание разметчика.

Итак, мы уже вплотную подошли к постановке задачи - нам необходимо "ввести" алмаз в компьютер и на экране в режиме моделирования попробовать вписать в модель кристалла различные бриллианты, распилить алмаз на различные части и вписать в распиленные части бриллианты. Затем найти оптимальный вариант разметки, оценить эффективность и выдать задание на обработку кристалла.

Сканирование кристалла

Для сканирования кристалла используется цифровая камера VS-CTT-205-2001, разработанная в НПК "ВИДЕОСКАН". Кристалл снимается с разных сторон и делается серия кадров. Каждый кадр соответствует повороту камня на определенный угол. Для этого в установке применяется поворотный столик, вращающийся от шагового двигателя.

Ключевым блоком аппаратной части комплекса является система ввода изображения. Именно камера, разработанная в <Видеоскане> позволила разработчикам НПП "Энергия" создать аппаратную часть комплекса, превосходящую по качеству западные аналоги, при этом, не сильно повысив цену. В качестве альтернативы, могли бы быть использованы еще два варианта:

Первый вариант - видеокамера вместе с обычной картой видеозахвата. По такому пути пошли создатели импортных установок - Sarin Technologyes и Ogi System, а также их отечественные аналоги.

Преимущества этого варианта очевидны. Во-первых - низкая цена. Цена средней черно-белой видеокамеры на порядок ниже, чем цена цифровой камеры. Связано это не с тем, что аналоговую видеокамеру легче изготовить. Изготовить как раз сложнее. Низкие цены связаны с очень большим тиражом распространения. Существует огромная конкуренция среди производителей видеокамер, матриц для них, специализированных микросхем и т.д. Промышленные цифровые камеры - это уже заказное оборудование другого класса, применяемое в промышленности, и тиражность его на несколько порядков ниже видеокамер, следовательно и цены выше.

Теперь о недостатках. Главным недостатком является низкое разрешение. Обычно оно не превосходит 512x512. Кроме того, в цепочке Видеокамера-Фреймграбер происходит двойное преобразование Цифра-Аналог-Цифра, которое достаточно сильно сказывается на качестве "картинки".

Слева - кадр, полученный установкой Sarin Technologies DiaExpert.
Справа - установкой на базе оборудования Видеоскан.
Кроме того, снизу изображен увеличенный кусочек кадра, соответствующий площади - 1 квадратный миллиметр поверхности. Очевидно, качество границы на кадре слева ниже, чем качество границы справа.

Можно ввести показатель точности работы комплексов - разрешающая способность (мм/точку), умноженная на количество точек (толщина) границы.

Мы можем наблюдать, что граница в комплексе DiaExpert фирмы Sarin Technologies имеет ширину 4-5 точек. В комплексе же на базе камеры "Видеоскан" ширина границы - одна точка при разрешении 1280x1024. Таким образом, мы имеем в 10 раз большую точность. Реально, конечно, разность в точности меньше. Связано это с тем, что программисты пытаются выжать из картинки максимум, анализируя яркость точек. И с помощью различных математических аппаратов стараются найти границу точнее, чем 5 точек. Этот способ, конечно работает, однако не всегда и не везде. Дело в том, что алмаз - это оптически активный объект. Внутри алмаза и на его границе могут возникать различные блики, рефлексы и прочие оптические эффекты. От этого всякая "математика" может давать сбой. Не спроста же покупатели сканеров спрашивают о физическом (оптическом) разрешении, а не о том, которое может выдать программа - эмулятор. А именно второе разрешение указывается на коробке со сканером.

Кроме того, если понаблюдать за картинкой, которую выдает аналоговая видеокамера, то можно увидеть различные дополнительные "вредные" эффекты. Во-первых - аналоговый "шум". Изображение с камеры напоминает изображение, которое показывает телевизор при плохом приеме. Во вторых - черезстрочная (interlaced) развертка. Конечно, программы захватывают оба полукадра и пытаются что-то из них сделать, но это тоже полумера. Ну и в третьих - это АРУ (Автоматическая регулировка уровня сигнала). Если кристалл поворачивается таким образом, что от него много света отражается в камеру (дает блики), то АРУ понижает общую яркость, таким образом, что границы вообще не видны. И как всегда, с таким явлением справляются математики и программисты. Они просто не учитывают такие кадры. А ведь на кристаллах сложной формы подобные эффекты могут возникать на каждом третьем кадре.

Еще одним, на наш взгляд определяющим, показателем точности работы комплекса является то, насколько точно программно-аппаратный комплекс определяет массу алмаза. Это как бы хорошая проверка для аппаратуры сканирования, оптики, программы построения трехмерной модели, калибровки и.т.д.

На "аналоговых" установках эта точность, к сожалению, не превышает 10%. По мнению разработчиков из НПП "Энергия", это совершенно недопустимая точность. Но и против этого программисты придумали "противоядие". Они позволяют пользователю подкорректировать массу алмаза вручную (ведь алмаз можно взвесить на весах). И в памяти компьютера меняют плотность. В дальнейшем, при вычислении масс бриллиантов, вписываемых в этот кристалл, будет использоваться не реальная плотность алмаза, а введенная пользователем. На самом деле, плотность различных алмазов отличается на 0.3% и этот "способ" подгонки является полумерой. Он будет работать, если ошибка в 10% возникла в результате того, что модель подобна реальной с коэффициентом подобия, например, 1.10. Если же модель отличается от реальной тем, что она искажена в разных местах совершенно по разному и сумма ошибок - 10%, то с этим уже ничего не поделаешь. На самом деле, ошибка еще больше, ибо комплекс настроен так, что вероятность и положительных и отрицательных ошибок - равна. Таким образом, если по сумме всех частей кристалла "набегает" ошибка в 10%, это значит, что каждая часть кристалла может иметь ошибку в 30% от массы части кристалла.

Очевидно, что для увеличения точности можно приближать камеру к предмету, чтобы предмет занимал большую площадь на матрице. И это сделано во всех комплексах, но по-разному.

Ogi systems пошла наиболее дорогим путем. Фирма предлагает варианты комплексов - одно, двух, трех канальные. Например, трехканальные - это комплекс, состоящий из трех поворотных столиков, трех видеокамер, и трех объективов. Но и стоимость его втрое дороже одноканального. Одноканальный снимает только небольшой диапазон массы кристалла (от 0.10 до 5.00 карат).

Двухканальная - до 15 карат.
Трехканальная - до 45 карат.

Разработчики из Sarin Technologies поставляют вместе с Комплексом три сменных объектива. Это более дешевый путь, но менее удобный пользователю. Все-таки, менять объектив и указывать это программе каждый раз при смене нового камня - не очень удобно. Кроме того, немного падает точность, ведь откалибровать объектив, который не жестко закреплен на камере - не просто. Могут возникать дополнительные ошибки.

Разработчики отечественных комплексов пошли другим путем. Они подсоединили к камере трансфокатор, управляемый от компьютера. Это относительно удобно для пользователя, но в этом случае, вероятно, могут возникать проблемы с калибровкой. Любая аппаратура имеет естественный люфт и при смене фокусного расстояния из положения 1 в 2, будет одно значение, а из 3 в 2 - другое. Насколько они близки - нам не известно, но точность там требуется до 1 микрона, иначе сразу пойдут дополнительные ошибки.

Каждый из этих способов имеет свои достоинства, но все они имеют один большой недостаток. Получается, что чем больше сырье, тем ниже точность измерения. А ведь должно быть строго наоборот. Самая большая точность должна достигаться на большом сырье. Именно разметка крупного сырья требует просчета большого количества вариантов, и решение разметчика требует различных проверок.

Поэтому, подобные "аналоговые" комплексы, несмотря на приличную стоимость, воспринимаются пользователями только как способ "проверить себя". Полностью этим комплексам не доверяют. Вот примеры высказываний, которые нам удалось услышать от пользователей импортных "аналоговых" установок: "На небольшом сырье - еще ничего, а самое крупное лучше считать вручную", "Массы бриллиантов, которые они выдают - условны. Все это надо проверить вручную". "Начинающим разметчикам, конечно эта установка не помешает, а опытные делают это не хуже. Но все равно проверяют себя на всякий случай". "Фантазийные формы этот комплекс считает неправильно. Я ее считаю сам в 10 раз точнее. А круглые бриллианты - нормально".

Второй вариант,

рассмотреный НПП "ЭНЕРГИЯ" - это импортные цифровые камеры. Ведь там используются те же матрицы Sony, как и Видеоскане. Однако эти варианты пришлось сразу отсечь, ибо стоимость камер превышает стоимость импортных комплексов по сканированию алмазов. Убедить пользователей заплатить как минимум вдвое дороже за большую точность - было бы не просто. Кроме меньшей цены, камеры "Видеоскан" значительно компактнее и лучше программируются. Они поддерживают внешнюю синхронизацию, что позволяет нам крутить кристалл и снимать без потери производительности (количество кадров в секунду). Пока происходит экспозиция, кристалл неподвижен; пока идет передача кадра в компьютер, кристалл поворачивается на нужный угол.

Кроме того, сотрудничество с НПК "ВИДЕОСКАН" позволило программистам НПП "Энергия" не влезать в аппаратные дебри и заказать в Видеоскане всю электронную начинку комплекса -

Цифровую камеру
Плата управления цифровой камерой
Плата управления шаговым двигателем и синхронизацией и осветительными приборами.
Шаговый двигатель.
Осветительные приборы, на базе светодиодов различных частот.

Первый экземпляр установки на базе оборудования <Видеоскан>. Он еще далек от промышленного варианта, однако уже по многим параметрам превосходит все существующие аналоги.

Высокое разрешение и четкость камеры от Видеоскана позволяет создать комплекс, который позволяет моделировать разметку кристаллов до 100 карат, при этом, обеспечивается точность измерения границы 30 микрон на всем диапазоне размеров сырья. Комплекс не оснащается трансфокатором и обеспечивает эту точность в самом худшем случае (когда на границе происходят блики или рефлексы). Если же граница при данном угле поворота предметного столика не дает никаких бликов, то обеспечивается точность еще на порядок-два выше. Достигается это за счет анализа освещенности граничных и промежуточных точек. Камера содержит 10-битный АЦП, что позволяет нам анализировать освещенность с точностью до нескольких фотонов на один элемент матрицы.

Еще одна очень важная на наш взгляд особенность разработок от Видеоскан состоит в том, что программное обеспечение и драйвера идентичны для всей линейки выпускаемых камер. Допустим, заказчику потребуется аппарат, который позволяет работать с сырьем 200 карат без потери точности (30 микрон). В этом случае, потребуется установить в комплекс камеру на базе другой матрицы. Эта камера будет иметь те же линейные размеры, и подключаться к аналогичным управляющим платам. Не потребуется даже перенастраивать программное обеспечение. Достаточно провести процедуру калибровки и комплекс будет готов к работе.

P/S: Автор выражает благодарность Дубинской Е.В. за помощь, оказанную при подготовке статьи.