Способ получения изображения развертки поверхности пуль и гильз нарезного стрелкового оружия, устройство для получения изображения развертки цилиндрических тел

 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в криминалистике для проведения трасологических экспертиз пуль и гильз стрелкового оружия и создания банка данных пулегильзотек. Техническим результатом является возможность записи в цифровом виде изображения развертки поверхности пуль, в том числе деформированных, с высокой разрешающей способностью и с минимальными искажениями. Телекамерой с ПЗС-матрицей проецируют световой штрих на объект, снимают последовательно отдельные прямоугольные фрагменты поверхности, оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти с возможностью последующего синтеза полной развертки, исследуемый объект позиционируют в исходное положение, а перед съемкой каждого кадра производят поворот объекта на постоянный, точно воспроизводимый угол, фокусируют телекамеру с помощью системы автофокусировки, по величине дефокусировки вычисляют текущий радиус объекта и определяемую им ширину фрагмента, обеспечивающую последующий синтез изображения развертки без пропусков и переналожений; определяют угол отклонения поверхности фрагмента от нормали к оптической оси телекамеры, поворачивают на этот угол ПЗС-матрицу телекамеры вокруг оси, параллельной оси вращения объекта и лежащей в плоскости матрицы, и производят съемку и запись фрагмента, включая поочередно правый и левый осветитель. При этом требуемую ширину записываемого фрагмента поверхности обеспечивают изменением числа считываемых столбцов элементов ПЗС-матрицы, а угол отклонения поверхности фрагмента от нормали к оптической оси объектива определяют по развороту светового штриха на объекте путем компьютерного анализа его изображения на ПЗС-матрице. Устройство для получения изображения развертки цилиндрических тел содержит осветители, объектодержатель, механизмы продольного сканирования, поворота объекта и фокусировочной подвижки, систему автофокусировки, телевизионную камеру с ПЗС-матрицей, АЦП и ЭВМ, причем привод фокусировочной подвижки снабжен датчиком позиционирования в исходное положение, ПЗС-матрица установлена с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в ее плоскости и параллельной оси исследуемого объекта, и снабжена приводом для вращения. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, а конкретнее к телевизионной микроскопии, и может быть использовано в криминалистике для проведения трасологических экспертиз пуль и гильз стрелкового оружия и создания банка данных пулегильзотек.

Весьма актуальными в криминалистике являются задачи автоматизации проведения трасологических экспертиз пуль и гильз стрелкового оружия, а также создания федеральной и региональных пулегильзотек и разработки автоматизированных систем поиска и идентификации пуль и гильз по имеющимся базам данных. Естественно, эти задачи могут быть решены только широким применением современных средств оптико-электроники, телевизионной и вычислительной техники. Однако по сей день основным инструментом эксперта-трасолога является разработанный в 60-х годах криминалистический микроскоп сравнения типа МКС-1 (см. Скворцов Г.Е. и др. "Микроскопы", Л-д, 1969г.). Это сложный оптико-механический прибор, позволяющий эксперту получить в поле зрения совмещенные изображения двух сравниваемых объектов, идентифицировать их и, при необходимости, получить фотографическим путем твердую копию. Этот метод достаточно трудоемок и непроизводителен, так как микроскоп дает резкое изображение лишь небольшого фрагмента цилиндрической поверхности пули, а просмотр всей поверхности пуль и поиск на них идентичных микротрасс требуют больших затрат времени и чрезвычайно высокой квалификации эксперта.

Дальнейшее развитие эти системы получили за счет применения в качестве фотоприемника телевизионной трубки (телевизионный микроскоп), а впоследствии и ЭВМ, позволяющей записывать и хранить в памяти телевизионное изображение в цифровом виде. (Например, разработанный ЛОМО аппаратно-программный комплекс "ВидеоТест").

Будучи более удобными в работе, эти приборы обладают тем же недостатком, т.е. фиксируют лишь фрагмент полной развертки поверхности исследуемого объекта.

Известен способ получения изображения полной развертки цилиндрической поверхности пуль и гильз фотографическим путем, состоящий в том, что равномерно вращающийся вокруг своей оси объект фотографируют через щелевой затвор на также равномерно перемещающуюся фотопленку или фотопластинку, скорость транспортирования которой синхронизирована со скоростью движения изображения в фокальной плоскости. При этом в каждый момент времени на пленке регистрируется узкий фрагмент цилиндрической поверхности, определяемый увеличением и шириной экспозиционной щели и мало отличающийся от плоскости, а в результате последовательной фиксации этих фрагментов на пленке синтезируется полное изображение развертки. Этот способ реализован в установках "Развертка" и РФ-4, разработанных НИИ спецтехники МВД России, которые позволяют получить на фотопластинке изображение разверток цилиндрических тел диаметром 4-100 мм с увеличением 0,5 или 2Х. Недостатком этих систем является низкая разрешающая способность, которая позволяет видеть лишь общую картину развертки с макродеталями, например форму т.н. полей нарезов на отстрелянных из нарезного оружия пулях. Для экспертизы же важны микроцарапины шириной от 5 мкм, поэтому работа ведется при увеличении 30-50Х. Кроме того, этот способ не предусматривает автоматической фокусировки объектива при работе с деформированными объектами, какими обычно являются отстрелянные пули. Так, при увеличении 2Х допускается отклонение от идеального цилиндра не более 0,2 мм, что явно недостаточно для работы с реальными объектами.

Известен также способ получения изображения развертки пуль и гильз нарезного стрелкового оружия, заключающийся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя при этом систему автофокусировки, проецирующую световой штрих на объект, снимают последовательно отдельные прямоугольные фрагменты поверхности, оцифровывают получаемые изображения с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и записывают в памяти ЭВМ с возможностью последующего синтеза полной развертки. Этот способ реализован в комплексе аппаратуры IBIS (Integrated Ballistics Identificаtion Sistem) канадской фирмы Forensic Technology (WAI) inc. (см. IBIS Training Manual, 1995, - руководство по работе с аппаратурой).

Этот сложный и чрезвычайно дорогостоящий комплекс включает оптико-электронную систему - синтез микроскопа и телевизионной CCD-камеры и мощную ЭВМ со специализированным программным обеспечением. Применение камеры с ПЗС-матрицей позволяет представлять изображение в цифровой форме и в дальнейшем обрабатывать его на ЭВМ. Предусмотрена также система автофокусировки, выполненная в виде двух установленных под углом 45^o к поверхности снимаемого фрагмента лазеров, формирующих на ней пару световых штрихов, компьютерный анализ изображения которых на ПЗС-матрице позволяет определить величину дефокусировки. Освещение объекта осуществляется либо направленным, либо кольцевым источниками света на лампах накаливания. Исследуемая пуля устанавливается донышком на горизонтальном шпинделе с помощью специального клеящего состава.

Недостатками этого способа и реализующей его системы являются: - невозможность получения неискаженных разверток деформированных пуль и гильз, т. к. при наличии деформаций в цилиндрической части пули (например, эллипсоидальном сечении), при повороте пули, во-первых, изменяется ее текущий (для снимаемого фрагмента) радиус, а во-вторых, для большинства фрагментов имеет место разворот снимаемой поверхности относительно нормали к оси объектива. При этом, поскольку снимаются фрагменты одинаковой ширины (по дуге), при синтезе полного изображения развертки неизбежны пропуски или повторы отдельных элементов, а также искажения масштаба для неперпендикулярных к оси объектива фрагментов; - высокая инерционность осветителя на лампах накаливания, что ведет при необходимости постоянных включений - выключений к увеличению времени съема информации; - неудобство установки и центрировки исследуемой пули.

Целью предполагаемого изобретения является разработка способа получения изображения развертки поверхности пуль и гильз нарезного стрелкового оружия, в том числе и деформированных, с высокой разрешающей способностью, минимальными искажениями и возможностью записи в цифровом виде, а также устройства для реализации этой задачи.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения изображения развертки пуль и гильз нарезного стрелкового оружия, заключающемся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя при этом систему автофокусировки, проецирующую световой штрих на объект, снимают последовательно отдельные прямоугольные фрагменты поверхности, оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти ЭВМ с возможностью последующего синтеза полной развертки, исследуемый объект позиционируют в исходное положение, а перед съемкой каждого кадра производят поворот объекта на постоянный, точно воспроизводимый угол, фокусируют телекамеру с помощью системы автофокусировки, по величине дефокусировки вычисляют текущий радиус объекта и определяемую им ширину фрагмента, обеспечивающую последующий синтез изображения развертки без пропусков и переналожений; определяют угол отклонения поверхности фрагмента от нормали к оптической оси телекамеры, поворачивают на этот угол ПЗС-матрицу телекамеры вокруг оси, параллельной оси вращения объекта и лежащей в плоскости матрицы, и производят съемку и запись фрагмента, включая поочередно правый и левый осветители.

При этом требуемую ширину записываемого фрагмента поверхности обеспечивают изменением числа считываемых столбцов элементов ПЗС-матрицы, а угол отклонения поверхности фрагмента от нормали к оптической оси объектива определяют по развороту светового штриха на объекте, формируемого излучателем системы автофокуса, путем компьютерного анализа его изображения на ПЗС-матрице.

Для реализации этого способа предлагается устройство, содержащее осветители, объектодержатель, механизмы продольного сканирования, поворота объекта и фокусировочной подвижки, систему автофокусировки, телевизионную камеру с ПЗС-матрицей, АЦП и ЭВМ, отличающееся тем, что привод фокусировочной подвижки снабжен датчиком позиционирования в исходное положение, ПЗС-матрица установлена с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в ее плоскости и параллельной оси исследуемого объекта, и снабжена приводом для вращения с шаговым электродвигателем, а осветитель объекта выполнен в виде пары попеременно включающихся площадных малоинерционных широкоапертурных источников рассеянного света, например светодиодных матриц.

Кроме того, объектодержатель в предлагаемом устройстве выполнен в виде съемного узла, представляющего собой установленные соосно в общем корпусе, снабженном направляющими, поворотный столик с зубчатой полумуфтой и подпружиненный прижим со свободно вращающейся центрировочной зубчатой коронкой, причем на установочной поверхности столика нанесено рифление, а в полумуфте предусмотрено центрирующее отверстие для сопряжения с осью привода вращения объекта.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами: на фиг. 1 схематически изображен общий вид устройства; на фиг. 2 показана конструкция объектодержателя; на фиг. 3 показан осветитель; фиг. 4 поясняет способ определения текущего радиуса объекта и ширины записываемого фрагмента; фиг. 5 поясняет применение разворота матрицы при деформированных пулях и определение величины деформации с помощью системы автофокусировки.

Устройство (фиг. 1) содержит поворотный столик с приводом 1 для пули 2, установленный на каретке 3, снабженной приводом системы автофокусировки 4 и датчиком позиционирования в исходное положение 5 на оптопарах. Телевизионная камера 6 с ПЗС-матрицей 7 снабжена приводом вертикального перемещения 8, а сама ПЗС-матрица установлена на полуосях, лежащих в ее плоскости, и также снабжена приводом 9 на базе шагового двигателя для ее поворота. На телекамере установлено устройство автофокусировки 10, проецирующее на объект изображение горизонтального штриха. Приводы фокусировки и вертикального перемещения телекамеры снабжены безлюфтовыми винтовыми механизмами поступательного перемещения. Все приводы и датчики управляются ЭВМ 11. На нее же через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) идет съем информации с ПЗС-матрицы 7. Съемный объектодержатель (фиг. 2) содержит установленные в корпусе 12 соосно поворотный столик 1 и подпружиненный прижим 13 со свободно вращающейся центрировочной зубчатой коронкой 14. На установочной поверхности Б столика нанесено рифление для защиты от проскальзывания донышка установленной пули, а на противоположном торце имеется зубчатая полумуфта для сопряжения с приводом поворота, причем она имеет, наряду с зубьями, центрирующее отверстие О для точной посадки на вал электродвигателя. Корпус снабжен направляющими 15 для установки в прибор, причем эти направляющие при посадке имеют достаточный зазор, чтобы в итоге соосность определялась муфтой сопряжения с приводом.

На фиг. 3 изображена схема осветителя. В качестве источников света использованы две светодиодные матрицы 16, обеспечивающие боковое наклонное освещение объекта рассеянным светом справа или слева от оптической оси объектива под углом к поверхности объекта.

Съемка происходит в следующей последовательности. При включении прибора каретка 3 автоматически устанавливается в исходное положение по сигналам оптических датчиков 5 грубого и точного позиционирования с точностью порядка 10 мкм. Под исходным положением понимается постоянная для данного прибора установка поворотного столика на известном расстоянии от телекамеры, выверяемая при настройке по специальному эталону. Допустим, она соответствует калибру 8,00 мм. После этого включается система автофокусировки. На объекте и соответственно на ПЗС-матрице появляется изображение светового штриха (см. фиг. 4б). Анализируя его смещение по вертикали, компьютер определяет величину дефокусировки F и ее направление и дает команду на отработку приводу 4 фокусировки, осуществляющему перемещение каретки 3 по стрелке F. Одновременно вычисляется текущий радиус пули как разность между исходным радиусом и F. Следующим шагом является вычисление ширины (по дуге) подлежащего записи в памяти ЭВМ фрагмента. Как видно на фиг. 4а, при наличии деформации радиус пули меняется от шага к шагу, в то время как угол поворота постоянен. При этом размер b фрагмента, ограниченного углом , и соответственно его изображения b' на матрице непостоянен и равен где r_i - текущий радиус V - линейное увеличение объектива телекамеры.

Очевидно, что если снимаемые фрагменты деформированной пули будут постоянной ширины, то при синтезе общей картинки появятся либо разрывы, либо переналожения отдельных участков. Поэтому, в зависимости от вычисленной величины, с матрицы считывается и записывается определенное число столбцов элементов.

После установки в плоскость резкого изображения определяется наличие ухода поверхности снимаемого фрагмента от нормали к оси объектива. На фиг. 5а показано расположение цилиндрической (1) и деформированной эллипсовидной (2) пуль относительно телекамеры. Разворот снимаемой поверхности на угол ведет к тому, что фактическая протяженность фрагмента составит b_i = r_i/cos (2) где - угол ухода поверхности фрагмента от нормали NN, в то время как число записываемых столбцов определяется формулой (1) для недеформированной поверхности радиуса r. Чтобы не внести геометрических искажений (сжатия донимаемого фрагмента, число столбцов для записи увеличивают в 1/cos раз, но при этом поворачивают на угол матрицу вокруг оси, параллельной оси пули. Благодаря этому происходит "растягивание" снимаемого фрагмента при сохранении постоянства углового шага поворотного столика 1. Кроме того, при повороте матрицы повышается резкость изображения по краям кадра, т.к. плоскость матрицы приближается к плоскости резкого изображения для наклонного объекта.

На фиг. 5б показан вид светового штриха системы автофокусировки на цилиндрической (1) и деформированной (2) пулях. При наличии деформации происходит разворот штриха и его расфокусировка по краям. Анализируя это изображение, ЭВМ вычисляет угол и отдает команду приводу 9 на поворот матрицы на эту величину. Ось вращения располагается в плоскости матрицы, чтобы при повороте не происходило смещения центрального столбца элементов, что привело бы к ошибкам при "сшивке" развертки.

После проведения этих действий подсветка системы автофокусировки выключается, включается один из осветителей 16, производится запись изображения. Затем осветители переключаются и тот же фрагмент регистрируется при другом направлении освещения, что важно для лучшего выявления микрорельефа пули. Наклонное разностороннее освещение объекта выгодно отличается от кольцевого, примененного в вышеописанной системе IBIS, а благодаря протяженности площадных источников света, каковыми являются светодиодные матрицы, меньше сказывается бликование на краях микроцарапин и снижается риск невоспроизведения определенных деталей из-за их затенения, что имеет место при освещении узконаправленными световыми пучками в процессе визуального исследования пули под микроскопом. Кроме того, переключение малоинерционных источников (светодиодов), в отличие от ламп накаливания, происходит за очень короткие промежутки времени, а это, учитывая, что для записи всей поверхности нужно сделать несколько сот кадров, значительно увеличивает производительность прибора.

После записи отснятых кадров в памяти ЭВМ производится поворот столика с пулей на угол , воспроизводимый с высокой точностью, и цикл повторяется. По завершении полного оборота телекамера приводом 8 перемещается вдоль оси пули и снимается новый круговой пояс. Число поясов определяется типом пули и протяженностью ее цилиндрической части, на которой сосредоточены интересующие криминалиста трассы.

Предложенный способ получения разверток пуль и гильз осуществлен в приборе ТАИС-1, разработанном по техническому заданию НИИ спецтехники МВД РФ. Основные его параметры:
Калибр пули - 5 - 12 мм
Длина снимаемого участка по оси пули - 1 - 10 мм
Максимальное время регистрации одного объекта при освещении с двух позиций - 10 мин
Разрешающая способность на объекте - 5 мкм
Допустимая деформация пули при работе в автоматическом режиме - 1,5 мм
Увеличение на экране дисплея - до 70Х
Угол поворота матрицы - 20^o
Прибор работает в комплекте с ЭВМ типа IBM PC и лазерным или струйным принтером для получения твердой копии.

Предварительные испытания показали перспективность разработанной концепции построения системы. Прибор может найти широкое применение в региональных криминалистических лабораториях как автоматизированное рабочее место эксперта-трасолога, т.к. его стоимость по крайней мере на порядок ниже зарубежных аналогов. Прибор позволяет получать, записывать, просматривать на экране с различным увеличением развертку поверхности пули, а также проводить сравнительный анализ изображений двух пуль одновременно. Его разрешающая способность позволяет выявить самые тонкие структуры на поверхности объекта, обеспечивающие его идентификацию. Электронная цифровая запись изображения открывает новые возможности его хранения, обработки, автоматизации измерений, передачи по существующим каналам связи. Это создает предпосылки для организации современных пулегильзотек с автоматизированным поиском и идентификацией объектов.

Формула изобретения

1. Способ получения изображения развертки поверхности пуль и гильз нарезного стрелкового оружия, заключающийся в том, что телекамерой с ПЗС-матрицей, используя при этом систему автофокусировки, проецирующую световой штрих на объект, снимают последовательно отдельные прямоугольные фрагменты поверхности, оцифровывают получаемые изображения и записывают в памяти ЭВМ с возможностью последующего синтеза полной развертки, отличающийся тем, что исследуемый объект позиционируют в исходное положение, перед съемкой каждого кадра производят поворот объекта на постоянный, точно воспроизводимый угол, фокусируют телекамеру с помощью системы автофокусировки, по величине дефокусировки, определяемой вертикальным смещением светового штриха, вычисляют текущий радиус объекта, определяют угол отклонения поверхности фрагмента от нормали к оптической оси телекамеры, поворачивают на этот угол ПЗС-матрицу телекамеры вокруг оси, параллельной оси вращения объекта и лежащей в плоскости матрицы, затем, включая поочередно правый и левый осветители, производят съемку, по текущему радиусу вычисляют ширину фрагмента, обеспечивающую последующий синтез изображения развертки без пропусков и переналожений, и производят запись.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемую ширину записываемого фрагмента поверхности обеспечивают изменением числа считываемых столбцов элементов ПЗС-матрицы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол отклонения поверхности фрагмента от нормали определяют по развороту светового штриха на объекте, формируемого излучателем системы автофокусировки, путем компьютерного анализа его изображения на ПЗС-матрице.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют получение изображения развертки поверхности деформированных пуль и гильз.

5. Устройство для получения изображения развертки цилиндрических тел, содержащее осветители, объектодержатель, механизмы продольного сканирования, поворота объекта и фокусировочной подвижки, систему автофокусировки, телевизионную камеру с ПЗС-матрицей, АЦП и ЭВМ, отличающееся тем, что привод фокусировочной подвижки снабжен датчиком позиционирования в исходное положение, ПЗС-матрица установлена с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в ее плоскости и параллельной оси исследуемого объекта, и снабжена приводом для вращения с шаговым электродвигателем, осветители объекта выполнены в виде пары попеременно включающихся площадных малоинерционных широкоапертурных источников рассеянного света, а объектодержатель выполнен в виде съемного узла, представляющего собой установленные соосно в общем корпусе, снабженном направляющими, поворотный столик с зубчатой полумуфтой и подпружиненный прижим со свободно вращающейся центрировочной зубчатой коронкой, причем на установочной поверхности столика нанесено рифление, а в полумуфте предусмотрено центрирующее отверстие для сопряжения с осью привода вращения объекта.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что осветители объекта выполнены в виде пары светодиодных матриц с матовыми рассеивателями.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что цилиндрические тела являются пулями.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что цилиндрические тела являются гильзами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5