Skaner 3D ze światłem strukturalnym

Skaner 3D ze światłem strukturalnym to urządzenie skanujące 3D do pomiaru trójwymiarowego kształtu obiektu za pomocą rzutowanych wzorów świetlnych i systemu kamer .

Źródło światła z głowicy skanera rzutuje serię równoległych wzorów na skanowany cel. Kiedy światło pada na powierzchnię przedmiotu, wzory ulegają zniekształceniu. Kamery rejestrują te obrazy i przesyłają je do oprogramowania do skanowania 3D w celu przetworzenia.

Zasada

Rzutowanie wąskiego pasma światła na trójwymiarową powierzchnię tworzy linię oświetlenia, która wydaje się zniekształcona z innych perspektyw niż perspektywa projektora i może być wykorzystana do geometrycznej rekonstrukcji kształtu powierzchni (przekrój światła).

Szybszą i bardziej wszechstronną metodą jest rzutowanie wzorów składających się z wielu pasków naraz lub z dowolnych prążków, ponieważ pozwala to na pozyskiwanie wielu próbek jednocześnie. Widziany z różnych punktów widzenia, wzór wydaje się geometrycznie zniekształcony ze względu na kształt powierzchni obiektu.

Chociaż możliwych jest wiele innych wariantów projekcji światła strukturalnego , szeroko stosowane są wzory równoległych pasów. Rysunek przedstawia geometryczną deformację pojedynczego paska rzutowanego na prostą powierzchnię 3D. Przemieszczenie pasków pozwala na dokładne odtworzenie współrzędnych 3D dowolnych detali na powierzchni obiektu.

Generowanie wzorów świetlnych

System rejestracji wzoru prążków z 2 kamerami (unikanie przeszkód)

Ustalono dwie główne metody generowania wzoru pasków: interferencja i projekcja laserowa.

Metoda interferencji laserowej działa z dwoma szerokimi, płaskimi czołami wiązki laserowej . Ich interferencja skutkuje regularnymi, równoodległymi wzorami linii. Różne rozmiary wzorów można uzyskać, zmieniając kąt między tymi wiązkami. Metoda pozwala na dokładne i łatwe generowanie bardzo drobnych wzorów z nieograniczoną głębią ostrości. Wadami są wysokie koszty wdrożenia, trudności w zapewnieniu idealnej geometrii wiązki oraz typowe dla lasera efekty, takie jak szum plamkowy oraz możliwej interferencji własnej z częściami wiązki odbijanymi od obiektów. Zazwyczaj nie ma możliwości modulowania poszczególnych pasków, na przykład w przypadku kodów Graya.

Metoda projekcji wykorzystuje światło niespójne i zasadniczo działa jak projektor wideo . Wzory są zwykle generowane przez przepuszczanie światła przez cyfrowy przestrzenny modulator światła , zazwyczaj oparty na jednej z trzech obecnie najbardziej rozpowszechnionych technologii projekcji cyfrowej, transmisyjnym ciekłokrystalicznym , odblaskowym ciekłokrystalicznym na krzemie (LCOS) lub cyfrowym przetwarzaniu światła (DLP; ruchome mikro lustro). ) modulatory, które mają różne zalety i wady porównawcze dla tego zastosowania. Jednak inne metody projekcji mogły być i były stosowane.

Wzory generowane przez projektory cyfrowe mają niewielkie nieciągłości ze względu na granice pikseli na wyświetlaczach. Wystarczająco małe granice można jednak praktycznie pominąć, ponieważ są one wyrównywane przez najmniejsze rozogniskowanie.

Typowy zespół pomiarowy składa się z jednego projektora i co najmniej jednej kamery. W wielu zastosowaniach uznano za przydatne dwie kamery po przeciwnych stronach projektora.

Niewidzialne (lub niedostrzegalne ) światło strukturalne wykorzystuje światło strukturalne bez zakłócania innych zadań widzenia komputerowego, dla których wyświetlany wzór będzie mylący. Przykładowe metody obejmują użycie światła podczerwonego lub bardzo dużej liczby klatek na sekundę naprzemiennie między dwoma dokładnie przeciwnymi wzorami.

Kalibrowanie

Skaner 3D w bibliotece. Panele kalibracji można zobaczyć po prawej stronie.

Zniekształcenia geometryczne powodowane przez optykę i perspektywę muszą być kompensowane przez kalibrację sprzętu pomiarowego przy użyciu specjalnych wzorców i powierzchni kalibracyjnych. Do opisu właściwości obrazowania projektora i kamer używany jest model matematyczny. Zasadniczo oparty na prostych właściwościach geometrycznych kamery otworkowej , model musi również uwzględniać zniekształcenia geometryczne i aberrację optyczną obiektywów projektora i aparatu. Parametry kamery oraz jej orientację w przestrzeni można określić poprzez serię pomiarów kalibracyjnych z wykorzystaniem fotogrametrii regulacja wiązki .

Analiza wzorów pasków

Obserwowane wzory pasków zawierają kilka wskazówek dotyczących głębi. Przemieszczenie dowolnego pojedynczego paska można bezpośrednio przekonwertować na współrzędne 3D. W tym celu należy zidentyfikować pojedynczy pasek, co można na przykład osiągnąć przez śledzenie lub liczenie pasków (metoda rozpoznawania wzoru). Inna popularna metoda projektuje naprzemienne wzory pasków, w wyniku czego binarne kodu Graya identyfikują liczbę każdego pojedynczego paska uderzającego w obiekt. Ważna wskazówka dotycząca głębokości wynika również z różnych szerokości pasków wzdłuż powierzchni obiektu. Szerokość pasa jest funkcją nachylenia części powierzchni, czyli pierwszej pochodna wysokości. Częstotliwość pasków i faza dostarczają podobnych wskazówek i mogą być analizowane za pomocą transformaty Fouriera . Wreszcie, transformata falkowa była ostatnio omawiana w tym samym celu.

W wielu praktycznych zastosowaniach uzyskiwane są serie pomiarów łączące rozpoznawanie wzorców, kody Graya i transformatę Fouriera w celu kompletnej i jednoznacznej rekonstrukcji kształtów.

Zademonstrowano inną metodę, również należącą do obszaru projekcji prążków, wykorzystującą głębię ostrości kamery.

Możliwe jest również wykorzystanie rzutowanych wzorów przede wszystkim jako sposobu wstawiania struktur do scen, w celu zasadniczo fotogrametrycznej akwizycji.

Precyzja i zasięg

Rozdzielczość optyczna metod projekcji prążków zależy od szerokości użytych pasków i ich jakości optycznej. Jest to również ograniczone przez długość fali światła.

Ekstremalne zmniejszenie szerokości pasków okazuje się nieefektywne ze względu na ograniczenia w głębi ostrości, rozdzielczości aparatu i rozdzielczości wyświetlacza. Dlatego metoda przesunięcia fazowego została szeroko ustalona: wykonuje się co najmniej 3, zwykle około 10 ekspozycji z lekko przesuniętymi paskami. Pierwsze teoretyczne dedukcje tej metody opierały się na paskach z modulacją intensywności w kształcie fali sinusoidalnej, ale metody te działają z „prostokątnymi” modulowanymi paskami, dostarczanymi również z wyświetlaczy LCD lub DLP. Dzięki przesunięciu fazowemu można rozróżnić szczegóły powierzchni np. 1/10 odstępu pasków.

Obecna profilometria wzoru pasków optycznych pozwala zatem na rozdzielczość szczegółów do długości fali światła, w praktyce poniżej 1 mikrometra lub, przy większych wzorach pasków, do ok. 1/10 szerokości paska. Jeśli chodzi o dokładność poziomu, interpolacja na kilku pikselach pozyskanego obrazu z kamery może zapewnić niezawodną rozdzielczość wysokości, a także dokładność, aż do 1/50 piksela.

Dowolnie duże obiekty można mierzyć za pomocą odpowiednio dużych wzorów pasków i konfiguracji. Udokumentowano praktyczne zastosowania obejmujące obiekty o wielkości kilku metrów.

Typowe wartości dokładności to:

  • Płaskość powierzchni o szerokości 2 stóp (0,61 m) do 10 mikrometrów (0,00039 cala).
  • komory spalania silnika do 2 mikrometrów (7,9 × 10-5 cali) (podwyższenie), co zapewnia dokładność objętościową 10 razy lepszą niż przy dozowaniu objętościowym .
  • Kształt obiektu o wielkości 2 cali (51 mm), do około 1 mikrometra (3,9 × 10-5 cali )
  • Promień krawędzi ostrza np. 10 mikrometrów (0,00039 cala), do ±0,4 μm

Nawigacja

Ponieważ ta metoda może mierzyć kształty tylko z jednej perspektywy na raz, kompletne kształty 3D muszą być łączone z różnych pomiarów pod różnymi kątami. Można to osiągnąć, dołączając punkty znaczników do obiektu, a następnie łącząc perspektywy, dopasowując te znaczniki. Proces można zautomatyzować, montując obiekt na zmotoryzowanym stole obrotowym lub urządzeniu pozycjonującym CNC . Znaczniki można równie dobrze nakładać na urządzenie pozycjonujące zamiast na sam obiekt.

Zebrane dane 3D można wykorzystać do odzyskania danych CAD (projektowanie wspomagane komputerowo) i modeli z istniejących komponentów ( inżynieria odwrotna ), ręcznie formowanych próbek lub rzeźb, obiektów naturalnych lub artefaktów.

Wyzwania

Podobnie jak w przypadku wszystkich metod optycznych, powierzchnie odblaskowe lub przezroczyste stwarzają trudności. Odbicia powodują, że światło jest odbijane albo od aparatu, albo prosto do jego optyki. W obu przypadkach zakres dynamiki kamery może zostać przekroczony. Przezroczyste lub półprzezroczyste powierzchnie również sprawiają duże trudności. W takich przypadkach powszechną praktyką jest powlekanie powierzchni cienkim nieprzezroczystym lakierem tylko do celów pomiarowych. Najnowsza metoda radzi sobie z przedmiotami silnie odblaskowymi i lustrzanymi poprzez wstawienie 1-wymiarowego dyfuzora między źródłem światła (np. projektorem) a skanowanym obiektem. Zaproponowano alternatywne techniki optyczne do obsługi obiektów doskonale przezroczystych i lustrzanych.

Podwójne odbicia i wzajemne odbicia mogą spowodować, że wzór pasków zostanie pokryty niepożądanym światłem, całkowicie eliminując szansę na prawidłowe wykrycie. Wnęki odbijające światło i wklęsłe przedmioty są zatem trudne w obsłudze. Ze względu na zjawisko rozpraszania podpowierzchniowego trudno jest również obchodzić się z półprzezroczystymi materiałami, takimi jak skóra, marmur, wosk, rośliny i tkanka ludzka. Ostatnio społeczność zajmująca się wizją komputerową podjęła wysiłek, aby poradzić sobie z tak złożonymi optycznie scenami poprzez ponowne zaprojektowanie wzorców oświetlenia. Metody te dały obiecujące wyniki skanowania 3D w przypadku tradycyjnie trudnych obiektów, takich jak wklęsłości metalowe o wysokim połysku i półprzezroczyste świece woskowe.

Prędkość

Chociaż w przypadku większości wariantów światła strukturalnego na jedno zdjęcie trzeba wykonać kilka wzorów, dostępne są szybkie implementacje dla wielu zastosowań, na przykład:

  • Precyzyjna kontrola komponentów w trakcie procesu produkcyjnego.
  • Zastosowania w opiece zdrowotnej, takie jak pomiar na żywo kształtów ludzkiego ciała lub mikrostruktur ludzkiej skóry.

Zaproponowano zastosowania filmowe, na przykład pozyskiwanie danych przestrzennych scen dla telewizji trójwymiarowej.

Aplikacje

  • Przemysłowe systemy metrologii optycznej (ATOS) firmy GOM GmbH wykorzystują technologię światła strukturalnego w celu osiągnięcia wysokiej dokładności i skalowalności pomiarów. Systemy te wyposażone są w funkcję samokontroli stanu kalibracji, dokładności transformacji, zmian środowiskowych i ruchu części, aby zapewnić wysoką jakość danych pomiarowych.
  • Google Project Tango SLAM ( Jednoczesna lokalizacja i mapowanie ) z wykorzystaniem technologii głębi, w tym Structured Light, Time of Flight i Stereo. Time of Flight wymaga użycia projektora na podczerwień (IR) i czujnika podczerwieni; Stereo nie.
  • MainAxis srl produkuje skaner 3D wykorzystujący zaawansowaną opatentowaną technologię, która umożliwia skanowanie 3D w pełnym kolorze i czasie akwizycji rzędu kilku mikrosekund, wykorzystywanych w zastosowaniach medycznych i innych.
  • Technologia firmy PrimeSense , używana we wczesnej wersji Microsoft Kinect , wykorzystywała wzór rzutowanych punktów podczerwieni do generowania gęstego obrazu 3D. (Później Microsoft Kinect przełączył się na używanie kamery czasu przelotu zamiast światła strukturalnego).
  • Potyliczny
    • Czujnik struktury wykorzystuje wzór wyświetlanych punktów podczerwieni, skalibrowanych w celu zminimalizowania zniekształceń w celu wygenerowania gęstego obrazu 3D.
    • Structure Core wykorzystuje kamerę stereo, która dopasowuje się do losowego wzoru wyświetlanych punktów podczerwieni, aby wygenerować gęsty obraz 3D.
  • Intel RealSense wyświetla serię wzorów w podczerwieni, aby uzyskać strukturę 3D.
  • Face ID działa na zasadzie projekcji ponad 30 000 kropek podczerwieni na twarz i tworzenia trójwymiarowej mapy twarzy.
  • Czujnik VicoVR wykorzystuje wzór punktów podczerwieni do śledzenia szkieletu.
  • Firma Chiaro Technologies wykorzystuje pojedynczy zaprojektowany wzór punktów podczerwieni o nazwie Symbolic Light do przesyłania strumieniowego chmur punktów 3D do zastosowań przemysłowych
  • Sprzedaż detaliczna mody szytej na miarę
  • 3D- Zautomatyzowana kontrola optyczna
  • Precyzyjny pomiar kształtu dla kontroli produkcji (np. łopatek turbin)
  • Inżynieria odwrotna (uzyskanie precyzyjnych danych CAD z istniejących obiektów)
  • Pomiar objętości (np. objętość komory spalania w silnikach)
  • Klasyfikacja materiałów ściernych i narzędzi
  • Precyzyjny pomiar struktury powierzchni gruntu
  • Wyznaczanie promienia ostrzy narzędzi skrawających
  • Precyzyjny pomiar płaskości
  • Dokumentowanie obiektów dziedzictwa kulturowego
  • Przechwytywanie środowisk do gier w rozszerzonej rzeczywistości
  • Pomiar powierzchni skóry w kosmetyce i medycynie
  • Pomiar kształtu ciała
  • Inspekcje kryminalistyczne
  • Struktura i chropowatość nawierzchni drogowej
  • Pomiar zmarszczek na tkaninie i skórze
  • Strukturalna mikroskopia iluminacyjna
  • Pomiar topografii ogniw słonecznych
  • System wizyjny 3D umożliwia robotowi e-fulfillment firmy DHL

Oprogramowanie

  • 3DUNDERWORLD SLS – OTWARTE ŹRÓDŁO
  • Skaner 3D DIY oparty na świetle strukturalnym i wizji stereo w języku Python
  • SLStudio — światło strukturalne czasu rzeczywistego typu open source

Zobacz też

Źródła

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Structured-light_3D_scanner&oldid=1135099901 ”