Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Структурированного свет 3D сканер является сканирование 3D - устройством для измерения трехмерной формы объекта с использованием проецируемого света шаблонов и камерой системы. [1]

Принцип [ править ]

Проецирование узкой полосы света на поверхность трехмерной формы создает линию освещения, которая кажется искаженной с других точек зрения, чем у проектора, и может использоваться для геометрической реконструкции формы поверхности (светового участка).

Более быстрый и универсальный метод - это проецирование рисунков, состоящих из множества полос одновременно, или из произвольных полос, поскольку это позволяет получить одновременно множество образцов. Если смотреть с разных точек зрения, узор кажется геометрически искаженным из-за формы поверхности объекта.

Хотя возможны многие другие варианты проецирования структурированного света , широко используются узоры из параллельных полос. На рисунке показана геометрическая деформация одиночной полосы, спроецированной на простую трехмерную поверхность. Смещение полос позволяет точно получить трехмерные координаты любых деталей на поверхности объекта.

Генерация световых узоров [ править ]

Система записи рисунка бахромы с 2 камерами (избегая препятствий)

Установлены два основных метода создания полосового рисунка: лазерная интерференция и проекция.

Метод лазерной интерференции работает с двумя широкими планарными фронтами лазерного луча. Их интерференция приводит к регулярным, равноудаленным линиям. Изменяя угол между этими лучами, можно получить рисунок разного размера. Этот метод позволяет легко и точно создавать очень тонкие узоры с неограниченной глубиной резкости. Недостатками являются высокая стоимость реализации, трудности с обеспечением идеальной геометрии луча и типичные для лазера эффекты, такие как спекл-шум и возможное самоинтерференции частей луча, отраженных от объектов. Как правило, нет средств модуляции отдельных полос, таких как коды Грея.

Метод проецирования использует некогерентный свет и в основном работает как видеопроектор . Узоры обычно создаются путем прохождения света через цифровой пространственный модулятор света , обычно на основе одной из трех наиболее распространенных в настоящее время технологий цифрового проецирования: пропускающего жидкого кристалла , отражающего жидкого кристалла на кремнии (LCOS) или цифровой обработки света (DLP; движущееся микрозеркало) ) модуляторы, которые имеют различные сравнительные преимущества и недостатки для этого приложения. Однако могли использоваться и другие методы проецирования.

Узоры, создаваемые проекторами цифровых дисплеев, имеют небольшие неоднородности из-за границ пикселей на дисплеях. Однако достаточно маленькими границами можно практически пренебречь, так как они сглаживаются малейшей расфокусировкой.

Типичная измерительная установка состоит из одного проектора и как минимум одной камеры. Для многих приложений используются две камеры на противоположных сторонах проектора.

Невидимый (или неуловимый ) структурированный свет использует структурированный свет, не мешая другим задачам компьютерного зрения, для которых проецируемый узор может сбивать с толку. Примеры методов включают использование инфракрасного света или чрезвычайно высокой частоты кадров, чередующихся между двумя совершенно противоположными узорами. [2]

Калибровка [ править ]

3D-сканер в библиотеке. Панели калибровки можно увидеть справа.

Геометрические искажения оптики и перспективы необходимо компенсировать калибровкой измерительного оборудования с использованием специальных калибровочных шаблонов и поверхностей. Математическая модель используется для описания свойств изображения проектора и камеры. По сути, основанная на простых геометрических свойствах камеры-обскуры , модель также должна учитывать геометрические искажения и оптические аберрации линз проектора и камеры. Параметры камеры, а также ее ориентацию в пространстве можно определить серией калибровочных измерений с использованием фотограмметрической настройки пучка .

Анализ рисунков полос [ править ]

В наблюдаемых полосах есть несколько признаков глубины. Смещение любой отдельной полосы можно напрямую преобразовать в трехмерные координаты. Для этого необходимо идентифицировать отдельную полосу, что может быть выполнено, например, путем отслеживания или подсчета полос (метод распознавания образов). Другой распространенный метод проецирует чередующиеся узоры полос, в результате чего двоичные последовательности кода Грея идентифицируют количество каждой отдельной полосы, попадающей на объект. Важный признак глубины также возникает из-за различной ширины полос вдоль поверхности объекта. Ширина полосы зависит от крутизны участка поверхности, то есть от первой производной высоты. Частота и фаза полосы доставляют аналогичные сигналы и могут быть проанализированы с помощью преобразования Фурье.. Наконец, с той же целью недавно обсуждалось вейвлет-преобразование .

Во многих практических реализациях серии измерений, сочетающих распознавание образов, коды Грея и преобразование Фурье, получают для полного и однозначного восстановления форм.

Был продемонстрирован другой метод, также относящийся к области проекции полос, использующий глубину резкости камеры. [3]

Также возможно использовать проецируемые шаблоны в первую очередь как средство вставки структуры в сцены, по существу, для фотограмметрического получения.

Точность и дальность [ править ]

Оптическое разрешение методов проецирования полос зависит от ширины используемых полос и их оптического качества. Он также ограничен длиной волны света.

Сильное уменьшение ширины полосы оказывается неэффективным из-за ограничений по глубине резкости, разрешению камеры и разрешению дисплея. Поэтому метод фазового сдвига получил широкое распространение: по крайней мере, 3, обычно около 10 снимков делается со слегка смещенными полосами. Первые теоретические выводы этого метода основывались на полосах с модуляцией интенсивности синусоидальной формы, но методы работают и с «прямоугольными» модулированными полосами, которые также поступают с ЖК-дисплеев или дисплеев DLP. Посредством фазового сдвига может быть разрешена детализация поверхности, например, 1/10 шага полосы.

Таким образом, современная профилометрия с оптическими полосами позволяет получить разрешение деталей вплоть до длины волны света, на практике менее 1 микрометра или, с более крупными полосами, до прибл. 1/10 ширины полосы. Что касается точности уровня, интерполяция по нескольким пикселям полученного изображения камеры может дать надежное разрешение по высоте, а также точность вплоть до 1/50 пикселя.

Объекты сколь угодно большого размера можно измерить с помощью соответственно больших полос и настроек. Документировано практическое применение с объектами размером несколько метров.

Типичные показатели точности:

  • Плоскостность поверхности шириной 2 фута (0,61 м) до 10 микрометров (0,00039 дюйма).
  • Форма камеры сгорания двигателя до 2 микрометров (7,9 × 10 -5 дюймов  ) (высота), что дает точность измерения объема в 10 раз лучше, чем при объемном дозировании.
  • Форма объекта от 2 дюймов (51 мм) до 1 микрометра (3,9 × 10 -5 дюймов  )
  • Радиус лезвия, например, от 10 микрометров (0,00039 дюйма) до ± 0,4 мкм

Навигация [ править ]

3D осмотр автокресла

Поскольку с помощью этого метода можно измерять формы только с одной точки зрения, необходимо комбинировать полные трехмерные формы из разных измерений под разными углами. Это может быть достигнуто путем прикрепления маркеров к объекту и последующего объединения перспектив путем сопоставления этих маркеров. Процесс можно автоматизировать, установив объект на моторизованный поворотный стол или позиционирующее устройство с ЧПУ . Маркеры также могут быть нанесены на устройство позиционирования, а не на сам объект.

Собранные трехмерные данные могут использоваться для извлечения данных и моделей САПР (автоматизированного проектирования) и моделей из существующих компонентов ( обратный инжиниринг ), образцов или скульптур ручной работы, природных объектов или артефактов.

Проблемы [ править ]

Как и в случае со всеми оптическими методами, возникают трудности с использованием отражающих или прозрачных поверхностей. Отражения заставляют свет отражаться либо от камеры, либо прямо в ее оптику. В обоих случаях динамический диапазон камеры может быть превышен. Прозрачные или полупрозрачные поверхности также вызывают большие трудности. В этих случаях покрытие поверхностей тонким непрозрачным лаком только для измерения является обычной практикой. В недавно появившемся методе обработки сильно отражающих и зеркальных объектов вставляется одномерный рассеиватель между источником света (например, проектором) и сканируемым объектом. [4] Для работы с идеально прозрачными и зеркальными объектами были предложены альтернативные оптические методы. [5]

Двойные отражения и взаимные отражения могут привести к наложению полосового рисунка на нежелательный свет, что полностью исключает возможность правильного обнаружения. Поэтому с отражающими полостями и вогнутыми предметами трудно обращаться. Также трудно обращаться с полупрозрачными материалами, такими как кожа, мрамор, воск, растения и человеческие ткани из-за явления подповерхностного рассеяния. В последнее время в сообществе компьютерного зрения были предприняты попытки справиться с такими оптически сложными сценами путем изменения схемы освещения. [6] Эти методы показали многообещающие результаты 3D-сканирования традиционно сложных объектов, таких как сильно зеркальные металлические вогнутости и полупрозрачные восковые свечи. [7]

Скорость [ править ]

Несмотря на то, что в большинстве вариантов структурированного освещения для каждого изображения необходимо создавать несколько шаблонов, высокоскоростные реализации доступны для ряда приложений, например:

  • Встроенный прецизионный контроль компонентов в процессе производства.
  • Приложения для здравоохранения, такие как живое измерение формы человеческого тела или микроструктуры человеческой кожи.

Были предложены приложения для кинофильмов, например получение данных пространственной сцены для трехмерного телевидения.

Приложения [ править ]

  • Промышленные оптические метрологические системы (ATOS) от GOM GmbH используют технологию структурированного света для достижения высокой точности и масштабируемости измерений. Эти системы обладают функцией самоконтроля состояния калибровки, точности преобразования, изменений окружающей среды и перемещения деталей для обеспечения высококачественных данных измерений. [8]
  • Google Project Tango SLAM ( одновременная локализация и отображение ) с использованием технологий глубины, включая структурированный свет, время полета и стерео. Time of Flight требует использования инфракрасного (ИК) проектора и ИК-датчика; Стерео нет.
  • Технология PrimeSense , которая использовалась в ранней версии Microsoft Kinect , использовала шаблон проецируемых инфракрасных точек для создания плотного трехмерного изображения. (Позже Microsoft Kinect перешла на использование времяпролетной камеры вместо структурированного света.)
  • Затылочный
    • Датчик структуры использует образец проецируемых инфракрасных точек, откалиброванных для минимизации искажений для создания плотного трехмерного изображения.
    • Structure Core использует стереокамеру, которая сопоставляется со случайным рисунком проецируемых инфракрасных точек для создания плотного трехмерного изображения.
  • Камера Intel RealSense проецирует серию инфракрасных изображений для получения трехмерной структуры.
  • Система Face ID работает путем проецирования более 30 000 инфракрасных точек на лицо и создания трехмерной карты лица.
  • Датчик VicoVR использует набор инфракрасных точек для отслеживания скелета.
  • Chiaro Technologies использует единый разработанный шаблон инфракрасных точек под названием Symbolic Light для потоковой передачи трехмерных облаков точек для промышленных приложений.
  • Сделано на заказ в розничной торговле модной одеждой
  • 3D- автоматический оптический контроль
  • Прецизионное измерение формы для производственного контроля (например, лопатки турбины)
  • Обратный инжиниринг (получение точных данных САПР из существующих объектов)
  • Измерение объема (например, объема камеры сгорания в двигателях)
  • Классификация шлифовальных материалов и инструментов
  • Прецизионное измерение структуры шлифованных поверхностей
  • Определение радиуса лезвий режущего инструмента
  • Прецизионное измерение планарности
  • Документирование объектов культурного наследия
  • Захват среды для игр с дополненной реальностью
  • Измерение поверхности кожи для косметики и медицины
  • Измерение формы тела
  • Судебно-медицинские проверки
  • Структура и шероховатость дорожного покрытия
  • Измерение морщин на ткани и коже
  • Структурированная осветительная микроскопия
  • Измерение топографии солнечных элементов [9]
  • Система трехмерного зрения позволяет использовать робота DHL для электронного исполнения заказов [10]

Программное обеспечение [ править ]

  • 3DUNDERWORLD SLS - ОТКРЫТЫЙ ИСТОЧНИК [11]
  • Сделай сам 3D-сканер на основе структурированного света и стереозрения на языке Python [12]
  • SLStudio - структурированный свет в реальном времени с открытым исходным кодом [13]

См. Также [ править ]

  • Карта глубины
  • Лазерный сканер динамического диапазона
  • Лидар
  • Дальность изображения
  • Kinect
  • Времяпролетная камера
  • Световой столик - это приборная установка, предназначенная в первую очередь для захвата отражательной способности, но она также применяется в виртуальной кинематографии для получения геометрии и текстуры целей аналогично 3D-сканеру структурированного света.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Борко Furht (2008). Энциклопедия мультимедиа (2-е изд.). Springer. п. 222. ISBN. 978-0-387-74724-8.
  2. ^ Фофи, Дэвид; Т. Слива; Ю. Вуазен (январь 2004 г.). «Сравнительный обзор невидимого структурированного света» (PDF) . Электронная визуализация SPIE - Применение машинного зрения в промышленном контроле XII . Сан-Хосе, США. С. 90–97.
  3. ^ "Tiefenscannende Streifenprojektion (DSFP) mit 3D-Kalibrierung" . Штутгартский университет (на немецком языке). Архивировано из оригинала 9 апреля 2013 года .
  4. ^ Шри К. Наяр и Мохит Гупта, Рассеянный структурированный свет, Proc. Международная конференция IEEE по компьютерной фотографии, 2012 г.
  5. ^ Eron Штегер & Kiriakos Н. Kutulakos (2008). "Теория преломляющей и зеркальной трехмерной формы путем триангуляции светового пути" . Int. J. Компьютерное зрение, т. 76, нет. 1.
  6. ^ Мохит Гупта, Amit Agrawal, Ashok Veeraraghavan и Сриниваса Г. Нарасимхан (2011). «Измерение формы при наличии взаимных отражений, подповерхностного рассеяния и расфокусировки» . Proc. CVPR.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ Мохит Гупта; Шри К. Наяр (2012). «Микрофазовый сдвиг» . Proc. CVPR.
  8. ^ "ATOS - Промышленная технология 3D-сканирования" . GOM GmbH . Проверено 9 июля 2018 .
  9. ^ WJ Валецки, F Szondy и MM Хилал, «Быстро рядный рельеф поверхность метрология позволяют рассчитать напряжения для солнечной ячейки производства для пропускнойв избытке 2000 пластин в час» 2008 MEAS. Sci. Technol. 19 025302 (6PP) DOI : 10,1088 / 0957-0233 / 19/2/025302
  10. ^ https://www.therobotreport.com/3d-vision-dhl-fulfillment-robot/
  11. ^ Кириак Herakleous & Charalambos Poullis (2014). «3DUNDERWORLD-SLS: система сканирования структурированного света с открытым исходным кодом для быстрого получения геометрических данных». arXiv : 1406.6595 [ cs.CV ].
  12. ^ Хесам Х. (2015). «Сделай сам 3D-сканер на основе структурированного света и стереозрения на языке Python» .
  13. ^ Дж. Вильм; и другие. (2014). «SLStudio: среда с открытым исходным кодом для структурированного освещения в реальном времени». DOI : 10.1109 / IPTA.2014.7002001 .

Источники [ править ]

  • Фехтелер, П., Эйсерт, П., Рураинский, Дж.: 3D-сканирование лица с быстрым и высоким разрешением . ICIP 2007
  • Фехтелер, П., Айсерт, П.: Адаптивная цветовая классификация для структурированных световых систем Proc. CVPR 2008
  • Лю Кай, Ван Юнчан, Лау Даниэль Л., Хао Ци, Хассебрук Лоуренс Г. (2010). «Двухчастотная схема для высокоскоростного трехмерного измерения формы» (PDF) . Оптика Экспресс . 18 (5): 5229–5244. Bibcode : 2010OExpr..18.5229L . DOI : 10.1364 / oe.18.005229 . PMID  20389536 . Архивировано из оригинального (PDF) 13 мая 2011 года.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Кай Лю, Юнчан Ван, Даниэль Л. Лау, Ци Хао, Лоуренс Г. Хассебрук: Гамма-модель и ее анализ для профилометрии фазовых измерений . J. Opt. Soc. Являюсь. А, 27: 553-562, 2010 г.
  • Юнчан Ван, Кай Лю, Даниэль Л. Лау, Ци Хао, Лоуренс Г. Хассебрук: Стратегия максимального отношения сигнал / шум для методов фазового сдвига в структурированном световом освещении , J. Opt. Soc. Являюсь. А, 27 (9), стр. 1962–1971, 2010 г.
  • Пэн Т., Гупта С.К. (2007). «Модель и алгоритмы построения облака точек с использованием цифровых проекционных шаблонов» (PDF) . Журнал вычислительной техники и информатики в инженерии . 7 (4): 372–381. CiteSeerX  10.1.1.127.3674 . DOI : 10.1115 / 1.2798115 .
  • Хоф, К., Хоперманн, Х .: Сравнение реплик и измерений микротопографии кожи человека in vivo Университет Федеральных вооруженных сил, Гамбург
  • Франковски, Г., Чен, М., Хут, Т .: Измерение трехмерной формы в реальном времени с помощью цифровой проекции полосы от Texas Instruments Micromirror Devices (DMD) Proc. SPIE-Vol. 3958 (2000), стр. 90–106.
  • Франковски, Г., Чен, М., Хут, Т .: Оптическое измерение трехмерных координат и объема камеры сгорания головок цилиндров двигателя Proc. "Бахрома 2001", стр. 593–598.
  • Ч. Дже, С. Ли и Р.-Х. Схема перестановки цветных полос Park для быстрой визуализации в диапазоне структурированного света . Optics Communications, том 285, выпуск 9, стр. 2320-2331, 1 мая 2012 г.
  • Ч. Дже, С. Ли и Р.-Х. Парк. Высококонтрастный узор из цветных полос для быстрой визуализации в диапазоне структурированного света . Компьютерное зрение - ECCV 2004, LNCS 3021, стр. 95–107, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 10 мая 2004 г.
  • Елена Стойкова, Яна Харизанова, Вентеслав Сайнов: Профилометрия проекции паттернов для измерения трехмерных координат динамических сцен. В: Трехмерное телевидение, Springer, 2008, ISBN 978-3-540-72531-2 
  • Song Zhang, Peisen Huang: 3D-измерение формы с высоким разрешением в реальном времени (докторская диссертация, Stony Brook Univ., 2005)
  • Тао Пэн: алгоритмы и модели для трехмерного измерения формы с использованием цифровых проекций полос (докторская диссертация, Мэрилендский университет, США, 2007)
  • W. Wilke: Segmentierung und Approximation großer Punktwolken (Диссертация Univ. Darmstadt, 2000)
  • Г. Виора: Optische 3D-Messtechnik Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren (диссертация Univ. Heidelberg, 2001)
  • Клаус Кёрнер, Ульрих Дросте: Штутгартский университет Tiefenscannende Streifenprojektion (DSFP) (дальнейшие ссылки на английском языке на сайте)
  • Р. Морано, К. Озтюрк, Р. Конн, С. Дубин, С. Циц, Дж. Ниссано, «Структурированный свет с использованием псевдослучайных кодов», IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 20 (3) (1998) 322–327

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Fringe 2005, 5-й международный семинар по автоматической обработке рисунков бахромы Берлин: Springer, 2006. ISBN 3-540-26037-4 ISBN 978-3-540-26037-0