اسکنر سه بعدی
فهرست مطالب
3
تعریف اسکنر سه بعدی
1
اسکنرهای سه بعدی ابزارهایی هستند که برای جمع آوری اطلاعات در مورد شکل، ظاهر (مثل رنگ) و فاصله (عمق) اجسام سه بعدی یا در حالت کلی دنیای واقعی مورد استفاده قرار می گیرند. به کمک اطلاعات جمع آوری شده و بهره گیری از روابط هندسی و ریاضی، می توان مدل سه بعدی کامپیوتری جسم اسکن شده را ایجاد کرد. این مدل شامل ابعاد دقیق جسم می باشد؛ حتی می توان فاصله بین دو نقطه را نیز به طور دقیق اندازه گیری کرد. شکل زیر نمونه ای از یک اسکن سه بعدی را نشان می دهد. به عنوان تعریفی علمی، هدف اصلی یک اسکنر سه بعدی، ایجاد ابر نقاط از صفحه های هندسی است که تشکیل یک شکل سه بعدی را می دهند. با استفاده از این ابر نقاطو عملیات برونیابی و ترفندهای پردازش تصویر می توان شکل سه بعدی جسم مورد اسکن را تشکیل داد. به این روند بازسازی جسم سه بعدی گفته می شود.
انواع اسکنر سه بعدی: روش های فعال و غیر فعال
2
انواع اسکنرهای سه بعدی
روش های مختلفی برای استخراج پروفایل سه بعدی اجسام وجود دارد. این روش ها به دو دسته کلی فعال و غیر فعال تقسیم بندی می شوند.
روش فعال به روش هایی اطلاق می شود که از یک منبع انتشار انرژی ساختار یافته معین مثل منابع تابش الگوهای مختلف نوری و همچنین از یک آشکارساز مثل دوربین، برای استخراج مدل سه بعدی جسم استفاده می کنند.
اسکنرهای لیزری یکی از متداول ترین تکنیک های بینایی فعال می باشند که با ایجاد حرکت کنترل شده بین لیزر و جسم، تمام سطح جسم اسکن می شود. با توجه به رابطه هندسی مشخص بین منبع نور، جسم و الگوی نور تابشی روی سطح جسم، اندازه گیری سه بعدی امکان پذیر می گردد.
در مقابل، جهت اندازه گیری ابعاد اجسام در روش های غیرفعال مثل بینایی استریو، از منبع انرژی ساختار یافته مشخصی استفاده نمی شود.
اساسی ترین اصل مورد استفاده جهت بازیابی مدل اجسام توسط اسکنرهای سه بعدی، الگوریتم مثلث بندی می باشد.
در روش های فعال، مثلث مذکور از ارتباط هندسی بین منبع نور، جسم و آشکارساز ایجاد می شود در حالیکه در روش های غیر فعال مثل بینایی استریو، این مثلث بین جسم و دو دوربین شکل می گیرد و منبع نوری ساختار یافته ای در این الگوریتم دخیل نمی باشد.
7
K.M. Sreenivasa, L.S. Melvyn, N.S. Lyndon and M. Sagar, An overview of passive and active vision techniques for hand-held 3d data aquasion, Optical metrology, Imaging and Machine vision, Proceeding of SPIE, Vol. 4877, pp:16-27, 2003.
8
استفاده از روش های غیر فعال در بینایی سه بعدی از مدت ها برروی چندین تصویر دیجیتالی (بینایی استریو) جهت بازیابی مدل معمول بوده است.
این نوع از اسکنر ها هیچ گونه اشعه ای را از خود ساطع نمی کنند، بلکه برای تشخیص شیء مورد نظر، بر انعکاس تابش نور محیط تکیه می کنند.
اکثر اسکنرهای این دسته برای استخراج ابعاد از نور مرئی استفاده می کنند، زیرا به راحتی در دسترس می باشد. استفاده از نورهای دیگر مثل لیزر نیز می تواند برای کارکرد بهتر این اسکنرها مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله روش های غیر فعال می توان به موارد زیر اشاره نمود:
1- استخراج مدل سه بعدی با استفاده از تصاویر استریو
2-استخراج مدل سه بعدی با استفاده از سایه ها
3-استخراج مدل سه بعدی با استفاده از بافت
4-استخراج مدل سه بعدی با استفاده از حرکت
5-استخراج مدل سه بعدی با استفاده از طرح پیرامون
روش بینایی استریو یکی از پرکاربردترین روش های غیرفعال است.
روش های غیر فعال
O. Faugeras, Three-Dimensional Computer Vision a Geometric Viewpoint, MIT Press, 663 pages, 1993.
9
در روش فعال از یک منبع انرژی ساختار یافته جهت استخراج مدل سه بعدی اجسام استفاده می شود. سیستم های فعال به طور کلی با توجه به سنسورهای موجود به دو دسته «اندازه گیری فعال با استفاده از سنسورهای تماسی و غیرتماسی» تقسیم بندی می شوند.
سنسورهای تماسی: این سنسورها معمولا همان پروب های تماسی (لمسی) بوده و شامل بازوهایی هستند که به یک اشاره گر باریک وصل می شوند. موقعیت اشاره گر براساس محل اندازه گیری قطعه و رابطه هندسی بین زاویه و طول بازوهای نگهدارنده اشاره گر، تعیین می شود. پروبهای تماسی متناسب با دقت، در محدوده وسیعی از قیمت ها وجود دارند.
سنسورهای غیر تماسی: در این سنسورها با استفاه از منابع مختلف مثل امواج صوتی و یا نوری، ابعاد قطعات استخراج می شود. در اندازه گیری توسط امواج (صوتی یا نوری) با محاسبه زمان رفت و برگشت موج ارسالی بین فرستنده و جسم، عمق نقاط مختلف استخراج می شود. همچنین می توان با تاباندن نورهای متفاوت مثل لیزر روی سطح قطعه و پردازش تصویر (روش مثلثاتی)، مدل سه بعدی از قطعه را بازیابی نمود.
روش های فعال
C. Chichyang, F. Z. Yuan, Passive and active stereo vision for smooth surface detection of deformed plates, IEEE transactions on industrial electronics, Vol. 42, pp:300-306, 1995.
اسکنرهای نورساخت یافته
3
11
در اسکنرهای نقطه ای و خطی از یک سیستم مکانیکی برای جاروب نقطه یا خط لیزر برروی جسم مورد اسکن استفاده می شود، آن ها قیمت بالایی دارند و اندکی مشکل در سیستم مکانیکی می تواند دقت اسکنر را به میزان قابل توجهی تغییر بدهد.
از این رو برای حذف سیستم مکانیکی جاروب، از یک پروژکتور دیتا استفاده می کنند که یک ستون از صفحه پروژکتور به صورت نقاط سفید در زمینه سیاه یا خاکستری برروی جسم تابانده می شود که بتوان با استفاده از آن یک اسکنر خطی ساخت. این روش قیمت اسکنر را پایین می آورد و کنترل آن را ساده می کند. که به آن ها اسکنرهای ساخت یافته می گویند.
اسکنرهای نورساخت یافته
D. Lanman and G. Taubin, “Build your own 3D scanner: 3D photography for beginners,” SIGGRAPH2009, 2009.
12
در حالت کلی برای اسکن یک جسم ثابت با استفاده از روش نورساخت یافته باید سه مرحله طی شود تا بتوانیم به یک مدل کامپیوتری ساده از آن جسم برسیم که مدل تولید شده در کامپیوتر شامل ابعاد دقیق جسم مورد اسکن می باشد. این سه مرحله عبارتند از :
کالیبراسیون دوربین و پروژکتور
جمع آوری دیتا از سطح جسم
بازسازی جسم
روند اسکن یک جسم توسط اسکنر سه بعدی نورساخت یافته
D. Lanman and G. Taubin, “Build your own 3D scanner: 3D photography for beginners,” SIGGRAPH2009, 2009.
13
هدف از کالیبراسیون دوربین و پروژکتور، اطلاع از موقعیت قرار گیری دوربین نسیت به پروژکتور و نحوه نگاشت نقاط از محیط سه بعدی به صفحه دوربین و بالعکس در پروژکتور می باشد.
1-کالیبراسیون دوربین:
کالسیبراسیون دوربین به استخراج یک سری از پارامترهای دوربین اطلاق می شود که با استفاده از آن ها می توان یک نقطه را از محیط سه بعدی (مختصات جهانی) به صفحه تصویر در دوربین (مختصات دوربین) و بالعکس نگاشت داد. پارامترهایی که برای کالیبراسیون در نظر گرفته می شوند، عبارتند از : غیر ذاتی (ماتریس های چرخش و انتقال سیستم های مختصات)، ذاتی (ماتریس پارامترهای ذاتی دوربین A) و اعوجاج لنز (پارامترهای اعوجاج شعاعی و مماسی.
برای استخراج پارامترهای دوربین یا به عبارتی کالیبراسیون آن، روش های مختلفی وجود دارند. به طور کلی می توان آن ها را به دو روش کلی فتوگرامتری و خود-کالیبراسیون تقسیم کرد.
کالیبراسیون دوربین و پروژکتور
Zhang, Zhengyou, “A Flexible New Technique for Camera Calibration,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 22, No. 11, pp. 1330-1334, 2000
14
2-کالیبراسیون پروژکتور:
با بررسی ویژگی های سخت افزاری یک پروژکتور، می توان آن را معکوس یک دوربین انگاشت. در واقع یک دوربین عمل نگاشت را از محیط سه بعدی به محیط دو بعدی (صفحه دوربین) انجام می دهد، در صورتی که یک پروژکتور عمل نگاشت را از محیط دو بعدی (صفحه پروژکتور) به محیط سه بعدی نگاشت می دهد.
در کل برای کالیبراسیون پروژکتور دو روش عمده وجود دارد که یکی استفاده از دوربین کالیبره شده برای کالیبراسیون پروژکتور و دیگری کالیبراسیون همزمان دوربین و پروژکتور در یک اسکنر سه بعدی نور ساخت یافته می باشد.
کالیبراسیون دوربین و پروژکتور
روش اول، کالیبراسیون پروژکتور با استفاده از دوربین کالیبره شده
G. Falcao, N. Hurtos, and J. Massich, “Plane-based calibration of a projector- camera system,” VIBOT, 2008
15
2-کالیبراسیون پروژکتور:
در روش اول، صفحه شطرنجی مورد استفاده در کالیبراسیون بر روی یک سطح صاف بزرگتر چسبانده می شود. موقعیت دوربین و پروژکتور ثابت شده و توسط پروژکتور، یک صفحه شطرنجی برروی فضای خالی سطح صاف تابانده می شود. از سطح صاف چند تصویر گرفته می شود. ابتدا توسط صفحه شطرنجی چسبانده شده دوربین کالیبره می شود و سپس به کمک ماتریس چرخش محاسبه شده برای هر تصویر، موقعیت نقاط تابانیده شده به صورت سه بعدی برروی سطح صاف مشخص می شود. حال با بکارگیری همه مراحلی که برای کالیبراسیون دوربین بیان شد و یافتن انطباق بین موقعیت نقاط تابانیده شده و موقعیت آن ها برروی صفحه ثابت CCD پروژکتور، می توان پروژکتور را نیز کالیبره نمود.
به دلیل خطاهای ایجاد شده در مرحله کالیبراسیون دوربین و انتشار آن به پارامترهای پروژکتور، پیشنهاد می شود که از روش دوم استفاده شود.
کالیبراسیون دوربین و پروژکتور
روش دوم، کالیبراسیون همزمان دوربین و پروژکتور
D. Moreno and G. Taubin, “Simple, accurate, and robust projector-camera calibration,”Second International Conference on 3D Imaging, Modeling, Processing, Visualization and Transmission (3DIMPVT), Switzerland, pp. 464-471, 2012.
16
در یک اسکنر سه بعدی نورساخت یافته، توسط پروژکتور، الگوهایی شامل خطوط افقی یا عمودی که هرکدام می توانند صفحه ای را در فضای سه بعدی تشکیل بدهند، روی جسم می تابانند و سپس از جسم، توسط دوربین عکس می گیرند و با قطع دادن صفحات تابیده به جسم با خطوطی که از صفحه دوربین، می توان به جسم وصل نمود، عمل عمق سنجی را انجام می دهند.
در حالت ساده می توان یک ستون از پیکسل های پروژکتور را روشن و بقیه را خاموش کرد. در این حالت، برای آن که این ستون تمام صفحه پروژکتور را جاروب کند، لازم است تا به تعداد پیکسل های موجود در طول صفحه پروژکتور، الگو تابانده شود و از جسم عکس تهیه شود.
مثلا در یک پروژکتور با سایز صفحه 480*640 نیاز است تا 640 فریم تصویر تهیه شود.
جمع آوری دیتا از سطح جسم
S. K. Mada, M.L. Smith, L.N. Smith, P.S. Midha, overview of passive and active vision techniques for hand-held 3D data acquisition, Proc. SPIE 4877, Opto-Ireland 2002: Optical Metrology, Imaging, and Machine Vision, 16, March 2003.
17
پس از تهیه تصاویر، و استفاده از الگوریتم های پردازش تصویر ساده برای یافتن نقاط جسم، می توانیم عمل بازسازی جسم یا همان عمق سنجی را انجام دهیم تا در نهایت بتوانیم مدلی کامپیوتری از یک قسمت جسم یا کل آن داشته باشیم. در این بازسازی می توان رنگ جسم را نیز اسکن نمود و در تسکیل مدل از آن استفاده نمود. پس از عمق سنجی و اسکن رنگ، می توان به کمک الگوریتم های پردازش تصویر، نقاط گسسته را به مدلی پیوسته تبدیل کرد تا حس مطلوبی به بیننده آن القا شود.
1-عمق سنجی نقاط و استخراج ابر نقاط
1-1-معادله خط از نقاط تصویر دوربین
1-2-معادله صفحه از خط موجود در صفحه پروژکتور
2-پیوسته سازی سطح مدل
بازسازی جسم
S. K. Mada, M.L. Smith, L.N. Smith, P.S. Midha, overview of passive and active vision techniques for hand-held 3D data acquisition, Proc. SPIE 4877, Opto-Ireland 2002: Optical Metrology, Imaging, and Machine Vision, 16, March 2003.
کاربردهای اسکنر سه بعدی
4
19
از گذشته تاکنون اسکنرهای سه بعدی در کاربردهایی همچون صنعتی، پزشکی، هنزی، ترافیکی و … ظاهر شده اند و امروزه غیر از کاربرد وسیعی که در موارد فوق دارند، به عنوان ابزاری نسبتا ارزان قیمت برای سرگرمی مورد استفاده قرار گرفته اند. برخی از کاربردهای مهم و رایج اسکنرهای سه بعدی در ذیل معرفی شده اند:
1-کنترل کیفی قطعات
2-مهندسی معکوس
3-کاربردهای مربوط به دندانپزشکی و دندانسازی
4-کاربردهای ارتوپدی
5-کاربردهای باستان شناسی
6-بازی های رایانه ای و سرگرمی
7-کاربردهای امنیتی
کاربردهای اسکنر سه بعدی
20
به عنوان یکی از مهم ترین کاربردهای صنعتی، اسکنرهای سه بعدی در بسیاری از کارخانه های تولید قطعات خودرو و قعات خاص برای بحث کنترل کیفی و یا بازرسی کیفی به کار می روند. پس از ساخت قطعاتی که از اهمیت ویژه ای برخوردارند، توسط یک اسکنر سه بعدی مورد ارزیابی قرار می گیرند و اگر ابعاد و ویژگی های آن ها منطبق بر ابعاد مورد انتظار باشند، آن ها را روانه بازار مصرف می نمایند و در غیر این صورت به عنوان قطعات معیوب تلقی می شوند.
کنترل کیفی قطعات
😉
A. Schick and M. Kedziora, “Inspection and Process evaluation for Flip Chip Bumping and CSP by scanning 3D confocal microscopy,” Proceedings of the 8th International Symposium on Advanced Packaging Materials, Stone Mountain, GA, pp. 119- 116,2002.
21
یکی از عمده کاربردهای اسکنرهای سه بعدی استفاده از آن ها برای مهندسی معکوس قطعات مکانیکی می باشد. در بسیاری از صنایع و در موقعیت هایی که به دلیل تحریم، خرید قطعات از تولید کنندگان امکان پذیر نمی باشد، صنایع ملزم به مهندسی معکوس قطعات می شوند. در این کاربرد، قطعات موجود توسط اسکنرهای سه بعدی اسکن شده و مدل سه بعدی با ابعاد دقیق در نرم افزارهای CAD/CAM ایجاد می شود و سپس با دستگاه های CNC یا پرینترهای سه بعدی آن ها راتولید می کنند.
مهندسی معکوس
P. Champ, “Reverse engineering in industrial applications using laser stripe triangulation,” IEE Colloquium on 3D Imaging and Analysis of Depth/Range Images , London,pp. 4/1-4/4, March 1994
معرفی مقاله
5
در این مقاله، یک اسکنر سه بعدی مبتنی بر انعکاس طوق دیجیتالی ایجاد شد تا داده های ابر نقطه ای سه بعدی را به دست بیاورد. دقت اسکنر ارزیابی شد. روش های مختلف برای انطباق دادن چند نمایی ابرهای نقطه ای با توجه به یک چارچوب مختصات جهانی برای یک اسکنر سه بعدی ربات، ارائه شدند. مزایای اصلی این روش ها این ها هستند: 1-هیچ ابزار گران قیمتی برای انطباق دادن چند نمایی مورد نیاز نمی باشد. 2-فرآیند انطباق دادن می تواند به صورت کامل خودکار شود. 3-روش های مناسب می توانند براساس ویژگی های سطحی مولفه و نیازمندی های دقت، انتخاب شوند.
23
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی
6
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی
1-روش چند فرکانسی تکراری
26
تکنیک تداخل سنجی تغییر فاز (PSI) به طور گسترده در مترولوژی نوری مورد استفاده قرار می گیرد [7]. در PSI، مجموعه ای از الگوهای طوقی سینوسی کدگذاری شده فازی ایجاد شده توسط تداخل، بر روی مولفه ها منعکس می شوند.
در نورافکنی طوقی دیجیتالی(DFP)، به جای الگوهای تداخل، الگوهای طوقی تولید شده توسط رایانه همان طور که توسط معادله (1) شرح داده می شوند، به طور مستقیم توسط یک پروژکتور نوری دیجیتال طراحی می شوند. رزولوشن فضایی بالا می تواند با تغییر فاز به صورت پیکسل به پیکسل به دست بیاید و طوق های سینوسی نسبت به بازتابنده سطح، کمتر حساس است
با این وجود، فاز حاصله از یک مجموعه از الگوهای طوقی، مقادیر فاز را با اختلالات 2π ارائه می دهد. فاز بسته شده باید برای بدست آوردن نقشه فاز مطلق، باز شود.
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی (DFP)
1-روش چند فرکانسی تکراری
27
در یک الگوریتم باز کردن موقتی، یک سری از الگوهای طوقی چندگانه از فرکانس های مختلف f منعکس می شوند و فاز مطلق با استفاده از تکنیک چند فرکانسی N قدمی، بهبود پیدا می کند. ]8[
در الگوریتم باز کردن فاز چند فرکانسی تکراری، در مجموع 5 فرکانس طوقی در جهت افقی و عمودی استفاده می شود. تصاویر تغییر داده شده هشت فاز با یک تغییر فاز 2π / 8 و یک دوره طوقی 19 ، برای باز کردن نقشه فازی در مرحله نهایی استفاده می شوند. انتخاب دوره طوقی در جهت افقی و عمودی بر اساس رزولوشن پروژکتور است.
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی
1-روش چند فرکانسی تکراری
28
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی
2-تولید ابر نقطه ای و کالیبراسیون سیستم:
29
مدل سوراخ-پین برای هر دو دوربین و پروژکتور و برای به دست آوردن پارامترهای ذاتی فرض می شود: فاصله کانونی، نقطه اصلی، فاکتور انحراف پیکسل و اندازه پیکسل؛ و پارامترهای غیر ذاتی: چرخش و ترجمه از سیستم مختصات جهانی به سیستم مختصات دوربین. در این تنظیمات، پروژکتور به عنوان یک دوربین معکوس در نظر گرفته می شود. بنابراین دوربین و پروژکتور به عنوان یک جفت استریو در نظر گرفته می شوند. پارامترهای ذاتی و غیر ذاتی جفت استریو با استفاده از کالیبراسیون استریو به دست می آیند. در طول فرایند کالیبراسیون، نه تنها تصویر ساده کالیبراسیون، بلکه همچنین نقشه فازی کالیبراسیون با انعکاس انواعی از تصاویر سینوسی [9]، گرفته می شود. در هر تصویر کالیبراسیون ساده، چندین نقطه کنترلی استخراج می شوند و نقاط پروژکتور معادل از نقشه فازی با استفاده از معادلات (4) و (5)، محاسبه می شوند. پارامترهای کالیبراسیون و ماتریس پایه ای از جفت های نقطه ای مطابق در پیکربندی استریو، بهبود پیدا می کنند.
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی
2-تولید ابر نقطه ای و کالیبراسیون سیستم:
30
در طول فرایند اسکن کردن، مجموعه ای از 40 طوق سینوسی برروی مولفه منعکس می شود تا اسکنر باشد و نقشه فاز مطلق در جهت افقی و عمودی بهبود پیدا کند. برای هر موقعیت پیکسل در تصویر دوربین، پیکسل پروژکتور معادل را می توان با همان روند که در طول کالیبراسیون دنبال می شود محاسبه کرد. همانطور که پارامترهای استریو شناخته می شوند، نقطه سه بعدی هم اکنون می تواند از معادلات (6)، (7) بازیابی شود. مراحل پردازش بازسازی در شکل 2 نشان داده شده اند.
که درآن و به ترتیب معیارهای کالیبراسیون دوربین و پروژکتور هستند و به صورت زیر تعریف می شوند:
اسکن سه بعدی با نورافکنی طوقی دیجیتالی
2-تولید ابر نقطه ای و کالیبراسیون سیستم:
31
مراحل پردازش بازسازی در شکل 2 نشان داده شده اند.
انطباق چند نمایی
7
انطباق چند نمایی
33
برای اسکن کردن مولفه های بزرگ و یا برای به دست آوردن داده ها از مناطق مسدود شده، حرکت نسبی بین اسکنر و مولفه، اجتناب ناپذیر است. در اسکنرهای سه بعدی مبتنی بر DFP، کادر مختصات مجموعه نقاط با سیستم مختصات دوربین {C} هماهنگ می باشد. هنگامی که مولفه یا دوربین حرکت داده می شود، داده های ابر نقطه با نقاط قبلا ضبط شده، ناسازگار می شوند. با توجه به مجموعه ای از نماهای ابر نقطه ای سه بعدی {V}، هماهنگ کردن تمام مجموعه داده ها با یک سیستم هماهنگ ثابت جهانی {G}، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، به عنوان انطباق ابر نقطه شناخته می شوند. برای مجموعه ای از ابرهای نقطه، ماتریس های تبدیل برای هماهنگی آنها، باید تخمین زده شوند.
شکل 3-انطباق دادن چند نما از نقاط
انطباق چند نمایی
34
انطباق دادن با استفاده از دستگاه های ردیابی
تکنیک های استفاده از ردیاب ها برای تخمین پوزیشن اسکنر، نیازی به همپوشانی بین نماهای مجاور نیست. این تکنیک ها نیازی به استفاده از دستگاه های مکان یابی مکانیکی مانند CMM ها، روبات ها، بازوهای دستی یا دستگاه های نوری نظیر ردیاب های نوری استریو، ردیاب های لیزر و غیره ندارند. دقت روش انطباق به دقت دستگاه های ردیابی و دقت روش کالیبراسیون بستگی دارد که تغییر سخت بین سیستم مختصات ردیاب و اسکنر را برآورد می کند. محدودیت های گستره مکانیکی زمینه نوری یا سفری نمای دستگاه های ردیابی، اندازه اجزای اسکن شده را محدود می کنند.
توسعه یک سیستم اسکن سه بعدی نصب شده برای بازرسی خودکار و مهندسی معکوس مولفه ها در بخش بعدی نشان داده شده است.
انطباق چند نمایی
35
اسکنر سه بعدی ربات
اسکنر سه بعدی ساخته شده در خانه بر روی فلنج روباتKUKA KR5 Arc نصب شده است. این یک ربات زنجیره باز 6 محوری از روباتیک KUKA است. این ربات دارای حداکثر دامنه سفر 1500 میلیمتر است. به منظور دقیق سازی اسکنر سه بعدی، پوزیشن اسکنر سه بعدی، به عنوان مثال سیستم مختصات دوربین [C] باید در سیستم مختصات پایه ای ربات، شناخته شده باشد. معادله حرکتی از ربات با استفاده از محصول شناخته شده مدل نمایی در معادله (10) نشان داده شده است.
پوزیشن فلنج در سیستم مختصات مبتنی بر روبات، تا محور انحراف را نشان می دهد و تا زوایای مشترک را نشان می دهد. M پوزیشن فلنج است، هنگامی که کلیه زوایا برابر با صفر می باشند. هنگامی که طول های اتصال و زاویه هر محور شناخته شده باشند، پوزیشن فلنج در سیستم مختصات مبتنی بر ربات، [A]، می تواند محاسبه شود. مقدار ناشناخته در اینجا پوزیشن دوربین با توجه به سیستم مختصات فلنج [X] می باشد. این می تواند با فرآیند کالیبراسیون HandEye شناخته شده محاسبه شود.
انطباق چند نمایی
36
اسکنر سه بعدی ربات
اسکنر سه بعدی ربات
در شکل زیر، تبدیل از پایه ربات به فلنج را نشان می دهد، تبدیل از دوربین به شیء را نشان می دهد و تبدیل ثابت از فلنج روبات به دوربین را نشان می دهد. از آن جایی که پوزیشن ثابت است:
معادله 11 می تواند به صورت زیر تبدیل شود:
که در آن و
انطباق چند نمایی
37
انطباق مبتنی بر ویژگی
تخمین پوزیشن از نماهای دارای قسمتی همپوشانی، یک مشکل از قبل تعریف شده است هنگامی که بیش از سه نقطه مشترک وجود دارد. نقاط مشترک یا ویژگی های مشترک می توانند به طور طبیعی بر روی مولفه ها بیفتند و یا می توانند به صورت مصنوعی با قرار دادن نشانگرهای وابسته به سنجه با شکلی مشخص، تعریف شوند.
انطباق دادن با استفاده از نشانگرهای وابسته به سنجه:
نشانگرهای وابسته به سنجه به طور گسترده در برنامه های AR / VR، سیستم های بازسازی و ردیابی فتوگرامتریک سه بعدی استفاده می شوند. نشانگرهای فعال آنهایی هستند که نور از طول موج خاصی را منتشر می کنند، در حالی که نشانگرهای غیرفعال فقط نور را منعکس می کنند. نشانگرهای غیر فعال با شکل دایره ای همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، در توسعه این فرایند انطباق خودکار استفاده می شدند.
انطباق چند نمایی
38
انطباق مبتنی بر ویژگی
انطباق دادن با استفاده از ویژگی های سطحی
انطباق دادن با استفاده از نقاط ویژگی و توصیف کننده های محلی، یکی از مسائل اساسی در نمای کامپیوتری است. برای مثال، بازسازی سه بعدی از انطباق دادن ویژگی ها در تصاویر چندگانه، ساختار کلاسیک از حرکت یا مساله SLAM قابل مشاهده می باشد. در تصاویر، ساختارهای متمایز از اطراف خود به وسیله تغییرات در رنگ، بافت یا شدت ایجاد می شوند. گوشه ها، حباب ها یا لبه ها معمولا ویژگی های در تصاویر هستند. ویژگی های استفاده شده در ثبت نقطه ابرها مشابه ویژگی های مورد استفاده در تصاویر هستند. در مورد ابرهای سه بعدی نقطه، ویژگی های منحنی و هندسه محلی سطح را توصیف می کند. یک نقطه عادی محاسبه شده از k همسایگی خود، یکی از توصیف گرهای اولیه است. با این حال، چندین نقطه می توانند دارای نقطه گذاری معمول در یک جهت باشند که تخمین نقاط متناظر بین نماهایی که تقریبا همپوشانی دارند، را مبهم می سازند.
آزمایشات
8
آزمایشات
40
تنظیم سیستم اسکنر سه بعدی
تنظیم آزمایشات سیستم اسکن کردن سه بعدی مبتنی بر DFP شامل یک پروژکتور پردازش نور دیجیتالی Wintech PRO4500، و یک دوربین مونوکروم 1600 گرم Basler ACE، می باشد. رزولوشن پروژکتور 1140*912 پیکسل می باشد در حالی که دوربین 1626*1236 پیکسل می باشد. یک لنز طولی متمرکز 16 میلی متری از Navitar، با دوربین مورد استفاده قرار می گیرد.
فاصله کاری برابر با 650 میلی متر با یک عمق تمرکز 150 میلی متری می باشد. حجم کاری اسکنر سه بعدی برابر با 267*209*150 میلی متر می باشد. انعکاس الگو و تهیه تصویر با استفاده از ماشه های سخت افزاری انجام می شود. زمان تهیه برای 40 طوق چند فرکانسی برابر با 3 ثانیه می باشد (جدول 1).
آزمایشات
41
ارزیابی دقت:
به منظور ارزیابی دقت اسکنر سه بعدی مبتنی بر DFP، یک گوی سرامیکی با بعد مشخص اسکن شد. قطر بدست آمده از محدوده کروی نشان دهنده میانگین انحراف 150μm از مقدار اسمی آن است، شکل 8.. دقت اسکنر سه بعدی می تواند در صورتی بهبود پیدا کند که یک الگوی مسطح دقیق برای کالیبراسیون مورد استفاده باشد.
آزمایشات
42
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق با استفاده از کالیبراسیون HandEye:
فرآیند کالیبراسیون:
گام های درگیر در کالیبراسیون HandEye به صورت زیر می باشند:
-صفحه کالیبراسیون را در فضای کاری ربات قرار بدهید.
-اسکنر سه بعدی ربات دار را در تعداد زیادی پوزیشن قرار بدهید، در حالی که صفحه کالیبراسیون در مرکز و در زمینه دید دوربین حفظ می کنید.
-تصویر صفحه کالیبراسیون را در هر پوزیشن بگیرید. پارامترهای غیر ذاتی صفحه کالیبراسیون را محاسبه کنید [B].
-زوایای محور ربات در هر پوزیشن را ضبط کنید و [A] را با استفاده از معادله حرکتی رو به جلو محاسبه کنید. یک روش بهینه سازی غیر خطی در ]12[ مورد استفاده قرار گرفت تا [X] را محاسبه کند.
آزمایشات
43
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق با استفاده از کالیبراسیون HandEye:
فرآیند کالیبراسیون:
آزمایشات
44
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق با استفاده از کالیبراسیون HandEye:
فرآیند انطباق دادن:
یک جعبه دنده از یک هلیکوپتر با استفاده از یک اسکنر سه بعدی اسکن شد. مجموع 31 نما برای ضبط کلیه ویژگی های مورد علاقه مورد نیاز بودند. کلیه نقاط به سیستم مختصات پایه ای ربات با استفاده از پوزیشن روبات و [X] تبدیل فلنج به دوربین، تبدیل می شوند. نتایج در شکل 10 الف نشان داده می شوند.
شکل 10-ب ناحیه بزرگ شده منطقه خاص برروی جعبه دنده را نشان می دهد. این می تواند به وضوح دیده شود که ابرهای نقطه به درستی هماهنگ نیستند. این به دلیل دو عامل می باشد: 1-دقت مطلق ضعیف ربات 2-خطاها از کالیبراسیون HandEye
آزمایشات
45
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق دادن مبتنی بر نشانگر:
روش انطباق مبتنی بر نشانگر پیشنهادی با بازسازی یک تایر قالب آزمایش شد. نشانگرها به صورت رندوم برروی قالب تایر قرار می گیرند. کلیه نشانگرها به طور خودکار شناسایی می شوند و مثلث های مشابه در نماهای همپوشانی شده شناسایی می شوند. یک آستانه 200 میکرومتری برای انطباق دادن استفاده می شود. در طول فرآیند تشخیص نشانگر ها، تناسب بیضی بر روی کانتو تشخیص داده شده اجرا می شود. اگر دایروی بودن نشانگر کمتر از 5/0 باشد، در گام های بعدی در نظر گرفته نمی شود چرا که قرار دهی نقطه ای مرکز برای این هندسه استریو، دارای دقت کمتری خواهد بود. سه نمای قالب تایر، شکل 11-a-c به ترتیب و به صورت تکراری با استفاده از روش ICP متحول می شوند. ابرهای نقطه ای در شکل 11-d نمایش داده می شوند.
آزمایشات
46
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق دادن مبتنی بر نشانگر:
آزمایشات
47
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق دادن مبتنی بر نشانگر:
استخوان فک از دو جهت مختلف اسکن شد و ویژگی های آنها با استفاده از ماژول تشخیص ویژگی در کتابخانه PCL محاسبه شد [16]. مناطق دندان آسیا در فک دارای اشکال متفاوتی نسبت به اطراف هستند. تعداد کل ویژگی های FPFH در ابر نقطه منبع و ابر نقطه هدف نشان داده شده در شکل 12.a به ترتیب 1821 و 1522 می باشند که در جدول 3 نشان داده شده است. ویژگی های مربوطه در ابرهای دو نقطه ای با استفاده از روش RANSAC انطباق داده می شوند و تنها نقطه ویژگی معتبر برای محاسبه ماتریس پایه استفاده می شود. در شکل 12.b دیده می شود که ابر نقطه کاملا انطباق نشده است. شکل 12c مقایسه ابر نقطه با مدل CAD آن نشان داده می شود. مقایسه CAD نشان می دهد که انحرافات از مدل عمدتا در حدود ± 0/5 میلی متر می باشند.
آزمایشات
48
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق دادن مبتنی بر نشانگر:
روش مشابهی برای انطباق دادن دو ابر نقطه ای همپوشانی شده از یک قالب تایر مورد استفاده قرار گرفت. به دلیل حضور ویژگی های کانتور شده بر قالب تایر، تعداد زیاد ویژگی ها در اطراف الگوی گام ها تشخیص داده شدند همانطور که در شکل 13a. نمایش داده شده اند. با این حال از آن جایی که شکل گام ها مشابه می باشد و شکل قالب تایرها متقارن است، تخمین مربوطه مبهم می باشد. انطباق دادن با استفاده از ویژگی ها، نتایج درستی را برای این مولفه تولید نمی کنند، همانطور که می توان این را در شکل 13b. مشاهده کرد. انطباق مبتنی بر ویژگی برای سطوح صاف که در آن ویژگی های کانتور شده، گوش ها و زوایا حضور ندارند، به خوبی کار نمی کند. در چنین مواردی، انطباق دادن مبتنی بر نشانگر احتمالا تکنیک درستی است.
آزمایشات
49
اسکنر سه بعدی ربات:
انطباق دادن مبتنی بر نشانگر:
بحث و نتیجه گیری
9
بحث و نتیجه گیری
51
برای مقایسه کردن روش های انطباق مبتنی بر نشانگر و HandEye، یک مورد میل لنگ از یک دو چرخ با مدل CAD اسکن شد و مورد مقایسه قرار گرفت. یک مجموع از 6 نما به طور جداگانه با استفاده از هر دو روش، انطباق داده شدند.
نقشه رنگی انحراف سه بعدی در شکل 14 برای مجموعه ای مشابه از نماها، به طور واضح نشان می دهد که روش انطباق مبتنی بر نشانگر هنگامی که با روش HandEye مورد مقایسه قرار می گیرد، دارای دقت بیشتری است.
این نتیجه در خطوط مورد انتظار می باشد. یک مساله شناخته شده در مورد ربات های صنعتی این است که تکرارپذیری ربات ها عالی است (40 میکرومتر)، اما دقت مطلق بسیار پایین است (>1 میلی متر). بنابراین یک روش کالیبراسیون حرکتی باید برای بهبود دقت مطلق ربات ها در یک گستره قابل قبول اتخاذ شود. روش های پیشرفته نشان می دهند که دقت ربات را تا 350 میلی متر بهبود می دهند. چنین روشی در اینجا مورد بحث نمی باشد و این موضوع مقالات آینده می باشد.
بحث و نتیجه گیری
52
بحث و نتیجه گیری
53
نتیجه گیری
در این پاورپوینت، یک اسکنر سه بعدی مبتنی بر انعکاس طوق دیجیتالی ایجاد شد تا داده های ابر نقطه ای سه بعدی را به دست بیاورد. دقت اسکنر ارزیابی شد. روش های مختلف برای انطباق دادن چند نمایی ابرهای نقطه ای با توجه به یک چارچوب مختصات جهانی برای یک اسکنر سه بعدی ربات، ارائه شدند. مزایای اصلی این روش ها این ها هستند: 1-هیچ ابزار گران قیمتی برای انطباق دادن چند نمایی مورد نیاز نمی باشد. 2-فرآیند انطباق دادن می تواند به صورت کامل خودکار شود. 3-روش های مناسب می توانند براساس ویژگی های سطحی مولفه و نیازمندی های دقت، انتخاب شوند.
متشکرم
سوالی ندارید؟
54