Czy techniki komputerowego wizyjnego stereo są odpowiednie do pomiarów submilimetrowych?

Mam projekt, w którym chciałbym sfotografować obiekt i móc wyliczyć wysokości cech na tym obrazie z dokładnością poniżej milimetra (dokładnie, jak dokładna jest jeszcze do ustalenia, ale na razie powiedzmy 100 setnych milimetra) .

Wcześniej poinformowano mnie, że techniki bezpośredniego laserowego ustawiania odległości nie będą odpowiednie

• czas podróży będzie zbyt mały, a zatem wymagać będzie zbyt dużej precyzji, aby wykonać dokładne obliczenia
• niewielkie wibracje (np. osoba idąca w pobliżu aparatu) zakłócą wyniki

Zauważyłem urządzenie laserowe, które sprzedaje za około 1000 USD, które może osiągnąć precyzję, ale cierpi na problem z wibracjami (co jest w porządku, mechaniczna izolacja aparatu to kolejna dyskusja).

Wolałbym osiągnąć wynik, który byłby bardziej opłacalny, i rozważałem widzenie stereo jako alternatywę. Będąc nowicjuszem w tej dziedzinie nie jestem pewien, czy można osiągnąć pożądaną precyzję.

Czy pożądana precyzja (przynajmniej) jest teoretycznie osiągalna?

Czy istnieje zalecany artykuł lub zasób, który pomógłby w dalszym wyjaśnieniu tego tematu?

Dodatkowe uwagi

Przedmiotowe obiekty będą miały zakres od około 1/2 "kwadratu do około 2 1/2" kwadratu z czasami bardzo małą grubością (1/16 "?). Duży procent powierzchni powinien być płaski, chociaż jeden test będzie potwierdź to twierdzenie. Funkcje będą dość szorstkie (ogólnie ostre przejścia). ^{17 sierpnia o 11:00}

Jeden z „twardszych” interesujących obiektów miałby kwadrat około 20 mm i wysokość 1,25 mm. Oszacowane cechy powierzchni byłyby rzędu od 1 do 0,3 mm. Pozycja kamery prawdopodobnie byłaby rzędu 6 "powyżej. Czy to daje lepszy wgląd? ^{17 sierpnia o 15:15}

Nie zamierzam wykonywać pojedynczego pomiaru profilu / reliefu, ale raczej próbuję wygenerować mapę wysokości powierzchni obiektu. Szczególnie interesujące są cechy powierzchni obiektu, a także ogólny profil.

Obrazowanie stereo

Biorąc pod uwagę duże pole widzenia, jakiego potrzebujesz w odniesieniu do pożądanej dokładności i tego, jak blisko chcesz być, myślę, że obrazowanie stereo może być trudne, więc musisz w jakiś sposób wzmocnić różnice, które próbujesz zmierzyć.

Oświetlenie strukturalne

Jeśli zasadniczo próbujesz zmierzyć profil obiektu, czy zastanawiałeś się nad pojedynczą kamerą wysokiej rozdzielczości i oświetleniem strukturalnym?

^{Dzięki technologii pętli dla tego obrazu, używanej bez pozwolenia, ale mam nadzieję, że atrybucja wystarczy.}

Należy pamiętać, że im mniejszy kąt wypasania, tym większa dokładność można zmierzyć, ale im mniejsza jest obsługiwana głębia ostrości, dlatego w przypadku aplikacji należy zoptymalizować system pod kątem potrzeb lub dostosować system (jeden kąt lasera dla 0 -500um, kolejny za 500-1500um i tak dalej). W takim przypadku prawdopodobnie będziesz musiał skalibrować za każdym razem, gdy zmieniasz pozycję lasera.

Nawiasem mówiąc, bardzo tanim sposobem wypróbowania tego byłoby wybranie pary nożyczek laserowych, które zawierają podstawową laserową diodę LED.

Wreszcie możesz usunąć problem wibracji, próbkując wiele razy, odrzucając wartości odstające, a następnie uśredniając. Lepszym rozwiązaniem byłoby jednak zamontowanie całego aparatu testowego na bloku granitu. Działa to dobrze w przypadku narzędzi do mikroobróbki laserowej, z którymi pracowałem w przeszłości, które wymagają dokładności położenia na poziomie mikrona i dokładności głębokości ogniskowania, nawet gdy znajdują się w fabrykach.

Niektóre obliczenia z tyłu koperty.

Załóżmy, że kąt padania wynosi 10 stopni od poziomu, a kamera o rozdzielczości 640 x 480 i polu widzenia 87 x 65 mm. Jeśli umieścimy wiązkę tak, aby znajdowała się dokładnie na dole ramki pionowej bez próbki, a następnie umieścimy próbkę z przecinającą ją wiązką, powinno to dać nam maksymalną wysokość około 15 mm, a tym samym nieskorygowaną rozdzielczość około 24um dla każdego piksela linia przechodzi po ekranie. Przy tej konfiguracji odchylenie 0,1 mm powinno być widoczne jako zmiana położenia o 4 piksele.

Podobnie, jeśli użyjemy kąta padania wynoszącego 2 stopnie od poziomu, powinno to dać nam maksymalną wysokość około 3 mm (Tan (2 stopnie) * 87 mm), a zatem nieskorygowaną rozdzielczość około 4,7um na piksel, dla znacznie bardziej zauważalnej 20 skok pikseli . Prawdopodobnie wymagałoby to jednak znacznie dokładniejszego lasera liniowego.

Uwaga: jeśli kamera jest wystarczająco blisko, konieczne może być wykonanie drugiego obliczenia wyzwalacza, przy użyciu wysokości kamery, w celu ustalenia prawdziwej pozycji linii względem linii podstawowej.

Zauważ również, że jeśli nie potrzebujesz absolutnej dokładności , a lokalna powtarzalność jest wystarczająca (powiedz, że profilujesz płaskość próbki, aby upewnić się, że mieści się w podanych tolerancjach), to po prostu możesz zobaczyć względne położenie linii lasera. wystarczająco.

Precyzja systemu stereo jest ograniczona rozmiarem piksela. Teoretycznie wysokiej klasy kamery powinny mieć wystarczającą gęstość pikseli dla takiej precyzji. Oczywiście kamery będą musiały zostać skalibrowane, a obiekt będzie musiał znajdować się dość blisko kamer.

To zależy od geometrii, ale z pewnością w zasadzie.

Twoje obiekty muszą mieć wystarczającą „teksturę”, aby można było dopasować cechy identyfikujące z jednej kamery do drugiej, a następnie kamery muszą mieć wystarczającą liczbę pikseli, aby rozbieżność głębokości 0,01 mm odpowiadała> 1 pikselowi podczas wyświetlania na obrazie samolot.

Mapowanie zniekształceń soczewki może być większym problemem niż zwykle w tych skalach.

Dla bardzo dokładnej rozdzielczości najlepszym wyborem jest prawdopodobnie tani i łatwo dostępny laserowy miernik głębokości od Keyence. Działają, są stosunkowo tanie i stanowią standard branżowy. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

Najtańszą techniką optyczną 2D może być stworzenie systemu „cienia mory” przy użyciu orzeczeń Ronchi. Kilka lat temu pod kierunkiem inżyniera optycznego zaprojektowałem urządzenia ręczne do pomiaru niewielkich deformacji matowych powierzchni metalowych. Byliśmy w stanie dość łatwo wykryć zmiany głębokości około 100 mikronów (0,1 milimetra) i chociaż nie pamiętam dokładnie, mogliśmy wykryć różnice głębokości około 10-20 mikronów. Wzór na obrzeżach jest łatwy do interpretacji, a także zapewnia wygodną mapę wysokości.

Oto rozsądne wyjaśnienie techniki Shadow Moire: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Orzeczenie Ronchi może kosztować około 100 USD: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

Samo urządzenie składa się z linijki Ronchi (która jest płytą szklaną z precyzyjnie osadzonymi liniami), źródła światła zamontowanego pod stałym kątem do linijki oraz rurki obserwacyjnej, która jest również ustawiona pod precyzyjnym kątem w stosunku do linijki. Nasze urządzenie zostało umieszczone w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią, ale można również utworzyć urządzenie bezdotykowe.

Po zmontowaniu urządzenia będziesz chciał go skalibrować. Niezależnie od oczekiwanej liczby frędzli na milimetr, zgodnie z matematyką, nadal musisz ją skalibrować. Do kalibracji wykorzystaliśmy bloki grubości, przy czym najcieńszym jest arkusz mylaru o znanej grubości 1/2 mil (0,0005 cala, około 12,5 mikrona). Ustawiasz urządzenie z linijką na płaskiej, półodblaskowej powierzchni, z blokiem skrajni schowanym pod jedną krawędzią linii. To generuje serię frędzli. Znasz wysokość bloku skrajni i długość linijki, więc za pomocą małej trygonometrii możesz obliczyć liczbę frędzli na milimetr.

Laserowa triangulacja za pomocą jednego aparatu jest również opcją, ale ogólnie jest znacznie trudniejsza niż się wydaje. Osiągnięcie dokładności głębokości około 0,1 mm przy użyciu triangulacji laserowej może zająć dużo pracy. W grę wchodzi sporo problemów.

Aby uzyskać bardzo dokładne skanowanie powierzchni, możesz wydać nawet 100 000 $ na zakup naprawdę fajnego systemu opartego na mikroskopie konfokalnym. Są niesamowicie fajne. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

Teoretycznie nic Cię nie powstrzyma. Mogę jednak pomyśleć o kilku problemach z przechwytywaniem obrazu, które pojawią się na taką skalę. Nie jestem ekspertem w dziedzinie mikroskopii, oto kilka kwestii:

• Jaka byłaby zmiana głębokości wzdłuż linii wzroku do odległości od kamery do obiektu? Chociaż prostowanie jest łatwiejsze przy skalowanych ograniczeniach ortograficznych (zmiana głębokości obiektu jest niewielka w porównaniu z odległością wzdłuż linii wzroku od obiektu do kamery), nie zapewniłoby to pożądanych szczegółów. Dlatego kamera musiałaby znajdować się dość blisko obiektu.

• Jaka byłaby linia bazowa w porównaniu z rozmiarem obiektu? Szerokie linie podstawowe są trudne, podczas gdy istnieją dobre techniki dla wąskich linii podstawowych. Wygląda na to, że na taką skalę fizyczna lokalizacja dwóch znajdujących się blisko siebie kamer może być trudnym zadaniem.

(Opublikowanie tej odpowiedzi z nadzieją, że pomogę OP, mimo że moja odpowiedź nie dotyczy tematu tej witryny)

Edytowane: Moje obliczenia poniżej dotyczyły pomiarów poziomych i pionowych na całym obrazie. Nie dotyczą one szacunkowej głębokości opartej na stereo. Aby zobaczyć prawidłowe obliczenia dla szacowania głębokości na podstawie stereo, zobacz odpowiedź Martina Thompsona .

Według Wikipedii konfokalna laserowa mikroskopia skaningowa jest przydatna do profilowania powierzchni .

10μm (100th milimetra) jest punktem początkowym przydatności wszelkiego rodzaju urządzeń mikroskopowych, ponieważ jest to tylko jeden rząd wielkości poniżej użyteczności cyfrowych urządzeń do obrazowania (około 100μm na piksel, w odległości może 10-20 cm).

Moje założenia to:

• Odległość od obiektu: 15 cm
• pole widzenia: 10 cm
• szerokość obrazu w pikselach: 3000
• surowa rozdzielczość rozdzielczości: 30 pikseli na mm
• Zakładając, że prawidłowo ustawiono ostrość oraz z powodu szumów, optyki i artefaktów kompresji,
  • (funkcja rozproszenia punktów) obiekty mogą być rozmyte w odległości do 5 pikseli od siebie
• szacunkowa moc rozdzielczości: 6 pikseli na mm (160 μm)

To powiedziawszy, chodzi o zbudowanie szeregu elementów lasera, optyki i obrazowania (i obudowy, co jest bardzo ważne) z wymaganą precyzją obróbki. Nie jestem pewien, czy wykonalne jest zbudowanie konfokalnej laserowej mikroskopii skaningowej biedaka. (Nie znam też ceny używanych maszyn.)

Przy takiej rozdzielczości sam widzenie stereo bez pomocy specjalnego źródła światła (światło strukturalne, laser itp.) Cierpiałoby na problem „braku tekstury”.

Teoretycznie jest to możliwe. Praktycznie ... wydaje się to trudnym problemem, który wymagałby kamer stero o bardzo wysokiej rozdzielczości i wymyślenia równań matematycznych.

W szczególności musisz wymyślić co najmniej równanie matematyczne, aby dowiedzieć się, jaka jest minimalna rozdzielczość kamery stereo, której potrzebujesz. Następnie musisz dowiedzieć się, jakiego rodzaju algorytmu określania odległości potrzebujesz i jak dobrej jakości metryka jest potrzebna, aby mierzyć to, co obliczasz.

Ale podstawową kwestią jest to, że teoretycznie możliwe jest mierzenie zakresu submilimetrowego za pomocą kamer stereo ... jest to raczej problem „inżynieryjny”, aby spróbować go uruchomić.

Pracowałem w metrologii w poprzednim życiu. Systemy, podobnie jak ten, wykorzystują stereoskopię i twierdzą, że osiągają precyzję około 1 mikrona (dokładność subpikseli).

Innym rozwiązaniem byłoby rozwiązanie ze skanerem laserowym i enkoderem.

Moim zadaniem było przetestowanie tych systemów. Nie było możliwe niezawodne osiągnięcie pożądanej precyzji. W rzeczywistości większość dostawców sztucznie zwiększała swoją liczbę.

Sugerowałbym wybranie mikroskopu. Zautomatyzowany sposób w dużej mierze zależy od dużej liczby czynników, które ograniczają osiągnięcie wymaganej precyzji. Przemysł lotniczy wykorzystuje maszyny współrzędnościowe do pomiaru części, które przekraczają 100 000 $ i trudno jest osiągnąć taką precyzję w pomieszczeniu o kontrolowanej temperaturze z kontrolowanym ciśnieniem atmosferycznym i wilgotnością. Te systemy również ulegają zużyciu i muszą być ciągle kalibrowane.

$cameras can sell for over 100k$