Le tecniche di Computer Stereo Vision sono appropriate per le misurazioni inferiori al millimetro?

Ho un progetto in cui vorrei immaginare un oggetto ed essere in grado di derivare le altezze delle caratteristiche di questa immagine con precisione sub-millimetrica (esattamente come ancora non sia ancora stato determinato con precisione, ma per ora diciamo centesimi di millimetro) .

Mi è stato precedentemente comunicato che le tecniche di raggio laser diretto non saranno appropriate

• il tempo di percorrenza sarà troppo piccolo e quindi richiederà troppa precisione per effettuare calcoli precisi
• vibrazioni minori (come una persona che cammina vicino all'apparato) perturberanno i risultati

Ho osservato un dispositivo laser che vende per circa $ 1000 che può raggiungere la precisione ma soffre del problema di vibrazione (che va bene, isolando meccanicamente l'apparato è un'altra discussione).

Preferirei ottenere un risultato più economico e considererei la visione stereo come alternativa. Essendo un principiante in questo campo, non sono sicuro che la precisione desiderata possa essere raggiunta.

La precisione desiderata (almeno) è teoricamente raggiungibile?

Esiste un documento o una risorsa raccomandati che potrebbero aiutare a spiegare ulteriormente questo argomento?

Note aggiuntive

Gli oggetti in questione vanno da circa 1/2 "quadrato a circa 2 1/2" quadrato con uno spessore talvolta molto basso (1/16 "?). Una grande percentuale della superficie dovrebbe essere piatta, anche se un test sarà essere per confermare questa affermazione. Le caratteristiche saranno piuttosto approssimative (transizioni generalmente nitide). ^{17 agosto alle 11:00}

Uno degli oggetti più "difficili" sarebbe di circa 20 mm quadrati, 1,25 mm di altezza. Le caratteristiche della superficie in questione sarebbero dell'ordine di 0,1 - 0,3 mm che sto stimando. La posizione della telecamera sarebbe probabilmente nell'ordine di 6 "sopra. Questo ti dà una visione migliore? ^{17 agosto alle 15:15}

Non sto cercando di eseguire una singola misurazione profilo / rilievo, ma piuttosto sto cercando di generare una mappa di altezza superficiale dell'oggetto. Le caratteristiche superficiali dell'oggetto, così come il profilo generale, sono di notevole interesse.

Imaging stereo

Dato l'ampio campo visivo di cui hai bisogno in relazione alla precisione che desideri e quanto vuoi essere vicino, penso che l'imaging stereo possa essere una sfida, quindi devi in ​​qualche modo amplificare le differenze che stai cercando di misurare.

Illuminazione strutturata

Se stai essenzialmente cercando di misurare il profilo di un oggetto, hai considerato una singola telecamera ad alta risoluzione e un'illuminazione strutturata?

^{Grazie a looptechnology per questa immagine, usata senza permesso, ma speriamo che l'attribuzione sia sufficiente.}

Nota, minore è l'angolo di pascolo, maggiore è la precisione che puoi misurare, ma minore sarà la profondità di campo supportata, quindi per la tua applicazione dovrai ottimizzare le tue esigenze o rendere il tuo sistema regolabile (un angolo del laser per 0 -500um, un altro per 500-1500um e così via). In questo caso, tuttavia, è necessario calibrare ogni volta che si cambia la posizione del laser.

Per inciso, un modo molto economico per provare questo sarebbe quello di prendere un paio di forbici laser che includono un LED laser di linea di base.

Infine, è possibile rimuovere il problema di vibrazione campionando più volte, rifiutando valori anomali e quindi calcolando la media. Una soluzione migliore sarebbe quella di montare l'intero apparato di prova su un blocco di granito. Questo ha funzionato bene con gli strumenti di microlavorazione laser con cui ho lavorato in passato, che richiedono una posizione di livello micron e precisione della profondità di messa a fuoco, anche quando si trovano nelle fabbriche.

Alcuni calcoli sul retro della busta.

Supponiamo un angolo incidente di 10 gradi rispetto all'orizzontale e una telecamera con una risoluzione di 640x480 e un campo visivo di 87 x 65mm. Se posizioniamo il raggio in modo che sia esattamente nella parte inferiore della cornice verticale senza campione, quindi posizioniamo il campione con il raggio che lo attraversa, questo dovrebbe darci un'altezza massima di circa 15 mm e quindi una risoluzione non corretta di circa 24um per ogni pixel la linea cammina lo schermo. Con questa configurazione, una variazione di 0,1 mm dovrebbe essere visibile come una variazione di 4 pixel in posizione.

Allo stesso modo, se utilizziamo un angolo incidente di 2 gradi rispetto all'orizzontale, ciò dovrebbe darci un'altezza massima di circa 3 mm (Tan (2 gradi) * 87 mm) e quindi una risoluzione non corretta di circa 4,7 um per pixel, per un risultato molto più evidente 20 salto pixel . Ciò richiederebbe probabilmente un laser di linea molto più accurato.

Nota, se la telecamera è abbastanza vicina, potrebbe essere necessario eseguire un secondo calcolo del trig, utilizzando l'altezza della telecamera, per determinare la posizione reale della linea rispetto alla linea di base.

Si noti inoltre che se non è necessaria un'accuratezza assoluta e la ripetibilità locale è sufficiente (si supponga che si stia profilando la planarità di un campione per assicurarsi che rientri nelle tolleranze indicate), la sola possibilità di vedere la posizione relativa della linea laser potrebbe essere abbastanza.

La precisione di un sistema stereo è limitata dalla dimensione dei pixel. Le telecamere teoricamente di fascia alta dovrebbero avere una densità di pixel sufficiente per tale precisione. Naturalmente, le telecamere dovranno essere calibrate e l'oggetto dovrà essere ragionevolmente vicino alle telecamere.

Dipende dalla geometria, ma certamente in linea di principio.

I tuoi oggetti devono avere una "trama" sufficiente da poter abbinare le caratteristiche di identificazione da una videocamera all'altra, e quindi le tue videocamere devono avere un numero sufficiente di pixel che una discrepanza di profondità di 0,01 mm corrisponda a> 1 pixel quando proiettato sull'immagine aereo.

La mappatura delle distorsioni dell'obiettivo può essere un problema più grande di quello che è normalmente su queste scale.

Per una risoluzione molto fine, la soluzione migliore è probabilmente un misuratore di profondità laser economico e prontamente disponibile di Keyence. Funzionano, sono relativamente economici e sono uno standard del settore. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

La tecnica ottica 2D più economica potrebbe essere quella di creare un sistema "Shadow Moire" usando le sentenze di Ronchi. Con la guida di un ingegnere ottico alcuni anni fa, ho progettato alcuni dispositivi portatili per misurare piccole deformazioni su superfici metalliche opache. Siamo stati in grado di rilevare abbastanza rapidamente variazioni di profondità di circa 100 micron (0,1 millimetri) e, sebbene non mi ricordi esattamente, avremmo potuto rilevare differenze di profondità di circa 10-20 micron. Il motivo a frange è facile da interpretare e offre anche una comoda mappa in altezza.

Ecco una spiegazione ragionevole della tecnica Shadow Moire: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Una sentenza Ronchi può costare circa $ 100: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

Il dispositivo stesso è costituito da una riga di Ronchi (che è una lastra di vetro con linee depositate con precisione), una sorgente luminosa montata ad un angolo fisso rispetto alla riga e un tubo di visualizzazione che è anche impostato su un angolo preciso rispetto alla riga. Il nostro dispositivo è stato messo a contatto diretto con la superficie, ma è stato anche possibile creare un dispositivo senza contatto.

Dopo aver messo insieme il dispositivo, ti consigliamo di calibrarlo. Qualunque sia il numero atteso di frange per millimetro secondo la matematica, dovrai comunque calibrarlo. Per la calibrazione abbiamo usato blocchi di calibro sottile, il più sottile è un foglio di mylar di uno spessore noto di 1/2 mil (0.0005 pollici, circa 12,5 micron). Posizionare il dispositivo con la riga su una superficie piana e semiriflettente con il blocco del misuratore nascosto sotto un bordo della riga. Questo genera una serie di frange. Conosci l'altezza del blocco di gauge e la lunghezza della riga, quindi usando una piccola trigonometria puoi calcolare il numero di frange per millimetro.

Anche la triangolazione laser con una singola fotocamera è un'opzione, ma è generalmente molto più complicata di quanto sembri. Può essere necessario molto lavoro per ottenere una precisione di profondità di circa 0,1 mm utilizzando la triangolazione laser e sono coinvolti alcuni aspetti.

Per una scansione superficiale ad alta precisione potresti spendere fino a $ 100k per acquistare un sistema davvero piacevole basato sulla microscopia confocale. Sono perfetti. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

In teoria non c'è niente che ti fermi. Tuttavia, posso pensare almeno a un paio di problemi di acquisizione di immagini che si manifesteranno su questa scala. Non sono un esperto in problemi di microscopia, ecco un paio di problemi:

• Quale sarebbe la variazione di profondità lungo la linea di vista rispetto alla distanza dalla fotocamera all'oggetto? Mentre la rettifica è più semplice in base a vincoli ortografici ridimensionati (il cambiamento di profondità dell'oggetto è minuscolo rispetto alla distanza lungo la linea di vista dall'oggetto alla telecamera), ciò non fornisce i dettagli desiderati. Quindi la telecamera dovrebbe essere abbastanza vicina all'oggetto.

• Quale sarebbe la linea di base, rispetto alla dimensione dell'oggetto? Le linee di base ampie sono difficili, mentre ci sono buone tecniche per linee di base strette. Sembra che su questa scala localizzare fisicamente due telecamere vicine sia una sfida.

(Pubblicando questa risposta nella speranza di aiutare OP, anche se la mia risposta è fuori tema per questo sito)

Modificato: I miei calcoli di seguito erano per misurazioni orizzontali e verticali sull'immagine. Non sono validi per la stima della profondità basata su stereo. Per visualizzare un calcolo valido per la stima della profondità basata su stereo, vedere la risposta di Martin Thompson .

Secondo Wikipedia, la microscopia confocale a scansione laser è utile per la profilazione superficiale .

10μm (centesimo di millimetro) è il punto di partenza dell'utilità di tutti i tipi di dispositivi per microscopia, perché è solo un ordine di grandezza al di sotto dell'utilità dei dispositivi di imaging digitale (circa 100 μm per pixel, forse a una distanza di 10-20 cm).

I miei presupposti sono:

• Distanza dall'oggetto: 15 cm
• campo visivo: 10 cm
• larghezza immagine in pixel: 3000
• potere di risoluzione grezzo: 30 pixel per mm
• Supponendo che la messa a fuoco sia corretta e dovuta a rumori, ottiche e artefatti da compressione,
  • (funzione di diffusione del punto) gli oggetti possono essere sfocati a una distanza massima di 5 pixel
• potenza di risoluzione stimata: 6 pixel per mm (160μm)

Detto questo, si tratta di costruire una serie di componenti laser, ottici e di imaging (e l'involucro, che è molto importante) con la precisione di lavorazione richiesta. Non sono sicuro se sia possibile costruire la microscopia confocale a scansione laser di un uomo povero. (Inoltre non conosco il prezzo di seconda mano di tali macchine.)

A tale risoluzione, la sola visione stereo senza l'aiuto di una fonte di luce speciale (luce strutturata, laser, ecc.), Soffrirebbe del problema della "mancanza di trama".

Teoricamente è possibile. Praticamente ... sembra un problema difficile che richiederebbe telecamere stero ad altissima risoluzione e capire alcune equazioni matematiche.

In particolare, dovrai trovare almeno un'equazione matematica per capire qual è la telecamera stereo a risoluzione minima di cui hai bisogno. Quindi dovrai capire di che tipo di algoritmo di gamma hai bisogno e quanto è necessaria una metrica di qualità in modo da misurare ciò che calcoli misuri.

Ma la linea di fondo è che teoricamente è possibile misurare un intervallo inferiore al millimetro usando camer stereo ... questo è più un problema di "ingegneria" per provare a farlo funzionare.

Ho lavorato in metrologia in una vita passata. I sistemi come questo usano entrambi la stereoscopia e affermano di ottenere una precisione di circa 1 micron (precisione dei sub-pixel).

La soluzione con uno scanner laser e un codificatore sarebbe un'altra soluzione.

Il mio compito era testare quei sistemi. Non è stato possibile ottenere la precisione desiderata in modo affidabile. In effetti, la maggior parte dei venditori stava aumentando artificialmente il loro numero.

Suggerirei di andare al microscopio. Il modo automatizzato dipende fortemente da un gran numero di fattori che ti impediranno di raggiungere la precisione di cui hai bisogno. L'industria aerospaziale utilizza le CMM per misurare i pezzi, che supera i 100.000 $ e non riescono a raggiungere tale precisione in un ambiente a temperatura controllata con pressione e umidità controllate. Inoltre, questi sistemi sono soggetti a usura e devono essere ricalibrati continuamente.

$cameras can sell for over 100k$