SI21521A

SI21521A - Naprava za ugotavljanje oblike in dimenzij trodimenzionalnega merjenca

Info

Publication number: SI21521A
Application number: SI200300144A
Authority: SI
Inventors: Matija JEZERŠEK; Janez MOŽINA
Original assignee: Univerza V Ljubljani
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2004-12-31
Also published as: WO2004111571A1

Abstract

Izum je osnovan na problemu, kako realizirati napravo za ugotavljanje oblike in dimenzij trodimenzionalnega telesa (5), ki bo omogočala sočasno delovanje vseh potrebnih oz. razpoložljivih merilnikov (1, 2, 3, 4), kar je povezano po eni strani z občutnim skrajšanim časom merjenja in po drugi strani z občutno poenostavljenim krmiljenjem merilnikov (1, 2, 3, 4). Naprava po izumu obsega vsakokrat ustrezno število merilnikov (1, 2, 3, 4), od katerih vsak sestoji iz vsaj kamere (11, 21, 31, 41). Vsakokraten projektor (12, 22, 32, 42) določenega merilnika (1, 2, 3, 4) je prirejen za oddajanje svetlobe vnaprej določene valovne dolžine, z njim sodelujoča kamera (11, 21, 31, 41) pa za snemanje svetlobe taiste valovne dolžine, medtem ko so projektorji (12, 22, 32, 42) s pripadajočimi kamerami (11, 21, 31, 41) preostalih merilnikov (1, 2, 3, 4) prirejeni za oddajanje svetlobe oz. snemanje svetlobnih vzorcev drugačnih, med seboj različnih valovnih dolžin. Po izbiri naprava poleg računalnika (6) obsega tudi krmilno enoto (7), ki je predvidena za sočasno aktiviranje oz. deaktiviranje vseh kamer (11, 21, 31, 41) vseh razpoložljivih merilnikov (1, 2, 3, 4).ŕ

Description

NAPRAVA ZA UGOTAVLJANJE OBLIKE IN DIMENZIJ TRODIMENZIONALNEGA MERJENCA

Izum spada na področje optičnega trodimenzionalnega merjenja oblike teles, konkretno pa na področje merilnih naprav, ki sestoje iz ustreznega Števila merilnikov oblike teles, pri čemer se z vsakim izmed njih ugotavlja obliko in dimenzije zgolj določenega dela površine telesa (merjenca) in pri čemer posamezen merilnik sestoji iz vsaj ene kamere kot tudi iz vsaj enega laserskega projektorja za strukturirano osvetljevanje.

Pri tem izum temelji na problemu, kako zasnovati napravo za ugotavljanje oblike in dimenzij trodimenzionalnega telesa, ki bo omogočala sočasno delovanje vseh potrebnih oz. razpoložljivih merilnikov, kar je povezano po eni strani z občutnim skrajšanjem časom merjenja in po drugi strani z občutno posnostavljenim krmiljenjem merilnikov.

Pri meijenju telesa z uporabo večjega števila merilnikov, ki delujejo po principu strukturiranega osvetljevanja, običajno nastopi problem prekrivanja svetlobnih vzorcev med sosednjimi merilniki. To lahko povzroči nepravilno razpoznavo omenjenih vzorcev v fazi računalniške obdelave posnetih slik in posledično napačno meritev. V izogib omenjenemu prekrivanju delujejo obstoječi sistemi z večjim številom merilnikov tako, da posamezni merilniki izmerijo površino zaporedno, pri čemer je v določenem trenutku prižgan le en projektor strukturirane svetlobe in sicer tisti, katerega pripadajoča kamera snema sliko.

Omenjeno rešitev med drugim uporabljajo v patentu US 5,753,931, kjer je opisana naprava za merjenje oblike človeškega podplata. Sestoji iz dveh merilnikov (par kamera projektor), ki sta nameščena pod prosojno ploščo. Projektorja oddajata lasersko svetlobo v obliki večjega števila svetlobnih ploskev, s katerimi osvetljujeta površino podplata in sicer tako, da en projektor osvetljuje prednjo polovico podplata, drugi pa zadnjo.

Zaželeno bi bilo torej zagotoviti možnost merjenja tridimenzionalne oblike teles z uporabo večjega Števila merilnikov, ki bi bili poljubno razporejenih okoli merjenega telesa, pri čemer bi ne bilo potrebno zaporedno prižiganje in ugašanje projektorjev za strukturirano osvetljevanje posameznih merilnikov, marveč naj bi bili vklopljeni vsi projektoiji sočasno, na osnovi česar bi lahko posledično tudi kamere vseh merilnikov posnele sliko osvetljenega telesa sočasno.

Pričujoči izum se torej nanaša na napravo za ugotavljanje oblike in dimenzij trodimenzionalnega telesa, namreč meijenega telesa. Tovrstna naprava sestoji iz vsakokrat izbranega števila merilnikov, od katerih vsak sestoji iz po vsaj enega projektorja in po vsaj ene kamere, ki sta nameščena na ustreznem povezovalnem ogrodju ter s tem vsaj v bistvu togo povezana v funkcionalno celoto. Vsak od omenjenih projektoijev je namenjen za projiciranje želenega vzorca svetlobnih žarkov na proti njemu obrnjeni del površine meijenega telesa, s tem projektorjem sodelujoča kamera pa za snemanje tega vzorca. Naprava obsega tudi računalnik za zajemanje, shranjevanje in procesiranje podatkov, ki izvirajo iz omenjenega vzorca, obenem pa tudi krmilno enoto, ki je namenjena za usklajevanje delovanja projektoijev in kamer.

Naprava po izumu obsega vsakokrat ustrezno število merilnikov, od katerih vsak sestoji iz vsaj enega projektoija in vsaj ene kamere. Pri tem je po izumu vsakokraten projektor določenega merilnika prirejen za oddajanje svetlobe vnaprej določene valovne dolžine, z njim sodelujoča kamera pa za snemanje svetlobe zgolj taiste valovne dolžine. Vsi preostali projektoiji s pripadajočimi kamerami preostalih merilnikov so prirejeni za oddajanje svetlobe oz. snemanje svetlobnih vzorcev drugačnih, med seboj različnih valovnih dolžin. Po izbiri je pri napravi po izumu poleg računalnika predvidena tudi krmilna enota, ki pa je prirejena za sočasno aktiviranje oz. deaktiviranje vseh kamer vseh razpoložljivih merilnikov. Nadalje je po izumu prednostno na vsakokratni kameri nameščen ozkopasovni filter. Še zlasti je prednostno, če je na vsakokratni kameri nameščen ozkopasovni filter, namreč interferenčni filter, pri tem pa je širina spektralnega pasu filtra večja od širine spektralnega pasu projektorja.

Na ta način je po izumu problem nezmožnosti identifikacije prekrivajočih se sočasno razpoložljivih svetlobnih vzorcev na površini merjenega telesa, dobljenih s pomočjo različnih merilnikov oz. njihovih projekorjev, odpravljen s tako imenovano barvno modulacijo, kjer so pri različnih merilnikih uporabljeni laserski projektoiji z različnimi valovnimi dolžinami skupaj z ozkopasovnimi filtri, od katerih je vsak nameščeni pred senzorski element (običajno je to CCD) vsakokratne kamere. Ti filtri prepuščajo le svetlobo z enako valovno dolžino, kakršno oddaja posamezni kameri pripadajoči laserski projektor. Da kamera posameznega merilnika ne posname tudi svetlobnih vzorcev, ki jih oddajajo projektoiji sosednjih merilnikov, se nazivne valovne dolžine sosednjih merilnikov medsebojno razlikujejo vsaj za dvakratno povprečno širino njihovih spektralnih pasov.

Takšna rešitev ima poleg možnosti krajšega časa meritve tudi druge prednosti. Zlasti je pomembno, da ni več potrebna prisotnost razmeroma zapletenega elektronskega vezja za prižiganje in ugašanje projektorjev, iz česar izhaja bistvena poenostavitev in pocenitev merilne naprave.

Izum bo v nadaljevanju podrobneje opisan na osnovi primera izvedbe in v povezavi s priloženimi slikami, ki kažejo:

Sl. 1 shematično ponazorjen primer izvedbe naprave za tridimenzionalno meijenje oblike teles, sestoječe iz štirih merilnikov, ki omogočajo sočasno osvetljevanje in merjenje posameznih delov površine merjenega telesa,

Sl. 2 shematično, oblika svetlobnega spektra laserske svetlobe, oziroma prepustnosti ozkopasovnega filtra ter ponazoritev širine spektralnega pasu.

Sl. 3 shematično, časovni diagram poteka meritve pri sočasnem snemanju telesa s štirimi merilniki.

Naprava za ugotavljanje oblike in dimenzij trodimenzionalnega telesa, namreč merjenega telesa 5 po sl. 1, v splošnem sestoji iz vsakokrat potrebnega števila merilnikov 1, 2, 3, 4, ki so razporejeni okoli meijenega telesa 5, in sicer na tak način, da vsakokraten merilnik 1,2, 3,4 pokriva želeni del površine merjenega telesa 5.

Vsakokraten merilnik 1, 2, 3, 4 sestoji iz vsaj ene kamere 11, 21, 31, 41 vsaj enega projektoma 12, 22, 32, 42 kot tudi iz ustreznega povezovalnega ogrodja 13, 23, 33, 43, s pomočjo katerega sta v okviru vsakokratnega merilnika 1, 2, 3, 4 vsakokratna kamera 11, 21, 31, 41 in pripadajoči projektor 12, 22, 32, 42 povezana v vsaj v bistvu togo celoto.

Vsakokratna kamera 11, 21, 31, 41 je prednostno tako imenovana CCD kamera (ChargedCouple Device), v splošnem pa gre za poljubno napravo za snemanje ploskovne porazdelitve svetlobne intenzitete.

Vsakokraten projektor 12, 22, 32, 42 oddaja lasersko strukturirano svetlobo z nazivno valovno dolžino λι_ω. Spektralni pas laserske svetlobe mora biti ustrezno ozek in sicer ne več kot ±Δλι₃₅ glede na nazivno valovno dolžino Xi_as. Širina spektralnega pasu, imenovana tudi širina črte, je tisto območje vzdolž spektralne osi, znotraj katerega je vrednost večja od polovice maksimalne vrednosti (SL 2). Svetlobni vzorec je prednostno sestavljen iz večjega Števila laserskih svetlobnih ploskev, v splošnem pa je poljubne oblike, s katerim lahko na podlagi posnetka z omenjenim vzorcem osvetljenega telesa enolično določimo geometrijo meijenega telesa 5. Na kamero 11, 21, 31, 41 je nameščen ozkopasovni filter 110, 210, 310, 410, tako imenovani interferenčni filter, ki prepušča zelo ozek spektralni pas svetlobe in sicer ne več kot ±AXfii_ter glede na nazivno valovno dolžino λπι^. Zaradi boljšega izkoristka mora biti širina spektralnega pasu filtra večja od širine spektralnega pasu projektoija:

AXfjiter > AXi_as

Da lahko vsakokratna kamera 11, 21, 31, 41 posname svetlobni vzorec, ki ga oddaja njej pripadajoči projektor 12, 22, 32, 42, se nazivni valovni dolžini projektoija 12, 22, 32, 42 in filtra 110, 210, 310, 410 ne smeta razlikovati za več kot polovico povprečne širine obeh spektralnih pasov:

|^las^_^'filter| 0.5·(Δλ|₃₅ + Δλππ₆₁·)

Kamera 11, 21, 31,41 določenega merilnika 1, 2, 3, 4 ne more posneti posname svetlobnih vzorcev, kijih oddajajo projektoiji 12, 22, 32, 42 preostalih merilnikov 1, 2, 3, 4, če se nazivne valovne dolžine filtrov λ^τ· teh preostalih merilnikov 1, 2, 3, 4 medsebojno razlikujejo vsaj za dvakratno povprečno širino njihovih spektralnih pasov:

l^filter.i λ/iiter.jt > 2'(AXftiter.i + AXfiiter.j)i 1 j kjer indeksa i in j predstavljata zaporedni številki merilnika.

V prikazanem primeru je v ta namen mogoče uporabiti ustrezne projektorje, kakršni so tačas v prodaji pod blagovno znamko Lasiris® proizvajalca Stocker Yale, Inc., s katerimi je mogoče zagotoviti svetlobni vzorec sestavljen iz na primer 33 med seboj enakomerno razmaknjenih svetlobnih ploskev. Proizvajalec nudi široko izbiro različnih valovnih dolžin laserske svetlobe, ki jo oddajajo omenjeni projektorji, izmed katerih so za prikazan primer zlasti ugodne nazivne valovne dolžine 635 nm, 650 nm, 670 nm in 685 nm. Na tržišču so tačas dostopni tudi ustrezni ozkopasovni filtri, na primer proizvajalcev Melles Griot ali Edmund Industrie Optik GmbH. Širine spektralnih pasov teh filtrov znašajo približno ±5 nm, kar ustreza zgoraj predpisanim pogojem.

Sestavni del naprave za tridimenzionalno meijenje oblike teles je tudi računalnik 6, ki je predviden za zajemanje in shranjevanje podatkov o slikah, posnetih s posameznimi merilniki 1, 2, 3, 4, nadalje za procesiranje posnete slike z namenom zaznavanja strukturiranega vzorca svetlobe, še nadalje za rekonstrukcijo merjenega telesa 5 na osnovi znanega vzorca in še nadalje za izvajanje vrste drugih še potrebnih operacij, ki med drugim privedejo do prikaza merjenega telesa 5 na prikazovalniku 61.

Nadalje naprava vključuje tudi krmilno enoto 7 za sočasno proženje kamer 11,21,31,41 vseh merilnikov 1, 2, 3, 4, ki je izbrana v odvisnosti od vrste uporabljenih kamer 11, 21, 31, 41. Projektoiji 12, 22, 23, 24 so prednostno aktivirani ves čas delovanja naprave, s čimer je njihovo delovanje stabilno, obenem pa s tem delovanja projektorjev 12, 22, 23, 24 ni potrebo posebej krmiliti.

V primeru uporabe digitalnih kamer, ki delujejo po standardu IEEE 1394, je to izvedljivo z generiranjem sočasnih prožilnih signalov 71, ki se prožijo ob vhodnem prožilnem signalu 72, katerega izvor je prilagojen danim potrebam (na primer: fotocelica, reed-stikalo itd.).

Čas celotne meritve je v zgoraj opisanem primeru delovanja naprave enak času snemanja ene slike. Na sliki 3, kjer je prikazan časovni diagram sočasnega snemanja, predstavlja oznaka te Čas osvetlitve senzorskega elementa, tf pa skupni čas osvetlitve ter prenosa slike iz kamer 11, 21, 31, 41 v pomnilnik računalnika 6. V prikazanem primeru je čas meritve telesa 5 z vsemi merilniki 1, 2, 3, 4 enak času te, frekvenca merjenja pa je enaka času tf. Ob dejstvu, da sodobne CCD kamere premorejo izredno kratke osvtlitvene čase (tipične vrednosti znašajo med 1/100 in 1/10000 s), je očitno, daje na tak način možno meriti tudi izredno hitre pojave.

Claims

1. Naprava za ugotavljanje oblike in dimenzij trodimenzionalnega telesa, namreč merjenega telesa (5), sestoječa iz vsakokrat izbranega števila merilnikov (1, 2, 3, 4), od katerih vsak sestoji iz po vsaj enega projektorja (12, 22, 32, 42) in po vsaj ene kamere (11, 21, 31, 41), ki sta nameščena na ustreznem povezovalnem ogrodju (13, 23, 33, 43) ter s tem vsaj v bistvu togo povezana v funkcionalno celoto, pri čemer je vsak od omenjenih projektorjev (12, 22, 32, 42) namenjen za projiciranje želenega vzorca svetlobnih žarkov na proti njemu obrnjeni del površine merjenega telesa (5), s tem projektorjem (12, 22, 32, 42) sodelujoča kamera (11, 21, 31, 41) pa za snemanje tega vzorca, in pri čemer je predviden računalnik (6) za zajemanje, shranjevanje in procesiranje podatkov, ki izvirajo iz omenjenega vzorca, hkrati pa naprava obsega tudi krmilno enoto (7), ki je namenjena za usklajevanje delovanja projektorjev (12, 22, 32, 42) in kamer (11, 21, 31, 41), označena s tem, da obsega vsakokrat ustrezno število merilnikov (1, 2, 3, 4), od katerih vsak sestoji iz vsaj enega projektorja (12, 22, 32,42) in vsaj ene kamere (11, 21, 31, 41), pri čemer je vsakokraten projektor (12, 22, 32, 42) določenega merilnika (1, 2, 3, 4) prirejen za oddajanje svetlobe vnaprej določene valovne dolžine, z njim sodelujoča kamera (11, 21, 31, 41) pa za snemanje svetlobe taiste valovne dolžine, medtem ko so projektorji (12, 22, 32, 42) s pripadajočimi kamerami (11, 21, 31, 41) preostalih merilnikov (1, 2, 3, 4) prirejeni za oddajanje svetlobe oz. snemanje svetlobnih vzorcev drugačnih, med seboj različnih valovnih dolžin.

2. Naprava po zahtevku 1, označena s tem, da obsega vsakokrat ustrezno število merilnikov (1, 2, 3, 4), od katerih vsak sestoji iz vsaj enega projektorja (12, 22, 32, 42) in vsaj ene kamere (11, 21, 31, 41), pri čemer je vsakokraten projektor (12, 22, 32, 42) določenega merilnika (1, 2, 3, 4) prirejen za oddajanje svetlobe vnaprej določene valovne dolžine, z njim sodelujoča kamera (11,21,31,41) pa za snemanje svetlobe taiste valovne dolžine, medtem ko so projektorji (12, 22, 32, 42) s pripadajočimi kamerami (11,21,31, 41) preostalih merilnikov (1, 2, 3, 4) prirejeni za oddajanje svetlobe oz. snemanje svetlobnih vzorcev drugačnih, med seboj različnih valovnih dolžin, in da poleg računalnika (6) obsega krmilno enoto (7), ki je predvidena za sočasno aktiviranje oz. deaktiviranje kamer (11, 21, 31,41) vseh razpoložljivih merilnikov (1, 2, 3, 4).

3. Naprava po zahtevku 1 ali 2, označena s tem, da je na vsakokratni kameri (11,21, 31, 41) nameščen ozkopasovni filter (110,210, 310,410)

4. Naprava po zahtevku 2, označena s tem, daje na vsakokratni kameri (11, 21, 31, 41) nameščen ozkopasovni filter (110, 210, 310, 410), namreč interferenčni filter, pri čemer širina spektralnega pasu filtra (110, 210, 310, 410) večja od širine spektralnega pasu projektoga (12, 22, 32, 42).