Чи підходять методи комп’ютерного стерео зору для вимірювання субміліметра?

У мене є проект, де я хотів би зобразити об’єкт і змогти отримати висоту особливостей цього зображення з точністю до міліметра (саме те, наскільки точним ще належить визначитись, але скажімо поки що, 100 частки міліметра) .

Раніше мені повідомляли, що методи прямого лазерного діапазону не будуть доречними

• час у дорозі буде занадто малим, і тому буде потрібно занадто велика точність, щоб зробити точні розрахунки
• незначні коливання (наприклад, людина, що ходить біля апарату) будуть порушувати результати

Я спостерігав лазерний пристрій, який продає приблизно за 1000 доларів, що дозволяє досягти точності, але страждає від проблеми з вібрацією (це добре, механічна ізоляція апарату - ще одна дискусія).

Я вважаю за краще досягти результату, який є рентабельнішим, і вважав би стерео бачення альтернативою. Будучи початківцем у цій галузі, я не впевнений, чи можна досягти бажаної точності.

Чи бажана точність (принаймні) теоретично досяжна?

Чи є рекомендований папір або ресурс, який допоможе пояснити цю тему далі?

Додаткові нотатки

Об'єкти, про які йдеться, становитимуть приблизно від 1/2 "квадрата до приблизно 2 1/2" квадрата з часом дуже низькою товщиною (1/16 "?). Великий відсоток поверхні повинен бути рівним, хоча один тест буде щоб підтвердити це твердження. Особливості будуть досить грубими (загалом різкі переходи). ^{17 серпня в 11:00}

Одним із «важчих» цікавих об’єктів був би площею 20 мм, заввишки 1,25 мм. Особливості поверхні, про які йдеться, були б в порядку 1 - 3 мм. Я оцінюю. Позиція камери, ймовірно, буде на порядок вище 6 ". Чи дає це ви краще розуміння? ^{17 серпня о 15:15}

Я не прагну виконати єдине вимірювання профілю / рельєфу, а намагаюся створити карту висоти поверхні об'єкта. Поверхові особливості об’єкта, а також загальний профіль представляють значний інтерес.

Стереозйомка

Зважаючи на велике поле зору, яке вам потрібно стосовно точності, яку ви хочете, і наскільки близько ви хочете бути, я думаю, що стереозйомка може бути складним завданням, тому вам потрібно якось посилити відмінності, які ви намагаєтеся виміряти.

Структуроване освітлення

Якщо ви, по суті, намагаєтеся виміряти профіль об'єкта, чи розглядали ви одну камеру високої роздільної здатності та структуроване освітлення?

^{Завдяки циклічній технології для цього зображення, що використовується без дозволу, але, сподіваємось, атрибуції буде достатньо.}

Зауважте, що чим менший кут випасу, тим більша точність ви можете виміряти, але чим нижче буде підтримувана глибина різкості, тому для вашого застосування вам потрібно буде оптимізувати свої потреби або зробити вашу систему регульованою (один лазерний кут на 0 -500um, ще 500-1500um і так далі). Однак у цьому випадку вам, мабуть, доведеться калібрувати щоразу, коли ви змінюєте положення лазера.

До речі, дуже дешевим способом спробувати це було б підібрати пару лазерних ножиць, до яких входить базовий лінійний лазерний світлодіод.

Нарешті, ви можете усунути проблему вібрації, взявши відбір проб кілька разів, відхиливши інші люди та потім усереднюючи. Хоча кращим рішенням було б встановити весь випробувальний апарат на гранітному блоці. Це добре спрацювало з лазерними мікрообробними інструментами, з якими я працював у минулому, які вимагають положення мікрона рівня та глибини точності фокусування, навіть якщо вони розташовані на заводах.

Деякі зворотні підрахунки конвертів.

Дозволяє припустити кут падання 10 градусів від горизонталі та камеру з роздільною здатністю 640x480 та полем зору 87 x 65 мм. Якщо ми розмістимо промінь так, щоб він знаходився прямо внизу рамки для портрета, не маючи зразка, а потім розмістимо зразок з промінь, що перетинає його, це повинно дати нам максимальну висоту близько 15 мм, і, таким чином, не виправлену роздільну здатність близько 24um на кожен піксель лінія ходить по екрану. При такій налаштуваннях варіація розміром 0,1 мм повинна бути видно як зміна положення в 4 пікселях.

Аналогічно, якщо ми використовуємо кут падання в 2 градуси від горизонталі, то це повинно дати нам максимальну висоту близько 3 мм (Тан (2 дег.) * 87 мм) і, таким чином, некорекційну роздільну здатність близько 4,7 мкм на піксель, для набагато помітніших 20 піксельний стрибок . Це, мабуть, вимагатиме набагато більш точного лінійного лазера.

Зверніть увагу, якщо камера досить близька, то, можливо, вам знадобиться провести другий обчислювач триггера, використовуючи висоту камери, щоб визначити справжнє положення лінії відносно базової лінії.

Також зауважте, що якщо вам не потрібна абсолютна точність , а локальна повторюваність достатня (скажімо, ви профілюєте плоскість зразка, щоб переконатися, що він знаходиться в заданих допусках), тоді просто бачити відносне положення лазерної лінії може бути достатньо.

Точність стереосистеми обмежена розміром пікселів. Теоретично камери високого класу повинні мати достатню щільність пікселів для такої точності. Звичайно, камери потрібно буде відкалібрувати, а об’єкт повинен бути розумно наближений до камер.

Це залежить від геометрії, але звичайно в принципі.

Ваші об'єкти повинні мати достатню "текстуру", щоб ви могли відповідати ідентифікаційним характеристикам від однієї камери до іншої, і тоді ваші камери повинні мати достатню кількість пікселів, коли невідповідність глибини 0,01 мм відповідає> 1 пікселю при проектуванні на зображення площині.

Картографування спотворень об'єктива може бути більшою проблемою, ніж це зазвичай у цих масштабах.

Для дуже тонкої роздільної здатності найкраща ціна, ймовірно, дешевий і доступний лазерний вимірювач глибини від Keyence. Вони працюють, вони порівняно дешеві, і вони є галузевим стандартом. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

Найдешевшою 2D оптичною технікою могло б бути створення системи "тіньової муари" за допомогою постановок Рончі. Під керівництвом інженера-оптика кілька років тому я створив кілька ручних пристроїв для вимірювання невеликих деформацій в матових металевих поверхнях. Ми змогли досить легко виявити зміни глибини приблизно 100 мкм (0,1 міліметра), і хоча я не пам'ятаю точно, ми могли б виявити різницю глибини приблизно в 10–20 мкм. Візерунок бахроми легко інтерпретувати, а також забезпечує зручну карту висоти.

Ось розумне пояснення техніки тіні Moire: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Постанова Рончі може коштувати приблизно 100 доларів США: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

Сам пристрій складається з постанови Рончі (яка являє собою скляну плиту з точністю нанесених ліній), джерела світла, встановленого під фіксованим кутом до правлячого, і оглядової трубки, яка також встановлена ​​в точному куті відносно правлячого. Наш пристрій знаходився в прямому контакті з поверхнею, але ви також можете створити безконтактний пристрій.

Після того, як ви з'єднали пристрій разом, ви захочете його відкалібрувати. Яка б очікувана кількість окантовки на міліметр не була відповідно до математики, вам все одно доведеться її калібрувати. Для калібрування ми використовували тонкокаліберні блоки, найтонший - міларовий лист відомої товщини 1/2 мілі (0,0005 дюйма, близько 12,5 мкм). Ви розміщуєте пристрій з правлячим на рівній напіввідбивній поверхні з калібрувальним блоком, затягнутим під один край правлячої. Це породжує низку бахроми. Ви знаєте висоту калібрувального блоку та довжину правлячої, тому, використовуючи невелику тригонометрію, можна обчислити кількість бахроми на міліметр.

Лазерна тріангуляція з однією камерою також є варіантом, але, як правило, набагато складніше, ніж спочатку. Щоб досягти точності глибини приблизно 0,1 мм за допомогою лазерної тріангуляції, може знадобитися багато роботи, і тут є досить багато.

Для високоточного сканування поверхні ви можете витратити до $ 100 000, щоб придбати дійсно гарну систему на основі конфокальної мікроскопії. Вони злі круті. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

Теоретично вас ніщо не зупинить. Однак я можу придумати хоча б пару проблем із захопленням зображень, які проявляться в такому масштабі. Я не фахівець з питань мікроскопії, ось декілька питань:

• Яке б зміни глибини по лінії зору порівняли з відстані від камери до об'єкта? Хоча виправлення полегшене за масштабних ортографічних обмежень (зміна глибини об'єкта невелика порівняно з відстані вздовж лінії огляду від об'єкта до камери), це не дасть вам бажаної деталі. Тож камеру потрібно було б розташовувати досить близько до об'єкта.

• Якою була б базова лінія порівняно з розміром об'єкта? Широкі базові лінії важкі, тоді як для вузьких базових ліній є хороші методи. Здається, що в такому масштабі фізичне розміщення двох камер, які знаходяться близько один до одного, може бути складним.

(Опублікувавши цю відповідь з надією допомогти ОП, навіть якщо моя відповідь є поза темою для цього сайту)

Відредаговано: Мої розрахунки нижче були для горизонтальних та вертикальних вимірювань по всьому зображенню. Вони не дійсні для оцінювання глибини на основі стерео. Щоб побачити правильний розрахунок для стереотипної оцінки глибини, див відповідь Мартіна Томпсона .

За даними Вікіпедії, конфокальна лазерна скануюча мікроскопія корисна для поверхневого профілювання .

10 мкм (100-й міліметр) є вихідною точкою корисності всіляких мікроскопічних приладів, тому що це лише на порядок нижче корисності цифрових пристроїв візуалізації (приблизно 100 мкм на піксель, можливо відстань 10 - 20 см).

Мої припущення:

• Відстань від об'єкта: 15см
• поле зору: 10см
• ширина зображення в пікселях: 3000
• потужність роздільної здатності: 30 пікселів на мм
• Якщо припустити, що цілеспрямовано зосереджено та завдяки шумам, оптиці та артефактам стиснення,
  • (функція розведення точки) об'єкти можуть бути розмитими на відстань до 5 пікселів
• розрахункова потужність роздільної здатності: 6 пікселів на мм (160 мкм)

Зважаючи на це, мова йде про побудову ряду лазерних, оптичних та візуальних компонентів (і корпусу, що дуже важливо) при необхідній точності обробки. Я не впевнений, чи можливо побудувати конфокальну лазерну скануючу мікроскопію бідної людини. (Я також не знаю ціну б / у таких машин.)

При такій роздільній здатності одне стерео зорове без допомоги спеціального джерела світла (структурованого світла, лазера тощо) постраждало б від проблеми "відсутність текстури".

Теоретично це можливо. Практично ... це здається важкою проблемою, яка потребує стеро-камер дуже високої роздільної здатності та з'ясування деяких математичних рівнянь.

Зокрема, вам потрібно буде придумати принаймні математичне рівняння, щоб зрозуміти, яка саме стереокамера з мінімальною роздільною здатністю вам потрібна. Тоді вам потрібно буде розібратися, який алгоритм діапазону вам потрібен і наскільки потрібний показник якості, щоб ви міряли те, що ви обчислюєте.

Але суть полягає в тому, що теоретично можна вимірювати діапазон субміліметра за допомогою стереокамер ... це скоріше "інженерна" проблема, щоб спробувати і змусити її працювати.

Я працював у метрології в минулому житті. Системи, як ця, і обидва використовують стереоскопію і стверджують, що досягають точності близько 1 мкм (точність субпікселя).

Рішення за допомогою лазерного сканера та кодера було б іншим рішенням.

Моєю роботою було тестування цих систем. Не вдалося надійно досягти бажаної точності. Насправді більшість постачальників штучно збільшували свою кількість.

Я б запропонував піти на мікроскоп. Автоматизований спосіб сильно залежить від великої кількості факторів, які обмежать вас у досягненні необхідної точності. Аерокосмічна промисловість використовує КММ для вимірювання деталей, що коштує понад 100 тис. Дол. Крім того, ці системи страждають від зносу, і їх необхідно постійно калібрувати.

$cameras can sell for over 100k$