Pomiary obiektów wielkogabarytowych
Pomiary obiektów wielkogabarytowych są jednym z problematycznych zagadnień w tematyce skanowania 3D, wiąże się to ze składaniem chmur punktów, wykorzystywaniem znaczników oraz innych możliwości. Podczas przeprowadzania pomiarów przedmiotów, których nie możemy zeskanować nie zmieniając położenia maszyny pomiarowej, pojawia się problem definiowania nowego położenia urządzenia pomiarowego w globalnym układzie współrzędnych. Obecnie do pomiarów obiektów wielkogabarytowych stosować można ramiona pomiarowe, głowice triangulacyjne laserowe, a także inne systemy. Obszarami gdzie takie pomiary są przeprowadzane jest między innymi przemysł motoryzacyjny, lotniczy, kosmiczny, budowlany czy też architektoniczny. Zadaniem pomiarów jest w większości sprawdzenie jakości obiektów produkowanych. Kryterium jakościowe jest najważniejszym w przemyśle, to od jakości zależy żywotność produktu oraz jego niezawodność. Na jakość obiektu wpływa zachowanie narzuconych w procesie projektowania tolerancji wymiarowych. Skanery 3D służą między innymi to sprawdzenia jakości produktu, producent w ten sposób zabezpiecza się przed wypuszczeniem na rynek wadliwych partii z linii produkcyjnej. Podczas pomiarów sprawdzana jest między innymi okrągłość, walcowość, zachowanie odpowiednich kątów między płaszczyznami, osiami oraz inne.
Laserowe czujniki triangulacyjne cechuje szeroki zakres pomiarowy, wysoka rozdzielczość, wysoka częstotliwość pomiarowa, doskonała liniowość, możliwość skanowania powierzchni błyszczących, metalowych, a także chropowatych oraz możliwość przeprowadzenia pomiarów z dużych dystansów do badanego obiektu. Głowica triangulacyjna stosowana jest w pomiarach drzwi samochodowych, czy też całych karoserii. Bezkontaktowy pomiar przemieszczenia realizowany jest w oparciu o zasadę triangulacji optycznej. Metoda ta opiera się na odbiciu światła od badanego obiektu, a następnie określeniu jego geometrii z pomocą światłoczułego detektora. Metoda triangulacji laserowej bazuje na projekcji wiązki laserowej. Odległość punktu pomiarowego od obiektywu kamery jest możliwa do określenia, wtedy gdy znana jest odległość między laserem i kamerą oraz wartość kąta między wiązką lasera a płaszczyzną obrazu kamery. Informacja o trzecim wymiarze przedmiotu badanego, w połączeniu ze współrzędnymi obrazu dostarcza pełne informacje przestrzenne o nim.
Niezależnie od rodzaju metody triangulacji laserowej układ pomiarowy jest zawsze taki sam i składa się na niego źródło światła laserowego ( może być ono w postaci linii lub punktowe), obiektu pomiarowego oraz światłoczułego odbiornika, którym najczęściej jest kamera. Budowa układu pomiarowego, sposób w jakim wiązka światła laserowego się przesuwa po powierzchni badanego przedmiotu, jego gabaryty oraz skomplikowanie budowy są ze sobą ściśle powiązane. Największym problemem dotyczącym pomiarów metodą triangulacji laserowej jest ustalenie, w jaki sposób wiązka będzie się przesuwać po obiekcie w trakcie pomiaru. Można to rozwiązać na dwa sposoby, po pierwsze pozostawiając przedmiot nieruchomy, operując jedynie wiązką, po drugie pozostawiając nieruchomy laser – zmieniając względem jego położenie obiektu. Zakładając, że interesuje nas odwzorowanie całej geometrii, a nie tylko jednej z krzywizn, wariant numer jeden (nieruchomy obiekt, ruchomy układ pomiarowy) można zrealizować montując na ruchomym statywie laser liniowy wraz z kamerą. Obraz przekształcić można na współrzędne przestrzenne korzystając z poniższych wzorów:
Gdzie:
.
Wiadomymi w tym układzie są: odległość między źródłem światła, a kamerą i kąt pomiędzy płaszczyzną linii lasera, a płaszczyzną prostopadłą do obrazu kamery. Umożliwia to uzyskanie danych odnośnie głębokości obiektu w miejscu odbicia linii kamery od obiektu.
Realizacja wariantu drugiego możliwa jest poprzez zastosowanie dodatkowo stołu obrotowego na którym umieszczony byłby badany obiekt, jednak sposób ten nie mógłby być zastosowany podczas pomiarów obiektów wielkogabarytowych.
Jednym z etapów pomiarów głowicą triangulacyjną, bardzo ważnym, jest detekcja linii skanera. Etap ten jest jednak problematyczny ze względu na szerokość linii lasera, która
w procesie analizy, w większości modeli matematycznych, zakłada iż linia ta jest nieskończenie cienka lub jej szerokość w każdym przypadku wynosi 1 piksel co
w rzeczywistości nie znajduje potwierdzenia. Linie lasera mają szerokość mieszczącą się
w przedziale kilka – kilkadziesiąt pikseli, różnice w szerokości spowodowane są niedokładnościami układu optycznego rozszczepiającego laser punktowy na linię laserową (jest to czynnik stały i niezależny od badanego układu) oraz uzależnione są od kąta padania wiązki laserowej na powierzchnię obiektu.
Pierwszym krokiem procesu detekcji linii jest wyznaczenie luminancji każdego piksela obrazu kamery. (Luminancja jest miarą jasności koloru, jej zwiększenie czyni dana barwę jaśniejszą, natomiast jej zmniejszenie ciemniejszą. Najmniejsza wartość luminancji przypisana jest czerni, a największa bieli.). Kolejno następuje proces progowania obrazu (ang. tresholding). Polega on na ustaleniu wartości progowej, poniżej której piksele obrazu klasyfikowane są jako piksele obiektu, a pozostałe piksele, jako piksele tła. Pikselom obiektu w procesie progowania nadaje się wartość minimalną, a wartość maksymalna przypisywana jest pikselom tła. Progowanie z progiem pojedynczym nazywane jest binaryzacją, można również stosować progowanie wielokrotne. Celem binaryzacji jest eliminacja informacji zbędnych, a pozostawienie tych najistotniejszych potrzebnych do dalszej analizy. Wynikiem tej transformacji jest obraz linii złożony z pikseli białych, których wartość wynosi 1 oraz obraz tła złożony z pikseli czarnych. Linia powstała podczas procesu musi zostać uśredniona do szerokości jednego piksela (ze względu na modele matematyczne, w których szerokość linii założona jest jako 1 milimetr). Końcowy wynik - współrzędne obiektu- wyliczane są ze współrzędnych pikseli należących do uśrednionej linii lasera, z wykorzystaniem odpowiednich wzorów.
Do zalet metody triangulacji laserowej należy prosta konstrukcja skanera 3D, składa się on z kamery i znacznika laserowego oraz nieskomplikowanych algorytmów dla obsługi urządzenia. Metoda ta ma również wady, do których zaliczymy nie zbyt dużą dokładność oraz to, że na raz może być skanowana ograniczona ilość punktów.
Literatura
1. Jeżewski S., Jaros M., AUTOMATYKA, Tom 12, Zeszyt 3[w:] Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, 2008, Str 671-672.
2. Mikulski S., Metody triangulacji laserowej w skanerach trójwymiarowych, No 75, 2013 Poznań University of Technology Academic Journals, str 239-243.
3.[dostęp: 07.03.2019 r.] http://www.cherub.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=1430&Itemid=65.
autorem tekstu jest Monika Reszka
PROFISCAN - inżynieria odwrotna, skanowanie 3D, doradztwo