As técnicas de visão estéreo por computador são apropriadas para medições abaixo do milímetro?

Eu tenho um projeto no qual gostaria de criar uma imagem de um objeto e poder derivar as alturas dos recursos nesta imagem com uma precisão abaixo do milímetro (exatamente quão precisa ainda está para ser determinada, mas digamos 100 centésimos de milímetro por enquanto) .

Fui informado anteriormente que as técnicas de alcance direto a laser não serão apropriadas

• o tempo de viagem será muito pequeno e, portanto, exigirá muita precisão para fazer cálculos precisos
• vibrações menores (como uma pessoa andando perto do aparelho) atrapalharão os resultados

Eu observei um dispositivo a laser que é vendido por aproximadamente US $ 1000 que pode atingir a precisão, mas sofre com o problema de vibração (o que é bom, isolar mecanicamente o aparelho é outra discussão).

Eu preferiria alcançar um resultado mais econômico e que considerasse a visão estéreo como uma alternativa. Sendo um novato neste campo, não tenho certeza se a precisão desejada pode ser alcançada.

A precisão desejada (pelo menos) é teoricamente atingível?

Existe um documento ou recurso recomendado que ajude a explicar melhor este tópico?

Notas Adicionais

Os objetos em questão variam de aproximadamente 1/2 "quadrado a cerca de 2 1/2" quadrado com algumas vezes espessura muito baixa (1/16 "?). Uma grande porcentagem da superfície deve ser plana, embora um teste seja para confirmar essa afirmação.Os recursos serão bastante difíceis (geralmente transições nítidas) ^{17 de agosto às 11:00}

Um dos objetos interessantes "mais duros" teria cerca de 20 mm quadrados e 1,25 mm de altura. As características da superfície em questão seriam da ordem de 0,1 a 0,3 mm que estou estimando. A posição da câmera provavelmente seria da ordem de 6 "acima. Isso fornece uma visão melhor? ^{17 de agosto às 15:15}

Não pretendo realizar uma única medição de perfil / relevo, mas sim tentar gerar um mapa de altura da superfície do objeto. As características da superfície do objeto, bem como o perfil geral, são de interesse significativo.

Imagem estéreo

Dado o grande campo de visão necessário em relação à precisão desejada e a proximidade que você deseja, acho que a imagem estéreo pode ser um desafio, então você precisa de alguma forma ampliar as diferenças que está tentando medir.

Iluminação estruturada

Se você está essencialmente tentando medir o perfil de um objeto, considerou uma única câmera de alta resolução e iluminação estruturada?

^{Graças à looptechnology para esta imagem, usada sem permissão, mas espero que a atribuição seja suficiente.}

Observe que quanto menor o ângulo de pastejo, maior a precisão que você pode medir, mas menor seria a profundidade de campo suportada; portanto, para a sua aplicação, você precisaria otimizar suas necessidades ou tornar seu sistema ajustável (um ângulo de laser para 0). -500um, outro para 500-1500um e assim por diante). Nesse caso, você provavelmente teria que calibrar cada vez que alterasse a posição do laser.

Aliás, uma maneira muito barata de experimentar isso seria pegar um par de tesouras a laser, que incluem um LED a laser de linha básica.

Finalmente, você pode remover o problema de vibração amostrando várias vezes, rejeitando valores extremos e calculando a média. Uma solução melhor seria montar todo o aparelho de teste em um bloco de granito. Isso funcionou bem para as ferramentas de usinagem a laser com as quais trabalhei no passado, que exigem uma posição no nível de mícrons e precisão de profundidade de foco, mesmo quando localizadas em fábricas.

Alguns cálculos no verso do envelope.

Vamos assumir um ângulo de incidência de 10 graus em relação à horizontal e uma câmera com uma resolução de 640x480 e um campo de visão de 87 x 65mm. Se colocarmos o feixe de maneira que ele fique bem na parte inferior do quadro de retrato sem amostra e, em seguida, colocar a amostra com o feixe cruzando-o, isso deverá fornecer uma altura máxima de cerca de 15 mm e, portanto, uma resolução não corrigida de cerca de 24 um para cada pixel a linha caminha a tela. Com essa configuração, uma variação de 0,1 mm deve ser visível como uma variação de 4 pixels na posição.

Da mesma forma, se usarmos um ângulo de incidência de 2 graus da horizontal, isso deve nos dar uma altura máxima de cerca de 3 mm (Tan (2deg) * 87 mm) e, portanto, uma resolução não corrigida de cerca de 4,7 um por pixel, para um valor muito mais perceptível. salto de pixel . Provavelmente, isso exigiria um laser de linha muito mais preciso.

Observe que, se a câmera estiver próxima o suficiente, talvez seja necessário fazer um segundo cálculo de trigonometria, usando a altura da câmera, para determinar a verdadeira posição da linha em relação à linha de base.

Observe também que, se você não precisa de precisão absoluta , e a repetibilidade local é suficiente (digamos que você esteja criando um perfil do nivelamento de uma amostra para garantir que ela esteja dentro das tolerâncias), basta ver a posição relativa da linha do laser. suficiente.

A precisão de um sistema estéreo é limitada pelo tamanho do pixel. As câmeras de ponta teoricamente devem ter densidade de pixels suficiente para essa precisão. Obviamente, as câmeras precisarão ser calibradas e o objeto deverá estar razoavelmente próximo das câmeras.

Depende da geometria, mas certamente em princípio.

Seus objetos precisam ter "textura" suficiente para que você possa combinar os recursos de identificação de uma câmera para outra e, em seguida, suas câmeras precisam ter um número suficiente de pixels que uma discrepância de profundidade de 0,01 mm corresponda a> 1 pixel quando projetada na imagem avião.

Mapear distorções da lente pode ser um problema maior do que normalmente é nessas escalas.

Para uma resolução muito fina, sua melhor aposta é provavelmente um medidor de profundidade a laser barato e prontamente disponível da Keyence. Eles funcionam, são relativamente baratos e são um padrão da indústria. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

A técnica óptica 2D mais barata poderia ser a criação de um sistema "shadow Moire" usando as regras de Ronchi. Com a orientação de um engenheiro óptico, há alguns anos, projetei alguns dispositivos portáteis para medir pequenas deformações em superfícies de metal fosco. Conseguimos detectar mudanças de profundidade de cerca de 100 mícrons (0,1 milímetros) com bastante rapidez e, embora não me lembre exatamente, poderíamos ter sido capazes de detectar diferenças de profundidade de 10 a 20 mícrons. O padrão de franja é fácil de interpretar e também fornece um mapa de altura conveniente.

Aqui está uma explicação razoável da técnica shadow Moire: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Uma decisão de Ronchi pode custar cerca de US $ 100: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

O dispositivo em si consiste em uma régua de Ronchi (que é uma placa de vidro com linhas depositadas com precisão), uma fonte de luz montada em um ângulo fixo em relação à régua e um tubo de visualização que também é definido em um ângulo preciso em relação à régua. Nosso dispositivo foi colocado em contato direto com a superfície, mas você também pode criar um dispositivo sem contato.

Depois de montar o dispositivo, você precisará calibrá-lo. Qualquer que seja o número esperado de franjas por milímetro de acordo com a matemática, você ainda precisará calibrá-lo. Para calibração, usamos blocos de bitola fina, sendo a mais fina uma folha de mylar com uma espessura conhecida de 1/2 mil (0,0005 polegadas, cerca de 12,5 mícrons). Você coloca o dispositivo com a régua em uma superfície plana e semi-reflexiva com o bloco do medidor dobrado sob uma borda da régua. Isso gera uma série de franjas. Você conhece a altura do bloco de medida e o comprimento da régua; portanto, usando um pouco de trigonometria, é possível calcular o número de franjas por milímetro.

A triangulação a laser com uma única câmera também é uma opção, mas geralmente é muito mais complicada do que parece à primeira vista. Pode ser necessário muito trabalho para obter uma precisão de profundidade de cerca de 0,1 mm usando a triangulação a laser, e há algumas dicas envolvidas.

Para uma digitalização de superfície de alta precisão, você pode gastar até US $ 100 mil para comprar um sistema realmente bom, baseado em microscopia confocal. Eles são bem legais. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

Em teoria, não há nada para impedi-lo. No entanto, posso pensar em pelo menos alguns problemas de captura de imagem que se manifestarão nessa escala. Não sou especialista em questões de microscopia, eis algumas questões:

• Qual seria a variação de profundidade ao longo da linha de visão comparada à distância da câmera ao objeto? Embora a retificação seja mais fácil sob restrições ortográficas em escala (a mudança de profundidade do objeto é pequena se comparada à distância ao longo da linha de visão do objeto até a câmera), isso não forneceria os detalhes desejados. Portanto, a câmera precisaria estar bem perto do objeto.

• Qual seria a linha de base em comparação com o tamanho do objeto? Linhas de base largas são difíceis, enquanto existem boas técnicas para linhas de base estreitas. Parece que, nessa escala, localizar fisicamente duas câmeras próximas uma da outra pode ser um desafio.

(Postando esta resposta na esperança de ajudar o OP, mesmo que minha resposta esteja fora do tópico deste site)

Editado: meus cálculos abaixo eram para medições horizontais e verticais na imagem. Eles não são válidos para estimativa de profundidade baseada em estéreo. Para ver um cálculo válido para a estimativa de profundidade baseada em estéreo, consulte a resposta de Martin Thompson .

Segundo a Wikipedia, a microscopia confocal de varredura a laser é útil para o perfil de superfície .

10μm (100º de um milímetro) é o ponto de partida da utilidade de todos os tipos de dispositivos de microscopia, porque é apenas uma ordem de magnitude abaixo da utilidade dos dispositivos de imagem digital (cerca de 100μm por pixel, talvez uma distância de 10 a 20 cm).

Minhas suposições são:

• Distância do objeto: 15cm
• campo de visão: 10cm
• largura da imagem em pixels: 3000
• Potência de resolução bruta: 30 pixels por mm
• Assumindo o foco correto e devido a ruídos, ótica e artefatos de compressão,
  • (função de dispersão pontual) os objetos podem ficar desfocados com até 5 pixels de distância
• potência de resolução estimada: 6 pixels por mm (160μm)

Dito isto, é uma questão de construir vários componentes de laser, ótica e de imagem (e o gabinete, o que é muito importante) com a precisão de usinagem necessária. Não sei se é possível construir uma microscopia confocal de varredura a laser para um homem pobre. (Também não sei o preço de segunda mão de tais máquinas.)

Nessa resolução, a visão estéreo sozinha, sem a ajuda de uma fonte de luz especial (luz estruturada, laser etc.), sofreria com o problema da "falta de textura".

Teoricamente é possível. Praticamente ... parece um problema difícil que exigiria câmeras estéreo de alta resolução e descobrir algumas equações matemáticas.

Especificamente, você precisará criar pelo menos uma equação matemática para descobrir qual é a câmera estéreo com resolução mínima necessária. Então, você precisará descobrir que tipo de algoritmo de variação é necessário e quão boa é uma métrica de qualidade para que você possa medir o que calcula.

Mas o ponto principal é que, teoricamente, é possível medir sub-milímetro variando usando câmeras estéreo ... este é mais um problema de "engenharia" para tentar fazê-lo funcionar.

Eu trabalhei em metrologia em uma vida passada. Os sistemas como este usam a estereoscopia e afirmam alcançar uma precisão de cerca de 1 mícrons (precisão sub-pixel).

A solução com um scanner a laser e um codificador seria outra solução.

Meu trabalho era testar esses sistemas. Não foi possível alcançar a precisão desejada com confiabilidade. De fato, a maioria dos fornecedores aumentou artificialmente seus números.

Eu sugeriria ir para um microscópio. A maneira automatizada depende muito de um grande número de fatores que o impedirão de alcançar a precisão necessária. A indústria aeroespacial usa CMMs para medir peças, que ultrapassam os 100 mil dólares e têm dificuldade em alcançar essa precisão em uma sala de temperatura controlada com pressão e umidade atmosféricas controladas. Além disso, esses sistemas sofrem desgaste e devem ser recalibrados o tempo todo.

Mas, acima de tudo, todos os segredos comerciais desses sistemas estão nos algoritmos de calibração. Isso realmente faz o molho secreto e é assim que o software e alguns 5k$cameras can sell for over 100k$