La triangolazione ottica parte 1

Sistemi a triangolazione Macroprofilometria 1,E-02 Telemetria 1,E-03 Controllo dimensionale 1,E-04 1,E-05 Microprofilometria 1,E-06 Taratura Risoluzione di misura [m] 1,E-07 Vibrometria, NDT 1,E-08 Controllo di finitura 1,E-09 1,E-10 1,E-11 1,E-12 1,E-08 1,E-07 1,E-06 1,E-05 1,E-04 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 Range di misura [m] Interferometri per taratura Interferometri per profilometria Vibrometri Autofocus Scatterometri Micrometri ottici Triangolatori SP - Laser Triangolatori SP - Led Triangolatori MP Triangolatori a campo intero Telemetri

Una classificazione diversa Measurements Techniques Contact Non-Contact Touch probe CMM Reflective Trasmissive Industrial CT Optical Non-Optical Acoustic Electromagnetic Passive Active Stereo Vision Interferometry Shape from shading Focal Plane La taxonomia mostrata ‘posiziona’ i sistemi che andremo a studiare (triangolatori, lame di luce, profilometri a campo intero) all’interno della famiglia di sistemi per misura tridimensionale. Si noti che vi sono molti altri metodi di misura 3D che sono utilizzati in sensoristica diversa, a seconda delle applicazioni. La scelta di un sistema di misura 3-D è un problema difficile, che dipende pesantemente dal tipo di applicazione e dai suoi limiti pratici. La selezione del sistema o della tecnica appropriata avviene tra il vasto numero dei possibili metodi sviluppati in laboratorio e dei sistemi disponibili in commercio. In questa presentazione vengono esposte le principali tecniche di rilevazione 3-D, unitamente ad alcune considerazioni di confronto volte a facilitare la selezione del sistema di misura più adatto. La misura del profilo tridimensionale di un oggetto può avvenire utilizzando tecniche a contatto o non a contatto, tra le quali si trovano in particolare i metodi ottici. Le caratteristiche principali delle tecniche a contatto sono la compattezza, la possibilità di operare in ambiente industriale e una elevata ripetibilità di funzionamento, unite però alla ovvia invasività delle procedure stesse. A vantaggio delle tecniche ottiche si schierano la natura non a contatto della misura, i costi sempre minori, la flessibilità crescente, buone prestazioni e le dimensioni relativamente piccole dei sensori che utilizzano tali tecniche. Active stereo Time of Flight Holography Moiré Focal Plane Shadow projection Triangulators Laser stripes Whole field profilometers

Sensoristica a contatto (1) Tendenza di mercato: sensor fusion. Si veda, a titolo d’esempio, il sito http://www.faro.com/Products/. Documento di riferimento: sensoristica_a_contatto.pdf

Industrial CT Key word: Industrial CT

Profilometri a campo intero La teoria Optical Passive Active Stereo Vision Interferometry Shape from shading Focal Plane Active stereo Time of Flight Holography Moiré Focal Plane Shadow projection Triangolatori Lame di luce Profilometri a campo intero

Visione Stereo Passiva (1) Il sistema di visione Soggetto a impressioni Capace di eseguire misure Distingue dettagli con grande risoluzione Distingue distanze con grande risoluzione e con grande precisione Non il mio sistema di visione A cosa serve il pollice

Visione Stereo Passiva (2) G (xG,yG,zG) S (xS,yS,zS) Pdx PSX PASSIVA x z y Le tecniche di visione stereo passiva hanno l’obiettivo di ricavare informazioni sulla struttura tridimensionale e sulla distanza di una scena a partire dall’acquisizione di due o più immagini bidimensionali prese da punti di vista diversi. Il processo è molto simile a quello utilizzato dal cervello per ricavare dalle due diverse immagini che di una stessa scena si formano sul fondo della retina, l’informazione di distanza. Lo schema generale è quello presentato nella slide. Dal punto di vista computazionale un sistema stereo deve risolvere due problemi. Il primo, noto come problema di corrispondenza, consiste nel determinare quale ‘item’ nell’occhio sinistro corrisponda a quale ‘item’ nell’occhio destro. Il problema è ulteriormente complicato dal fatto che vi possono essere in una immagine dettagli non visibili nell’altra (occlusioni). Il secondo problema da risolvere è relativo alla ricostruzione. La nostra percezione del mondo 3D è infatti resa possibile dall’interpretazione che il cervello dà della differenza di posizione dello stesso ‘item’ nelle retine dei due occhi, (disparity). Lo stesso deve fare il sistema di visione: per ogni ‘item’ in un’immagine è necessario valutare quantitativamente dove è il suo corrispondente nell’altra immagine. Retina sx Retina dx

Visione stereo passiva (3) Vantaggio: si utilizza l’illuminazione della scena Svantaggio: si utilizza l’illuminazione della scena Serve riconoscere le features! Tale informazione deve essere derivata per tutti i punti dell’immagine (disparity map). Una volta noti i parametri geometrici del sistema deve poi essere possibile trasformare l’informazione di disparità nell’informazione 3D, ed ottenere l’immagine di range. Lo svantaggio principale dell'utilizzo della visione stereo per ricostruire il profilo 3-D di un oggetto consiste nel fatto che generalmente è piuttosto pesante dal punto di vista computazionale ottenere mappe a campo intero e di conseguenza le procedure di misura che ne derivano risultano abbastanza lente. I valori tipici di accuratezza ottenibili le rendono utili per applicazioni di computer vision più che per la realizzazione di sensori 3D. La tecnica porta a sistemi poco costosi.

Problema della corrispondenza (1) Baseline Camera1 Correspondence Camera2 P1 P2 C1 Y C2 Same object point, different position in the images: correspondence must be established P1 P2 Image 1 Image 2

Problema della corrispondenza (2) Baseline O2 Camera1 b Camera2 P1 P2 f f Y C1 C2 Cc1 Cc2 Pr1(-, c1) Pr2(-,c2) Column coordinate of Pr1 Column coordinate of Pr2 Pr1 Pr2

Proiezione dei pattern Non serve TUTTA l’immagine per estrarre l’informazione 3D, ma solo la parte illuminata La misura 3D totale può essere ottenuta proiettando pattern fissi o mobili (scansione)

Visione stereo attiva S (xS,yS,zS) G (xG,yG,zG) Pdx Sorgente y CCD x z Le tecniche di questa famiglia sfruttano il principio di visione stereo, ma, per semplificare la soluzione del problema di corrispondenza, utilizzano una telecamera passiva e una telecamera attiva, ovvero un sistema di proiezione. Questo modula spazialmente in una o due dimensioni l'intensità della luce, la cui distribuzione risulta deformata dall'oggetto su cui viene proiettata. Una telecamera a matrice o ad array acquisisce l'immagine del pattern deformato. La conoscenza a priori del tipo di pattern proiettato e l’elaborazione di quello deformato consentono l’estrazione dell’informazione 3D d’interesse. Il caso più semplice consiste la proiezione di un singolo raggio di luce: si parla in tal caso di triangolatori a singolo punto. Quando il pattern in proiezione è monodimensionale si parla di lame di luce. Infine, la proiezione di uno o più pattern di luce bidimensionali conduce ai così detti sistemi a campo intero. NOTA BENE: il principio di misura utilizzato è sostanzialmente identico, ed è la triangolazione ottica. Per inciso, anche i sistemi a visione stereo passiva utilizzano triangolazione ottica. CCD

Test 1

Test 2

Visione stereo attiva La pancia deforma le righe La forma dell’oggetto modula il pattern

Proiezione dei pattern

La misura 3D

Comparazione visione stereo passiva-attiva

Layout ottico geometrico Video camera Proiettore d L Field of view FH Z-Range FW La Figura 1 mostra il layout ottico geometrico di base di un sistema a triangolazione ottica attiva. I parametri fondamentali del modello sono la distanza di stand-off L e la base-line d. Le dimensioni del campo inquadrato, e quindi del volume di misura, possono essere variate regolando la distanza L e l’eventuale zoom delle ottiche montate. La risoluzione laterale di misura, invece, dipende esclusivamente dalle dimensioni FH e FW del campo inquadrato (FOV: Field of View) e dalla risoluzione della telecamera impiegata. La risoluzione in quota, infine, dipende dall’inclinazione relativa proiettore telecamera, ossia dalla distanza d mostrata in figura Comune a tutte le configurazioni che vedremo

Triangolazione SP Dal punto di vista della visione stereo attiva: ho un singolo raggio che determina una singola direzione di proiezione. L’informazione di range si ottiene intersecando la direzione di proiezione con la corrispondente direzione di acquisizione (legge di Snell. La ricordate?????).

Triangolazione MP (lama di luce) S Piano di luce S(xsg, ysg, zsg) , Proiettore Laser zp O p L O zc d c y i g j f c k xc yc z g CCD x g c O’ Punto principale S’ ( i , j ) S S

Profilometri a campo intero FH Oc Op Yc zc i j Lp zp yp xp FW Image plane k S’(iS,jS) LP1 LP0 LPn-2 LPn-1 S Projector plane LPS d