Apakah teknik Computer Stereo Vision cocok untuk pengukuran sub-milimeter?

Saya punya proyek di mana saya ingin gambar suatu objek dan dapat memperoleh ketinggian fitur dalam gambar ini dengan ketelitian sub-milimeter (seberapa tepat masih belum ditentukan, tetapi katakanlah 100 per milimeter untuk saat ini) .

Saya sebelumnya telah diberitahu bahwa teknik laser langsung tidak akan sesuai

• waktu perjalanan akan terlalu kecil dan karenanya akan membutuhkan terlalu banyak presisi untuk membuat perhitungan yang akurat
• getaran kecil (seperti orang yang berjalan di dekat peralatan) akan mengganggu hasilnya

Saya telah mengamati perangkat laser yang dijual seharga sekitar $ 1000 yang dapat mencapai presisi tetapi menderita masalah getaran (yang baik-baik saja, mengisolasi peralatan secara mekanis adalah diskusi lain).

Saya lebih suka mencapai hasil yang lebih hemat biaya, dan menganggap penglihatan stereo sebagai alternatif. Menjadi pemula di bidang ini saya tidak yakin apakah presisi yang diinginkan dapat dicapai.

Apakah ketelitian yang diinginkan (setidaknya) secara teoritis dapat dicapai?

Apakah ada makalah atau sumber daya yang direkomendasikan yang akan membantu menjelaskan topik ini lebih lanjut?

Catatan tambahan

Objek yang dimaksud akan berkisar dari sekitar 1/2 "persegi hingga sekitar 2 1/2" persegi dengan ketebalan beberapa kali sangat rendah (1/16 "?). Persentase besar permukaan harus rata, meskipun satu pengujian akan adalah untuk mengkonfirmasi pernyataan itu. Fitur akan cukup kasar (umumnya transisi yang tajam) ^{17 Agustus pukul 11:00}

Salah satu objek menarik "sulit" adalah sekitar 20mm persegi, tinggi 1,25mm. Fitur permukaan yang dipermasalahkan adalah sekitar 0,1 - .3mm yang saya perkirakan. Posisi kamera kemungkinan berada pada urutan 6 "di atas. Apakah ini memberi Anda wawasan yang lebih baik? ^{17 Agustus pukul 15:15}

Saya tidak mencari untuk melakukan pengukuran profil / bantuan tunggal, melainkan berusaha untuk menghasilkan peta ketinggian permukaan objek. Fitur permukaan objek, serta profil keseluruhan, sangat menarik.

Pencitraan stereo

Mengingat bidang pandang besar yang Anda butuhkan sehubungan dengan akurasi yang Anda inginkan, dan seberapa dekat Anda ingin, saya pikir pencitraan stereo mungkin menjadi tantangan, jadi Anda perlu memperbesar perbedaan yang Anda coba ukur.

Pencahayaan terstruktur

Jika pada dasarnya Anda mencoba mengukur profil suatu objek, sudahkah Anda menganggapnya sebagai kamera beresolusi tinggi dan pencahayaan terstruktur?

^{Berkat teknologi loop untuk gambar ini, digunakan tanpa izin, tapi semoga atribusi akan cukup.}

Catatan, semakin dangkal sudut penggembalaan, semakin besar akurasi yang dapat Anda ukur, tetapi semakin rendah kedalaman bidang yang didukung, jadi untuk aplikasi Anda, Anda perlu mengoptimalkan untuk kebutuhan Anda atau membuat sistem Anda dapat disesuaikan (satu sudut laser untuk 0 -500um, lain untuk 500-1500um dan seterusnya). Namun dalam hal ini, Anda mungkin harus mengkalibrasi setiap kali Anda mengubah posisi laser.

Kebetulan, cara yang sangat murah untuk mencoba ini adalah dengan mengambil sepasang Gunting Laser yang termasuk garis dasar laser LED.

Akhirnya, Anda dapat menghapus masalah getaran dengan mengambil sampel beberapa kali, menolak pencilan, dan kemudian rata-rata. Solusi yang lebih baik adalah dengan memasang seluruh alat uji pada balok granit. Ini bekerja dengan baik untuk alat-alat laser mikro yang pernah saya kerjakan sebelumnya, yang membutuhkan posisi level mikron dan kedalaman akurasi fokus, bahkan ketika berada di pabrik.

Beberapa bagian belakang perhitungan amplop.

Mari kita asumsikan sudut datang 10 derajat dari horizontal, dan kamera dengan resolusi 640x480 dan bidang pandang 87 x 65mm. Jika kita menempatkan balok sehingga tepat di bagian bawah bingkai potret tanpa sampel, dan kemudian menempatkan sampel dengan balok melintasinya, ini akan memberi kita ketinggian maksimum sekitar 15mm dan dengan demikian resolusi yang tidak dikoreksi sekitar 24um untuk setiap pixel garis berjalan layar. Dengan pengaturan ini, variasi 0,1mm harus terlihat sebagai variasi 4 piksel pada posisinya.

Demikian pula, jika kita menggunakan sudut datang 2 derajat dari horizontal maka ini akan memberi kita ketinggian maksimum sekitar 3mm (Tan (2deg) * 87mm) dan dengan demikian resolusi yang tidak dikoreksi sekitar 4,7um per piksel, untuk yang jauh lebih terlihat. lompatan piksel . Ini mungkin akan membutuhkan laser garis yang jauh lebih akurat.

Catatan, jika kamera cukup dekat maka Anda mungkin perlu melakukan perhitungan trigonometri kedua, menggunakan ketinggian kamera, untuk menentukan posisi sebenarnya dari garis relatif terhadap garis dasar.

Juga perhatikan bahwa jika Anda tidak membutuhkan akurasi absolut , dan pengulangan lokal sudah cukup (katakanlah Anda membuat profil kerataan sampel untuk memastikan itu dalam toleransi yang diberikan) maka hanya dapat melihat posisi relatif dari garis laser mungkin cukup.

Ketepatan sistem stereo dibatasi oleh ukuran piksel. Secara teoritis kamera kelas atas harus memiliki kerapatan piksel yang cukup untuk ketepatan tersebut. Tentu saja, kamera perlu dikalibrasi, dan objek harus cukup dekat dengan kamera.

Itu tergantung pada geometri, tetapi tentu saja pada prinsipnya.

Objek Anda harus memiliki "tekstur" yang cukup sehingga Anda dapat mencocokkan fitur pengidentifikasi dari satu kamera ke kamera lainnya, dan kemudian kamera Anda harus memiliki jumlah piksel yang cukup sehingga selisih kedalaman 0,01 mm sesuai dengan> 1 piksel ketika diproyeksikan ke gambar pesawat.

Memetakan distorsi lensa mungkin merupakan masalah yang lebih besar daripada biasanya pada skala ini.

Untuk resolusi sangat halus, taruhan terbaik Anda kemungkinan adalah pengukur kedalaman laser yang murah dan tersedia dari Keyence. Mereka bekerja, harganya relatif murah, dan standar industri. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

Teknik optik 2D termurah adalah menciptakan sistem "bayangan Moire" menggunakan aturan Ronchi. Dengan bimbingan seorang insinyur optik beberapa tahun yang lalu, saya merancang beberapa perangkat genggam untuk mengukur deformasi kecil pada permukaan logam matte. Kami dapat mendeteksi perubahan kedalaman sekitar 100 mikron (0,1 milimeter) dengan cukup mudah, dan meskipun saya tidak ingat persisnya, kami mungkin dapat mendeteksi perbedaan kedalaman sekitar 10 - 20 mikron. Pola pinggiran mudah ditafsirkan, dan juga menyediakan peta ketinggian yang nyaman.

Berikut adalah penjelasan yang masuk akal tentang teknik bayangan Moire: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Penguasa Ronchi dapat berharga sekitar $ 100: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

Perangkat itu sendiri terdiri dari aturan Ronchi (yang merupakan lempengan kaca dengan garis-garis yang diendapkan dengan presisi), sumber cahaya yang dipasang pada sudut yang tetap pada hukum, dan tabung penglihatan yang juga diatur ke sudut yang relatif relatif terhadap hukum. Perangkat kami ditempatkan dalam kontak langsung dengan permukaan, tetapi Anda juga bisa membuat perangkat non-kontak.

Setelah Anda menggabungkan perangkat ini, Anda harus mengkalibrasi perangkat tersebut. Berapapun jumlah pinggiran yang diharapkan per milimeter mungkin sesuai dengan matematika, Anda masih harus mengkalibrasi. Untuk kalibrasi kami menggunakan blok pengukur tipis, yang tertipis menjadi lembaran milar dengan ketebalan yang diketahui 1/2 mil (0,0005 inci, sekitar 12,5 mikron). Anda menempatkan perangkat dengan hukum pada permukaan datar, semi-reflektif dengan blok pengukur yang berada di bawah salah satu ujung hukum. Ini menghasilkan serangkaian pinggiran. Anda tahu ketinggian balok pengukur dan panjang hukumnya, jadi menggunakan sedikit trigonometri Anda bisa menghitung jumlah pinggiran per milimeter.

Triangulasi laser dengan kamera tunggal juga merupakan pilihan, tetapi umumnya jauh lebih rumit daripada yang pertama kali muncul. Dibutuhkan banyak pekerjaan untuk mencapai akurasi kedalaman sekitar 0,1mm menggunakan triangulasi laser, dan ada beberapa gotcha yang terlibat.

Untuk pemindaian permukaan dengan akurasi tinggi, Anda dapat menghabiskan hingga $ 100 ribu untuk membeli sistem yang sangat bagus berdasarkan mikroskop confocal. Mereka jahat, keren. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

Secara teori tidak ada yang menghentikan Anda. Namun, saya bisa memikirkan setidaknya beberapa masalah pengambilan gambar yang akan muncul pada skala ini. Saya bukan ahli dalam masalah mikroskop, berikut adalah beberapa masalah:

• Berapakah variasi kedalaman di sepanjang garis pandang dibandingkan dengan jarak dari kamera ke objek? Sementara perbaikan lebih mudah di bawah kendala ortografis berskala (perubahan kedalaman objek sangat kecil dibandingkan dengan jarak sepanjang garis pandang dari objek ke kamera) ini tidak akan memberi Anda detail yang diinginkan. Jadi kameranya harus cukup dekat dengan objek.

• Apa yang akan menjadi garis dasar, dibandingkan dengan ukuran objek? Garis pangkal yang lebar sulit, sementara ada teknik bagus untuk garis pangkal yang sempit. Kedengarannya seperti pada skala ini secara fisik menemukan dua kamera yang dekat satu sama lain dapat menjadi tantangan.

(Posting jawaban ini dengan harapan membantu OP, walaupun jawaban saya di luar topik untuk situs ini)

Diedit: Perhitungan saya di bawah ini untuk pengukuran horizontal dan vertikal di seluruh gambar. Mereka tidak valid untuk estimasi kedalaman berbasis stereo. Untuk melihat perhitungan yang valid untuk estimasi kedalaman berbasis stereo, lihat jawaban Martin Thompson .

Menurut Wikipedia, mikroskop pemindaian laser confocal berguna untuk profil permukaan .

10μm (100 milimeter) adalah titik awal kegunaan dari semua jenis perangkat mikroskop, karena itu hanya satu urutan besarnya di bawah kegunaan perangkat pencitraan digital (sekitar 100μm per piksel, mungkin jarak 10-20 cm).

Asumsi saya adalah:

• Jarak dari objek: 15cm
• bidang tampilan: 10cm
• lebar gambar dalam piksel: 3000
• daya resolusi mentah: 30 piksel per mm
• Dengan asumsi fokus yang benar, dan karena suara, optik dan artefak kompresi,
  • (fungsi titik sebar) objek mungkin kabur hingga 5 piksel terpisah
• perkiraan daya resolusi: 6 piksel per mm (160μm)

Yang mengatakan, itu masalah membangun sejumlah komponen laser, optik dan pencitraan (dan enklosur, yang sangat penting) pada presisi pemesinan yang diperlukan. Saya tidak yakin apakah layak untuk membangun mikroskop pemindaian laser confocal orang miskin. (Saya juga tidak tahu harga bekas mesin tersebut.)

Pada resolusi seperti itu, penglihatan stereo saja tanpa bantuan sumber cahaya khusus (cahaya terstruktur, laser, dll), akan menderita masalah "kurangnya tekstur".

Secara teori itu mungkin. Praktis ... sepertinya masalah sulit yang akan membutuhkan kamera stero resolusi sangat tinggi dan mencari tahu beberapa persamaan matematika.

Khususnya, Anda harus membuat setidaknya persamaan matematika untuk mencari tahu apa kamera stereo resolusi minimum yang Anda butuhkan. Maka Anda akan perlu mencari tahu apa yang berkisar algoritma yang Anda butuhkan dan seberapa baik metrik kualitas diperlukan sehingga Anda mengukur apa yang Anda hitung, Anda mengukur.

Tetapi intinya adalah bahwa secara teoritis dimungkinkan untuk mengukur rentang sub-milimeter menggunakan camer stereo ... ini lebih merupakan masalah "rekayasa" untuk mencoba dan membuatnya bekerja.

Saya telah bekerja dalam metrologi di kehidupan sebelumnya. Sistem seperti ini menggunakan stereoscopy dan klaim untuk mencapai presisi sekitar 1 mikron (akurasi sub-pixel).

Solusi dengan pemindai laser dan encoder akan menjadi solusi lain.

Pekerjaan saya adalah menguji sistem-sistem itu. Itu tidak mungkin untuk mencapai presisi yang diinginkan dengan andal. Bahkan, sebagian besar vendor secara palsu meningkatkan jumlah mereka.

Saya sarankan pergi untuk mikroskop. Cara otomatis sangat tergantung pada sejumlah besar faktor yang akan membatasi Anda untuk mencapai ketepatan yang Anda butuhkan. Industri dirgantara menggunakan CMM untuk mengukur bagian-bagian, yang bernilai lebih dari 100 ribu dolar dan mengalami kesulitan mencapai ketepatan seperti itu di ruang suhu yang terkontrol dengan tekanan dan kelembaban atmosfer yang terkendali. Sistem ini juga mengalami keausan dan harus dikalibrasi ulang setiap saat.

$cameras can sell for over 100k$