Подходят ли методы Computer Stereo Vision для измерений менее миллиметра?

У меня есть проект, в котором я хотел бы изобразить объект и быть в состоянии вывести высоту объектов в этом изображении с точностью до миллиметра (точная точность еще не определена, но, скажем, на сотые доли миллиметра на данный момент) ,

Ранее мне советовали, что методы прямого лазерного определения дальности не подходят

• время в пути будет слишком маленьким и, следовательно, потребует слишком большой точности для точных расчетов
• незначительные вибрации (например, человек, идущий рядом с аппаратом) нарушит результаты

Я наблюдал лазерное устройство, которое продается примерно за 1000 долларов, которое может достичь точности, но страдает от проблемы вибрации (что хорошо, механическая изоляция устройства - еще одно обсуждение).

Я бы предпочел добиться результата, который был бы более экономичным, и рассматривал бы стереозрение как альтернативу. Будучи новичком в этой области, я не уверен, что желаемая точность может быть достигнута.

Является ли желаемая точность (по крайней мере) теоретически достижимой?

Есть ли рекомендуемый документ или ресурс, который поможет объяснить эту тему дальше?

Дополнительные замечания

Рассматриваемые объекты будут варьироваться от приблизительно 1/2 "до примерно 2 1/2" квадрата с иногда очень малой толщиной (1/16 "?). Большой процент поверхности должен быть плоским, хотя одно испытание будет чтобы подтвердить это утверждение. Особенности будут довольно грубыми (как правило, резкие переходы). ^{17 августа в 11:00}

Один из "более сложных" интересных объектов - квадрат 20 мм, высота 1,25 мм. Рассматриваемые поверхностные элементы были бы порядка .1 - .3 мм, которые я оцениваю. Положение камеры, вероятно, будет порядка 6 "выше. Это дает вам лучшее понимание? ^{17 августа в 15:15}

Я не собираюсь выполнять одно измерение профиля / рельефа, а скорее пытаюсь сгенерировать карту высоты поверхности объекта. Поверхностные особенности объекта, а также общий профиль представляют значительный интерес.

Стерео изображения

Учитывая большое поле зрения, которое вам нужно в отношении точности, которую вы хотите, и насколько близко вы хотите быть, я думаю, что стереоизображение может быть сложной задачей, поэтому вам нужно как-то усилить различия, которые вы пытаетесь измерить.

Структурированное освещение

Если вы, по сути, пытаетесь измерить профиль объекта, рассматривали ли вы одну камеру высокого разрешения и структурированное освещение?

^{Благодаря петлевой технологии для этого изображения, используется без разрешения, но, надеюсь, будет достаточно атрибуции.}

Обратите внимание: чем меньше угол скольжения, тем большую точность вы можете измерить, но тем ниже будет поддерживаемая глубина резкости, поэтому для вашего приложения вам потребуется оптимизировать систему под свои нужды или настроить систему (один угол лазера для 0 -500um, другой за 500-1500um и тд). Однако в этом случае вам, вероятно, придется калибровать каждый раз, когда вы меняете положение лазера.

Кстати, очень дешевый способ попробовать это - подобрать пару лазерных ножниц, которые включают в себя базовый лазерный светодиод.

Наконец, вы можете устранить проблему вибрации, отбирая образцы несколько раз, отбрасывая выбросы и затем усредняя. Однако лучшим решением было бы установить весь испытательный аппарат на гранитный блок. Это хорошо работало с инструментами лазерной микрообработки, с которыми я работал в прошлом, для которых требовалось положение на микронном уровне и точность глубины фокусировки, даже если они расположены на фабриках.

Некоторый конец расчетов конверта.

Предположим, что угол падения составляет 10 градусов от горизонтали, и камера с разрешением 640x480 и полем зрения 87 x 65 мм. Если мы поместим луч так, чтобы он находился прямо внизу портретной рамки без образца, а затем разместим образец так, чтобы луч пересекал его, это дало бы нам максимальную высоту около 15 мм и, таким образом, нескорректированное разрешение около 24 мкм. для каждого пикселя линия идет вверх по экрану. При такой настройке отклонение 0,1 мм должно быть видно как изменение положения на 4 пикселя.

Точно так же, если мы используем угол падения в 2 градуса от горизонтали, то это должно дать нам максимальную высоту около 3 мм (Tan (2deg) * 87 мм) и, таким образом, нескорректированное разрешение около 4,7 мкм на пиксель, что намного более заметно. пиксельный прыжок . Однако для этого, вероятно, потребуется гораздо более точный линейный лазер.

Обратите внимание: если камера находится достаточно близко, вам может потребоваться выполнить второй расчет триггера, используя высоту камеры, чтобы определить истинное положение линии относительно базовой линии.

Также обратите внимание, что если вам не нужна абсолютная точность и достаточно локальной повторяемости (например, вы профилируете плоскостность образца, чтобы убедиться, что он находится в пределах заданных допусков), тогда может быть просто возможность увидеть относительное положение лазерной линии. достаточно.

Точность стереосистемы ограничена размером пикселя. Теоретически камеры высокого класса должны иметь достаточную плотность пикселей для такой точности. Конечно, камеры должны быть откалиброваны, и объект должен быть достаточно близко к камерам.

Это зависит от геометрии, но, безусловно, в принципе.

Ваши объекты должны иметь достаточную «текстуру», чтобы вы могли сопоставить идентифицирующие объекты от одной камеры к другой, а затем ваши камеры должны иметь достаточное количество пикселей, чтобы расхождение глубины 0,01 мм соответствовало> 1 пикселю при проецировании на изображение. самолет.

Распознавание искажений линзы может быть более серьезной проблемой, чем обычно на этих масштабах.

Для очень хорошего разрешения лучше всего подойдет дешевый и доступный лазерный измеритель глубины от Keyence. Они работают, они относительно дешевы и являются промышленным стандартом. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

Самой дешевой 2D оптической техникой может быть создание системы "теневого муара" с использованием правил Рончи. Несколько лет назад под руководством инженера-оптика я разработал несколько портативных устройств для измерения небольших деформаций на матовых металлических поверхностях. Мы смогли довольно легко обнаружить изменения глубины около 100 микрон (0,1 миллиметра), и хотя я не помню точно, мы могли бы обнаружить разницу глубины около 10-20 микрон. Рисунок полосы легко интерпретируется, а также обеспечивает удобную карту высот.

Вот разумное объяснение техники теневого муара: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Решение Рончи может стоить около 100 долларов: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

Само устройство состоит из линейки Рончи (которая представляет собой стеклянную пластинку с точными нанесенными линиями), источника света, установленного под фиксированным углом к ​​линейке, и смотровой трубы, которая также установлена ​​под точным углом относительно линейки. Наше устройство находилось в непосредственном контакте с поверхностью, но вы также можете создать бесконтактное устройство.

После того, как вы совместите устройство, вы захотите откалибровать его. Каким бы ни было ожидаемое количество полос на миллиметр в зависимости от математики, вам все равно придется его откалибровать. Для калибровки мы использовали тонкослойные блоки, самым тонким из которых был майларовый лист известной толщины 1/2 мил (0,0005 дюймов, около 12,5 микрон). Вы размещаете устройство с линией управления на плоской полуотражающей поверхности с калибровочным блоком, спрятанным под одним краем линеек. Это создает серию полос. Вы знаете высоту измерительного блока и длину линейки, поэтому, используя небольшую тригонометрию, вы можете рассчитать количество полос на миллиметр.

Лазерная триангуляция с одной камерой также является опцией, но, как правило, намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. Для достижения точности глубины около 0,1 мм с помощью лазерной триангуляции может потребоваться много работы, и здесь задействовано немало ошибок.

Для высокоточного сканирования поверхности вы можете потратить до $ 100 тыс., Чтобы купить действительно хорошую систему, основанную на конфокальной микроскопии. Они злые, крутые. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

В теории вас ничто не остановит. Тем не менее, я могу вспомнить хотя бы пару проблем захвата изображений, которые проявятся в таком масштабе. Я не специалист по вопросам микроскопии, вот пара вопросов:

• Какое изменение глубины вдоль линии визирования можно сравнить с расстоянием от камеры до объекта? Несмотря на то, что выпрямление легче при масштабированных ортогональных ограничениях (изменение глубины объекта незначительно по сравнению с расстоянием вдоль линии визирования от объекта до камеры), это не даст вам желаемой детализации. Таким образом, камера должна быть достаточно близко к объекту.

• Какой будет базовая линия по сравнению с размером объекта? Широкие базовые уровни трудны, в то время как есть хорошие методы для узких базовых уровней. Похоже, в таком масштабе физически определить местонахождение двух камер, которые находятся близко друг к другу, может быть непросто.

(Размещение этого ответа в надежде помочь ОП, хотя мой ответ не по теме для этого сайта)

Отредактировано: мои вычисления ниже были для горизонтальных и вертикальных измерений по изображению. Они не действительны для стереофонической оценки глубины. Чтобы увидеть действительный расчет для оценки глубины на основе стерео, см . Ответ Мартина Томпсона .

Согласно Википедии, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия полезна для профилирования поверхности .

10 мкм (сотая часть миллиметра) - это отправная точка полезности всех видов микроскопических устройств, поскольку она всего на порядок ниже полезности цифровых устройств обработки изображений (около 100 мкм на пиксель на расстоянии 10–20 см).

Мои предположения:

• Расстояние от объекта: 15 см
• поле зрения: 10 см
• ширина изображения в пикселях: 3000
• Необработанное разрешение: 30 пикселей на мм
• Предполагая, что правильно сфокусировано, и из-за помех, оптики и артефактов сжатия,
  • (функция рассеяния точки) объекты могут быть размыты на расстоянии до 5 пикселей
• расчетная разрешающая способность: 6 пикселей на мм (160 мкм)

Тем не менее, речь идет о создании ряда лазерных, оптических и визуальных компонентов (а также корпуса, что очень важно) с необходимой точностью обработки. Я не уверен, возможно ли создать конфокальную лазерную сканирующую микроскопию для бедного человека. (Я также не знаю подержанную цену таких машин.)

При таком разрешении только стереозрение без помощи специального источника света (структурированного света, лазера и т. Д.) Будет страдать от проблемы «отсутствия текстуры».

Теоретически это возможно. Практически ... это кажется сложной задачей, для решения которой потребуются стереокамеры очень высокого разрешения и некоторые математические уравнения.

В частности, вам нужно будет по крайней мере придумать математическое уравнение, чтобы выяснить, какое стерео камера с минимальным разрешением вам нужна. Затем вам нужно будет выяснить, какой алгоритм ранжирования вам нужен и насколько хорош показатель качества, чтобы вы измеряли то, что рассчитываете.

Но суть в том, что теоретически можно измерить расстояние до миллиметра, используя стереокамеры ... это скорее "инженерная" проблема, чтобы попытаться заставить ее работать.

Я работал в метрологии в прошлой жизни. Системы, подобные этой, используют стереоскопию и заявляют, что достигают точности около 1 микрона (субпиксельная точность).

Решение с лазерным сканером и кодером было бы другим решением.

Моя работа заключалась в тестировании этих систем. Невозможно надежно достичь желаемой точности. Фактически, большинство продавцов искусственно увеличивали свои числа.

Я бы предложил пойти за микроскопом. Автоматический способ в значительной степени зависит от большого числа факторов, которые не позволят вам достичь необходимой точности. В аэрокосмической промышленности для измерения деталей используются КИМ , стоимость которых превышает 100 тысяч долларов, и им трудно добиться такой точности в помещении с контролируемой температурой, с контролируемым атмосферным давлением и влажностью. Также эти системы страдают от износа и должны быть откалиброваны постоянно.

$cameras can sell for over 100k$