¿Son apropiadas las técnicas de visión estéreo por computadora para mediciones submilimétricas?

Tengo un proyecto en el que me gustaría crear una imagen de un objeto y poder derivar las alturas de las características en esta imagen con una precisión submilimétrica (exactamente qué tan precisa aún está por determinarse, pero digamos centésimas de milímetro por ahora) .

Anteriormente me han informado que las técnicas de medición directa por láser no serán apropiadas

• el tiempo de viaje será demasiado pequeño y, por lo tanto, requerirá demasiada precisión para hacer cálculos precisos
• vibraciones menores (como una persona caminando cerca del aparato) perturbarán los resultados

He observado un dispositivo láser que se vende por aproximadamente $ 1000 que puede lograr la precisión pero sufre el problema de la vibración (que está bien, aislar mecánicamente el aparato es otra discusión).

Preferiría lograr un resultado que sea más rentable, y considere la visión estéreo como una alternativa. Al ser un novato en este campo, no estoy seguro de si se puede lograr la precisión deseada.

¿Es la precisión deseada (al menos) teóricamente alcanzable?

¿Existe un documento o recurso recomendado que ayudaría a explicar este tema más a fondo?

Notas adicionales

Los objetos en cuestión variarán desde aproximadamente 1/2 "cuadrado hasta aproximadamente 2 1/2" cuadrado con algunas veces un grosor muy bajo (1/16 "?). Un gran porcentaje de la superficie debe ser plano, aunque una prueba será para confirmar esa afirmación. Las características serán bastante toscas (generalmente transiciones bruscas). ^{17 de agosto a las 11:00}

Uno de los objetos interesantes "más duros" sería de unos 20 mm cuadrados, 1,25 mm de altura. Las características de la superficie en cuestión estarían en el orden de .1 - .3mm que estoy estimando. Es probable que la posición de la cámara sea del orden de 6 "arriba. ¿Le da esto una mejor perspectiva? ^{17 de agosto a las 15:15}

No estoy buscando realizar una sola medición de perfil / relieve, sino más bien intentar generar un mapa de altura de la superficie del objeto. Las características de la superficie del objeto, así como el perfil general, son de gran interés.

Imagen estéreo

Dado el amplio campo de visión que necesita en relación con la precisión que desea y lo cerca que desea estar, creo que la imagen estéreo puede ser un desafío, por lo que debe amplificar de alguna manera las diferencias que está tratando de medir.

Iluminación estructurada

Si esencialmente está tratando de medir el perfil de un objeto, ¿ha considerado una sola cámara de alta resolución y una iluminación estructurada?

^{Gracias a looptechnology por esta imagen, usada sin permiso, pero espero que la atribución sea suficiente.}

Tenga en cuenta que cuanto menor sea el ángulo de pastoreo, mayor será la precisión que puede medir, pero menor será la profundidad de campo admitida, por lo que para su aplicación necesitaría optimizar sus necesidades o hacer que su sistema sea ajustable (un ángulo láser para 0 -500um, otro para 500-1500um y así sucesivamente). Sin embargo, en este caso, probablemente tenga que calibrar cada vez que cambie la posición del láser.

Por cierto, una forma muy económica de probar esto sería recoger un par de tijeras láser que incluyen un LED láser de línea básico.

Finalmente, puede eliminar el problema de vibración muestreando varias veces, rechazando valores atípicos y luego promediando. Sin embargo, una mejor solución sería montar todo el aparato de prueba en un bloque de granito. Esto funcionó bien para las herramientas de micro-mecanizado láser con las que he trabajado en el pasado, que requieren una posición de nivel de micras y una precisión de profundidad de enfoque, incluso cuando se encuentran en fábricas.

Algunos reverso de los cálculos del sobre.

Supongamos un ángulo incidente de 10 grados desde la horizontal, y una cámara con una resolución de 640x480 y un campo de visión de 87 x 65 mm. Si colocamos el haz de modo que quede justo en la parte inferior del marco del retrato sin muestra, y luego colocamos la muestra con el haz cruzándolo, esto debería darnos una altura máxima de alrededor de 15 mm y, por lo tanto, una resolución sin corregir de alrededor de 24um para cada píxel de la línea recorre la pantalla. Con esta configuración, una variación de 0.1 mm debería ser visible como una variación de 4 píxeles en la posición.

Del mismo modo, si utilizamos un ángulo incidente de 2 grados desde la horizontal, esto debería darnos una altura máxima de alrededor de 3 mm (Tan (2deg) * 87 mm) y, por lo tanto, una resolución no corregida de alrededor de 4.7um por píxel, para un 20 mucho más notable. pixel salto . Sin embargo, esto probablemente requeriría un láser de línea mucho más preciso.

Tenga en cuenta que si la cámara está lo suficientemente cerca, es posible que deba hacer un segundo cálculo trigonométrico, utilizando la altura de la cámara, para determinar la posición real de la línea con respecto a la línea base.

También tenga en cuenta que si no necesita una precisión absoluta , y la repetibilidad local es suficiente (digamos que está perfilando la planitud de una muestra para asegurarse de que esté dentro de las tolerancias dadas), entonces solo podría ver la posición relativa de la línea láser. suficiente.

La precisión de un sistema estéreo está limitada por el tamaño de píxel. Teóricamente, las cámaras de alta gama deberían tener suficiente densidad de píxeles para tal precisión. Por supuesto, las cámaras deberán calibrarse, y el objeto deberá estar razonablemente cerca de las cámaras.

Depende de la geometría, pero ciertamente en principio.

Sus objetos deben tener suficiente "textura" que pueda igualar las características de identificación de una cámara a otra, y luego sus cámaras deben tener un número suficiente de píxeles que una discrepancia de profundidad de 0.01 mm corresponde a> 1 píxel cuando se proyecta sobre la imagen avión.

Mapear las distorsiones de la lente puede ser un problema mayor de lo que normalmente es en estas escalas.

Para una resolución muy fina, su mejor apuesta es un medidor de profundidad láser barato y fácilmente disponible de Keyence. Funcionan, son relativamente baratos y son un estándar de la industria. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

La técnica óptica 2D más barata podría ser crear un sistema de "muaré de sombra" utilizando las decisiones de Ronchi. Con la guía de un ingeniero óptico hace algunos años, diseñé algunos dispositivos portátiles para medir pequeñas deformaciones en superficies metálicas mate. Pudimos detectar cambios de profundidad de aproximadamente 100 micras (0.1 milímetros) con bastante facilidad, y aunque no recuerdo exactamente, podríamos haber podido detectar diferencias de profundidad de aproximadamente 10-20 micras. El patrón de franjas es fácil de interpretar y también proporciona un mapa de altura conveniente.

Aquí hay una explicación razonable de la técnica de muaré de sombra: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Un fallo de Ronchi puede costar alrededor de $ 100: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

El dispositivo en sí consiste en una regla de Ronchi (que es una losa de vidrio con líneas depositadas con precisión), una fuente de luz montada en un ángulo fijo a la regla y un tubo de visualización que también se establece en un ángulo preciso con respecto a la regla. Nuestro dispositivo se colocó en contacto directo con la superficie, pero también podría crear un dispositivo sin contacto.

Una vez que hayas improvisado el dispositivo, querrás calibrarlo. Cualquiera que sea el número esperado de franjas por milímetro de acuerdo con las matemáticas, aún deberá calibrarlo. Para la calibración usamos bloques de calibre delgado, el más delgado es una lámina de mylar de un espesor conocido de 1/2 mil (0,0005 pulgadas, aproximadamente 12.5 micras). Coloca el dispositivo con la regla en una superficie plana, semi-reflectante con el bloque de medidor escondido debajo de un borde de la regla. Esto genera una serie de franjas. Usted conoce la altura del bloque de medidores y la longitud de la regla, por lo que con un poco de trigonometría puede calcular el número de franjas por milímetro.

La triangulación con láser con una sola cámara también es una opción, pero generalmente es mucho más difícil de lo que parece. Puede tomar mucho trabajo lograr una precisión de profundidad de aproximadamente 0.1 mm usando triangulación láser, y hay bastantes problemas involucrados.

Para el escaneo de superficie de alta precisión, podría gastar hasta $ 100k para comprar un sistema realmente agradable basado en microscopía confocal. Son perversamente geniales. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

En teoría no hay nada que te detenga. Sin embargo, puedo pensar al menos en un par de problemas de captura de imágenes que se manifestarán a esta escala. No soy un experto en cuestiones de microscopía, aquí hay un par de cuestiones:

• ¿Cuál sería la variación de profundidad a lo largo de la línea de visión en comparación con la distancia desde la cámara al objeto? Si bien la rectificación es más fácil bajo restricciones ortográficas escaladas (el cambio de profundidad del objeto es pequeño en comparación con la distancia a lo largo de la línea de visión desde el objeto hasta la cámara), esto no le daría el detalle deseado. Por lo tanto, la cámara debería estar bastante cerca del objeto.

• ¿Cuál sería la línea de base, en comparación con el tamaño del objeto? Las líneas de base anchas son difíciles, mientras que existen buenas técnicas para líneas de base estrechas. Parece que a esta escala, localizar físicamente dos cámaras que están cerca una de la otra puede ser un desafío.

(Publicar esta respuesta con la esperanza de ayudar a OP, aunque mi respuesta esté fuera de tema para este sitio)

Editado: Mis cálculos a continuación fueron para mediciones horizontales y verticales en toda la imagen. No son válidos para la estimación de profundidad basada en estéreo. Para ver un cálculo válido para la estimación de profundidad basada en estéreo, vea la respuesta de Martin Thompson .

De acuerdo con Wikipedia, la microscopía confocal de escaneo láser es útil para el perfilado de superficies .

10 μm (centésima de milímetro) es el punto de partida de la utilidad de todo tipo de dispositivos de microscopía, porque es solo un orden de magnitud por debajo de la utilidad de los dispositivos de imágenes digitales (aproximadamente 100 μm por píxel, tal vez a una distancia de 10-20 cm).

Mis suposiciones son:

• Distancia del objeto: 15 cm
• campo de visión: 10 cm
• ancho de imagen en píxeles: 3000
• potencia de resolución bruta: 30 píxeles por mm
• Suponiendo que está correctamente enfocado y debido a ruidos, ópticas y artefactos de compresión,
  • (función de dispersión de puntos) los objetos pueden difuminarse hasta a 5 píxeles
• potencia de resolución estimada: 6 píxeles por mm (160 μm)

Dicho esto, se trata de construir una serie de componentes láser, ópticos y de imágenes (y la carcasa, que es muy importante) con la precisión de mecanizado requerida. No estoy seguro de si es posible construir la microscopía de escaneo láser confocal de un hombre pobre. (Tampoco sé el precio de segunda mano de tales máquinas).

A tal resolución, la visión estéreo sola sin la ayuda de una fuente de luz especial (luz estructurada, láser, etc.) sufriría el problema de "falta de textura".

Teóricamente es posible. Prácticamente ... parece un problema difícil que requeriría cámaras esteroides de muy alta resolución y resolver algunas ecuaciones matemáticas.

Específicamente, necesitará al menos una ecuación matemática para determinar cuál es la cámara estéreo de resolución mínima que necesita. Luego, tendrá que averiguar qué tipo de algoritmo de rango necesita y qué tan buena es la métrica de calidad necesaria para medir lo que calcula que mide.

Pero la conclusión es que, en teoría, es posible medir el rango submilimétrico usando cámaras estéreo ... este es más un problema de "ingeniería" para intentar que funcione.

He trabajado en metrología en una vida pasada. Los sistemas como este utilizan la estereoscopía y afirman lograr una precisión de aproximadamente 1 micra (precisión de subpíxel).

La solución con un escáner láser y un codificador sería otra solución.

Mi trabajo era probar esos sistemas. No fue posible lograr la precisión deseada de manera confiable. De hecho, la mayoría de los vendedores aumentaban artificialmente sus números.

Sugeriría ir por un microscopio. La forma automatizada depende en gran medida de una gran cantidad de factores que le impedirán lograr la precisión que necesita. La industria aeroespacial utiliza CMM para medir piezas, que supera los 100k $ y está teniendo dificultades para lograr tal precisión en una sala de temperatura controlada con presión atmosférica y humedad controladas. Además, estos sistemas sufren desgaste y deben recalibrarse todo el tiempo.

$cameras can sell for over 100k$