Lazer projektörlü ızgara projeksiyon sisteminin doğruluğunun araştırılması
Investigation of the accuracy of Fringe projection system with laser projector
Yazar: BURAK ÖZBAY
Danışman: PROF. DR. ZEHRA SARAÇ
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Lazer projeksiyon teknikleri üç boyutlu (3D) görüntüleme için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknolojiler gelecek vaat etmektedir. Bu görüntüleme yönteminde sistemden elde edilen işaretler (saçak desenleri) genellikle değişen ortam, ilgilenilen nesne, gürültü, güçlü ve düzensiz arka ışık nedeniyle bozulur. Bu desenlerin kontrastı da düşüktür. Optik ölçümün doğruluğu büyük ölçüde kaydedilen saçak desenlerinden faz haritasını oluşturmak için kullanılan işaret işleme yöntemlerine bağlıdır. Hataları ve gürültüyü azaltmak için, birkaç metot vardır; bunlardan sistemden saçak desenleri alınırken kullanılan arka planı elimine etmek, faz haritasının çıkarılmasında kullanılan yöntemlerin uygun şekilde seçimi vb. sayılabilir. Hiç kuşkusuz bunlardan en uygunu faz haritasının çıkarılmasında kullanılan yöntemlerin seçimidir.
Bu tezde lazer interferometreli ızgara projeksiyonu tekniğine dayalı üç boyutlu görüntüleme sistemlerinin doğruluğunu etkileyen sinyal analiz teknikleri üzerinde durulacak olup, bu tekniklerden geleneksel Fourier dönüşümüne dayalı saçak deseni analiz yöntemlerinin sistemin doğruluğunu nasıl etkilediği hem deneysel hem de benzetim yolu ile incelenecektir. Böyle görüntüleme sistemlerinde Fourier dönüşümü tekniği tek başına doğruluğu etkileyen faktörleri ortadan kaldıramadığından, çeşitli yöntemlerle birlikte kullanılmaktadır. Bu tezin amacı bu yöntemlerin üç boyutlu görüntüleme sisteminin doğruluğunu nasıl etkilediğini incelemek ve en etkili yöntemi belirlemektir. Çalışmada birkaç yöntem ile çıkarılan sayısal haritaları kullanılarak elde edilen yüzey profilleri karşılaştırılacaktır. Bu yükseklik haritaları ile ticari sistemden elde edilen sonuçlar arasındaki hata değerleri sonuçları sunulacaktır. Burada kullanılan Fourier dönüşüm tekniğine dayalı yöntemlerden hangisinin sistemin doğruluğunu nasıl etkilediği ortaya çıkarılacaktır. Sonuç olarak en düşük hatayı verip gerçek değerlere yakın sonuçlar sunan yöntem belirlenecektir. Bu tezde yapılan çalışmalardan ve hata değerlerinden EMD-FFT yönteminin gürültüye en duyarsız yöntem olduğu belirlenmiştir. Üstelik EMD-FFT yöntemi sistemin gerçek değerlere yakın, doğru sonuçlar üretmesini sağladığı tespit edilmiştir.
Ayrıca bu çalışma da sistemin kalibrasyonu için yeni bir yaklaşım da önerilmiştir. Bu yaklaşım gerçek bir cismin 3-B görüntüsünün sistemden yeniden elde edilmesi ve kesitsel grafiklerin değerlendirilmesi ile doğrulanmıştır. Deneysel sonuçlar önerilen kalibrasyon yönteminin etkinliğini göstermektedir. Bu yaklaşım için balık cismi referans alınarak kalibrasyon işlemi yapılmıştır. Elde edilen maksimum hata değerleri kullanılan diğer cisimler için kabaca 2 mm kadar olmaktadır.

Abstract:
Laser projection techniques are widely used for three-dimensional (3D) imaging. These technologies are promising. In this imaging method, the signals (fringe patterns) obtained from the system are often distorted due to the changing environment, the object of interest, noise, strong and irregular backlight. The contrast of these patterns is also low. The accuracy of optical measurement largely depends on the signal processing methods used to create the phase map from the recorded fringe patterns. There are several methods to reduce errors and noise; These include eliminating the background used when obtaining fringe patterns from the system, appropriate selection of methods used in extracting the phase map, etc. countable. Undoubtedly, the most appropriate of these is the choice of methods used to create the phase map.     
This thesis will focus on signal analysis techniques that affect the accuracy of three-dimensional imaging systems based on laser interferometer fringe projection technique. How traditional Fourier transform based fringe pattern analysis methods affect the accuracy of the system will be examined both experimentally and through simulation. In such imaging systems, the Fourier transform technique alone cannot eliminate the factors affecting accuracy, so it is used together with various methods. The aim of this thesis is to examine how these methods affect the accuracy of the three-dimensional imaging system and to determine the most effective method. In the study, surface profiles obtained using digital maps obtained by several methods will be compared. The error values between these height maps and the results obtained from the commercial system will be presented. It will be revealed how each of the Fourier transform technique-based methods used here affects the accuracy of the system. As a result, the method that gives the lowest error and provides results close to the real values will be determined. Based on the studies and error values in this thesis, it has been determined that the EMD-FFT method is the most insensitive method to noise. Moreover, it has been determined that the EMD-FFT method enables the system to produce accurate results close to the real values.              
In addition, a new approach for the calibration of the system is proposed in this study. This approach was validated by retrieving the 3D image of a real object from the system and evaluating cross-sectional graphics. Experimental results show the effectiveness of the proposed calibration method. For this approach, the calibration process was performed using the fish object as a reference. The maximum error values obtained are roughly 2 mm for other objects used.