УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и представляет собой устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных создающее его 3D-модель, т.е. функционально представляющее собой активный 3Д сканер. Устройство предназначено для визуализации и измерения профилей трехмерных объектов путем наблюдения спроецированного заранее известного изображения под разными триангуляционными углами.
Известно устройство контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем координатам, который заключается в формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, пространственно модулированного по интенсивности, регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зондирующей подсветки и определении с помощью цифрового электронного вычислителя высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по величине искажений изображения структуры зондирующей подсветки, а двух других координат - по положению искажений структуры подсветки в зарегистрированном изображении (WO 99/58930).
Недостатками известного устройства является высокая погрешность, обусловленная тем, что при направлении на поверхность контролируемого объекта, модулированного по одной координате транспарантом с неизменной периодической структурой оптического изучения, нельзя предусмотреть либо заранее учесть искажения картины, вызванные различными отражательными свойствами поверхности и глубокими впадинами, которые невозможно идентифицировать без априорной информации о макроструктуре поверхности контролируемого объекта.
Известно устройство для контроля линейных размеров трехмерных объектов по трем декартовым координатам. Работа устройства заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных полос, создаваемая путем пространственной модуляции вдоль одной координаты интенсивности зондирующего оптического излучения. Система разноцветных полос носит периодический характер и создает структурированную засветку. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения фотоприемного устройства часть поверхности контролируемого объекта и "наложенное" на поверхность искаженное изображение структурированной засветки. О контролируемых размерах судят по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат (WO 00/70303).
Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с невозможностью однозначно интерпретировать разрывы в изображении полос, искаженных рельефом поверхности контролируемого объекта, либо сквозными отверстиями, либо низким значением спектрального коэффициента отражения, зависящего от цвета какого-либо участка поверхности контролируемого объекта. Если же контролируемый объект представляет собою совокупность локальных компонент, например множество лопаток турбины, восстановление топологии такого объекта и последующий контроль линейных размеров невозможен.
Известно устройство оптического измерения формы поверхности, включающий размещение поверхности в поле освещения проекционной оптической системы и одновременно в поле зрения устройства для регистрации изображений упомянутой поверхности, проецирование с помощью упомянутой проекционной оптической системы на измеряемую поверхность набора изображений с заданной структурой светового потока, регистрацию набора соответствующих изображений поверхности при ее наблюдении под углом, отличным от угла проецирования набора изображений, и определение формы измеряемой поверхности по зарегистрированным изображениям. При этом на упомянутую поверхность проецируют поочередно как минимум три периодические распределения интенсивности освещенности, представляющие собой набор полос, интенсивность которых в поперечном направлении меняется по синусоидальному закону, причем упомянутые периодические распределения интенсивности освещенности отличаются сдвигом этого набора полос в направлении, перпендикулярном полосам, на контролируемую величину в пределах полосы, обрабатывают зарегистрированные изображения для получения предварительного фазового распределения, содержащего фазы, соответствующие точкам поверхности. Кроме того, на упомянутую поверхность однократно проецируют дополнительное распределение интенсивности освещенности, позволяющее для каждой точки упомянутой поверхности определить номер полосы из упомянутого набора полос, регистрируют дополнительное изображение упомянутой поверхности, получают для каждой видимой точки упомянутой поверхности результирующее фазовое распределение, исходя из упомянутого изображения объекта, освещенного предварительным фазовым распределением, и упомянутого изображения объекта, освещенного дополнительным распределением освещенности. А из упомянутого результирующего фазового распределения получают абсолютные координаты точек упомянутой поверхности с использованием данных предварительной калибровки. При проведении измерений известными устройствами предполагается, что регистрация изображения каждой точки поверхности происходит в условиях, когда ее освещение происходит только прямым лучом проектора, и освещенность изображения данной точки объекта на регистраторе изображений считается пропорциональной яркости луча, падающего на эту точку непосредственно от проектора (RU №2148793).
Недостатками данного устройства являются сложность реализации и длительность процесса, требующая значительного времени для проведения измерений и допускающая возникновение погрешностей, в случае механических колебаний положения аппаратуры - проектора и камеры.
2
Известно устройство для бесконтактного контроля и распознавания поверхностей трехмерных объектов методом структурированной подсветки, содержащее источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный с возможностью формирования апериодической линейчатой структуры полос, афокальную оптическую систему для проецирования изображения транспаранта на контролируемую поверхность, приемный объектив, формирующий изображение картины линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, фоторегистратор, преобразующий сформированное приемным объективом изображение в цифровое, вычислительный цифровой электронный блок, пересчитывающий фиксируемые фоторегистратором цифровые изображения в величины координат контролируемой поверхности, причем оно снабжено дополнительными N-1 источниками излучения, каждый из которых отличен по спектральному диапазону излучения от остальных, N-1 транспарантами, каждый из которых отличается от остальных хотя бы на одну полосу, N-1 объективами, установленными за транспарантами, N-1 зеркалами, установленными под углом 45 угл. град, к оптической оси каждого из N-1 объектива перед второй компонентой афокальной оптической системы, вторыми N-1 зеркалами, установленными за приемным объективом под углом 45 угл. град, к оптической оси приемного объектива, N-1 вторичными приемными объективами, каждый из которых установлен за каждым из вторых N-1 зеркал и формирует совместно с приемным объективом изображение картин линейчатой структуры, возникающей на поверхности контролируемого объекта, искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта, N-1 фоторегистраторами, каждый из которых имеет область спектральной чувствительности, совпадающую со спектральным диапазоном излучения одного из N-1 источников излучения, N-1 вычислительными цифровыми электронными блоками, электронный блок сложения изображений выполнен с числом входов, равным числу вычислительных цифровых электронных блоков, каждый из входов электронного блока сложения изображений соединен с выходом каждого вычислительного цифрового электронного блока, а число N определяется по формуле N=Log(L), где L - число пар элементов пространственного разрешения фоторегистратора (RU №2199718).
Недостатками данного устройства также являются сложность реализации и длительность процесса, требующая значительного времени для проведения измерений и допускающая возникновение погрешностей, в случае механических колебаний положения аппаратуры - проектора и камеры.
Известное устройство для выполнения 3Д измерений объекта при помощи структурированной подсветки содержит проектор для проецирования на исследуемый объект изображения, имеющего, по меньшей мере, две непересекающиеся линии вдоль одной из продольных осей и, по меньшей мере, две камеры для регистрации положении изображения, размещенные на разных расстояниях от проектора с образованием разных триангуляционных углов между центральным лучом проектора и центральными лучами камер, с возможностью подключения процессора ЭВМ для измерения и определения координат и монитора для формирования ЗД изображения объекта, при этом расстояние между проектором и ближайшей к нему камерой выбирается как произведение расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла последней. Предпочтительно, проектор и камеры размещены в одном корпусе и снабжены средствами подключения к переносному или стационарному процессору ЭВМ. При этом определяют на изображении первой камеры продольные координаты центров линий по их ширине, как самые яркие пиксели, а для дальнейшего уточнения вертикальной координаты оно содержит третью, четвертую и последующие камеры. В частных случаях реализации устройство снабжено полупрозрачным зеркалом или призмой, а, по меньшей мере, две камеры располагают с разных сторон от проектора, причем указанное зеркало располагают в положении пересечения центральных лучей проектора и, предпочтительно, первой камеры.
При этом процессор ЭВМ выполнен с программным обеспечением процедуры измерений, при которой производят идентификацию каждой линии, проецированной проектором и образованной отраженным светом, принятым каждой камерой, путем сравнения координат линий, принятых камерами, при этом триангуляционный угол между центральным лучом проектора и центральными лучом первой камеры, расположенной на минимальном расстоянии от проектора, выбирают равным арктангенсу отношения расстояния между проецируемыми полосами к глубине резкости объектива этой камеры, определяют на изображении первой камеры продольные координаты центров линий и вертикальные координаты, как частное от деления продольной координаты на тангенс триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральными лучом первой камеры, а для уточнения вертикальной координаты используют ее значение, полученное с помощью второй камеры, расположенной под большим, чем первая, триангуляционным углом, для чего идентифицируют на изображении второй камеры местонахождение тех же линий как наиболее приближенных к продольным координатам, вычисленным в виде произведения упомянутой вертикальной координаты, определенной с помощью первой камеры, на тангенс триангуляционного угла второй камеры, а затем определяют для этих линий уточненные значение продольной и вертикальной координат.(RU 125335, прототип).
Недостатками данного устройства являются неравномерность получаемых измерений по оси Y, недостаточная чувствительность по оси Z, в результате чего имеет место возможность достаточно значительной погрешности измерений, особенно, мелких объектов. Эти недостатки обусловлены тем, что при проецировании на объект непрерывных сплошных линий, эти линии проецируются с некоторым периодом между ними, из за этого существует неравномерность получаемых измерений по оси Y. Кроме того, не рационально используется площадь сенсора или приемника камеры и ограничена чувствительность 3Д сканирования по оси Z. При этом по оси Y мы получаем измерения через период обычно это от через каждые 5-10 пикселей на изображении камеры, а по оси X измерения можно получать в каждом пикселе, через который проходит линия и таким образом разрешение вдоль оси X раз в 5-10 больше чем по оси Y. Кроме того, при построении трехмерной поверхности в виде полигональной сетки (из полигонов 20 на фиг. 2) обычно стараются использовать равное расстояние между измерениями вдоль оси X и Y. По оси Y это расстояние задается периодом между проецируемым сплошными линиями, по оси X стараются выбрать подобное расстояние, т.е. не используют каждый пиксель, через который проходит линия 21. И таким образом существует избыточность измерений по оси X которая при построении поверхности не используется, т.е. не все пиксели на сенсоре и измерения, которые сделаны с помощью этих пикселей используются при дальнейших вычислениях. При проецировании изображений в виде непрерывных прямых сплошных линий камеру располагали по отношению к проектору под углом в вертикальной плоскости и в этом случае координата Z содержалась в смещении по оси Y, т.е. все точки на сплошных прямых линиях сдвигались на небольшую величину по оси Y и угол между камерой и проектором можно было выбирать достаточным, чтобы возможные положения сплошной линии не пересекались с возможными положениями других сплошных линий, т.е. сдвиг по оси Y не должно было превышать период Ту по оси У.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного и удобного сканирующего устройства контроля линейных размеров трехмерных объектов, а также расширение арсенала устройств контроля линейных размеров трехмерных объектов.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в уменьшении неравномерности получаемых измерений по оси Y, повышении чувствительности по оси Z., и практически полное исключение погрешностей, т.е. повышение точности измерений.
Сущность полезной модели состоит в том, что устройство для выполнения 3Д измерений объекта содержит проектор с транспарантом заданных непересекающиеся изображений и источником света для проецирования на исследуемый объект изображений, ориентированных вдоль одной из продольных осей с постоянным расстоянием между ними и, по меньшей мере, одну камеру для регистрации положении изображения, размещенные на разных расстояниях от проектора с образованием триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральным лучом камеры, с возможностью подключения процессора ЭВМ для измерения и определения координат и монитора для формирования 3Д изображения объекта, при этом расстояние между проектором и камерой выбирается как произведение расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла последней, причем проектор выполнен с транспарантом изображений, представляющих собой дискретную последовательность геометрических элементов, равномерно расположенных вдоль прямолинейной траектории, параллельной траектории другого изображения, а оси камеры и проектора расположены под углом к друг к другу, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Проектор, камера, ЭВМ и монитор размещены в общем корпусе, а расстояние между камерой и проектором выбирается как произведение расстояния от проектора до точки пересечения центральных лучей проектора и камеры на тангенс триангуляционного угла между центральным лучом проектора и центральным лучом камеры.
Как правило, проектор содержит источник излучения, линзу конденсора, транспарант с проецируемыми изображениями геометрических элементов и объектив для проецирования изображения с транспаранта на исследуемый объект.
Как правило, камера содержит матрицу приемника камеры и объектив, установленный с возможностью проецирования изображения объекта исследования на матрицу приемника камеры.
Предпочтительно, устройство снабжено модулем беспроводных средств связи из группы: Bluetooth, WiFi, NFC для беспроводной передачи данных на другие устройства коммуникации, и разъемом для подключения внешних съемных накопителей для сохранения и передачи данных на другой компьютер (ЭВМ)., а также батареей для питания ЭВМ.
Предпочтительно, устройство снабжено, по меньшей мере, одной дополнительно установленной уточняющей камерой, при этом первая и каждая уточняющая камеры установлены на разных расстояниях от проектора с образованием разных триангуляционных углов между центральным лучом проектора и центральными лучами камер, с возможностью уточнения значений продольной и вертикальной координат.
Две камеры могут быть размещены с одной стороны от проектора или, по меньшей мере, две камеры могут быть размещены с двух сторон от проектора.
Предпочтительно, устройство дополнительно снабжено цветной камерой и контроллером для синхронизации источников света излучателя проектора.
Предпочтительно, устройство выполнено в виде моноблочного мобильного 3Д сканера, при этом его оборудование, в том числе, проектор, камеры, ЭВМ и монитор, размещены в общем корпусе, снабженном ручкой.
На чертеже фиг. 1 изображена схема расположения оптических осей проектора и камеры при проецировании изображения в виде точек на объект, на фиг. 2 - схема расположения точек на проецируемом (первичном) изображении, которое проецирует проектор, на фиг. 3 - принимаемое изображение точек, которое наблюдает камера, на фиг. 4 - отрезки сдвига точек на принимаемом изображении полученных с разных камер, на фиг. 5 - возможные изображения, которые можно проецировать с помощью проектора, на фиг. 6 - пример расположения двух камер, проектора и цветной камеры, на фиг. 7 - пример расположения трех камер, проектора и цветной камеры, на фиг. 8 - пример компоновки устройства моноблочного мобильного 3Д сканера, на фиг. 9 - блок-схема, отражающая последовательность съемки объекта и последовательность обработки полученных изображений на ЭВМ, на фиг 10. изображена схема подключения компонентов внутри корпуса.
На чертежах позициями обозначены источник 1 излучения, который может включать в себя несколько синхронизированных источников света; линза 2 конденсора; транспарант 3 с проецируемым изображением геометрических элементов, например, в виде точек 8 и 9; объектив 4 проектора 5 и объектив 4 камеры 6; проектор 5; рабочая зона 7 объекта 16; проецируемые точки 8 и 9; центральный луч 10 проектора; центральный луч 11 камеры 6; матрица 12 приемника камеры 6; дальняя плоскость 13 объекта 16; ближняя плоскость 14 объекта 16; средняя плоскость 15 объекта 16; отрезок 17 сдвига точки 8; отрезок 18 сдвига точки 8; объект 16, на который проецируется изображение с точками, отрезок 19 сдвига точки 8 при расположении камеры 6 смещенной по отношению к проектору 5 только в вертикальной плоскости; полигоны 20 для построения полигональной сетки; спроецированная линия 21; точки 22, 23, отрезков сдвига которых пересекаются (фиг. 4); пропуски (интервалы) 24 в проектируемых траекториях, которые можно использовать как точки; штрихи 25 на проектируемых траекториях, которые можно использовать аналогично точкам; проектор 5 на виде спереди; ближайшая к проектору 5 камера 6 для построения 3Д изображения объекта 16; цветная камера 26 для съемки цвета объекта 16; кольцевая вспышка 27 для получения качественной текстуры объекта 16; уточняющая камера 28 для построения 3Д изображения; вторая уточняющая камера 29 для построения 3Д изображения; корпус 30 устройства, функционально представляющего собой 3Д сканер; монитор 31; аккумуляторная батарея 32, малогабаритная ЭВМ (электронная вычислительная машина) 33; оптический кронштейн 34; ручка 35, за которую удобно держать корпус 30, контролер 36 для управления синхронизацией камер 6, 26, 28, 29 и источников излучения проектора 5; внешний съемный накопитель 37 для сохранения данных.
Проектор 5, камера 6, ЭВМ 33 и монитор 31, а также остальное перечисленное оборудование моноблочного мобильного устройства (ЗД сканера) размещены в общем корпусе 30 устройства (функционально представляющего собой переносной ЗД сканер), т.е. имеющего габариты и массу, выбранные из условия возможности его ручной переноски. Транспарант 3 (идентично: шаблон, слайд и т.п.), например, тонкая пластина, обладающая в разных точках плоскости, на которую падает световой луч источника 1 излучения, различной поглощательной способностью или показателем преломления. При прохождении плоской световой волны через транспарант приводит к амплитудной или фазовой модуляции сигнала на выходе транспаранта.
Монитор 31 направлен в сторону пользователя. Проектор 5 состоит из источника 1 излучения, линзы 2 конденсора, транспаранта 3 с проецируемым изображением точек 7 и 8, объектив 4, который проецирует изображение транспаранта 3 на объект 16. Камера 6 состоит из матрицы 12 приемника камеры 6 и объектива 4, который проецирует изображение объекта 16 на матрицу 12 приемника. В корпусе 30 размещены батарея 32 для питания ЭВМ 33, камер 6, 26, 28, 29 и проектора 5, а также модуль беспроводных средств связи из группы: Bluetooth, WiFi, NFC для беспроводной передачи данных на другие устройства коммуникации, и разъем для подключения внешних съемных накопителей для сохранения и передачи данных на другой компьютер (ЭВМ).
Работа сканирующего устройства контроля линейных размеров трехмерных объектов осуществляется следующим образом.
Каждое проецируемое изображение, которое проецирует проектор 5, состоит из периодически (равномерно) расположенных вдоль воображаемой прямолинейной траектории (воображаемой прямой линии) проектируемых дискретных элементов - точек, тире (идентично - отрезков изображения) или интервалов между указанными элементами. Эти элементы располагаются с периодом Tx по оси X изображения и с периодом Ту по оси У.
В предлагаемом устройстве при проецировании изображений в виде последовательностей (вдоль двух непересекающихся траекторий) проектируемых дискретных геометрических элементов, например, точек, и расположении камеры 6 под углом к проектору 5 не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной, можно увеличить используемый отрезок 17 сдвига, т.е. величину возможного сдвига точки 8 пока она не начнет пересекать возможные соседние отрезки сдвига, т.е. положения других точек по фиг. 2. Таким образом, при проецировании на объект 16 изображения в виде последовательности дискретных элементов, например, точек можно более равномерно и рационально использовать площадь матрицы 12 приемника камеры 6 и повысить чувствительность устройства по оси Z, т.к. координата ζ содержится в возможном смещении точки 8 по отрезку 17 сдвига на матрице 12 приемника камеры 6. На фиг 2 можно наблюдать, как отрезок 17 сдвига возможного сдвига точки проходит через площадь на матрице 12 приемника, т.е. использует площадь на матрице приемника 12, которую обычно занимают проецируемые элементы на траектории и отрезок сдвига. Также на фиг 2 можно наблюдать, на сколько возможный сдвиг по отрезку 17 сдвига больше, чем сдвиг по отрезку 19 сдвига.
Как изображено на фиг. 1, рабочая зона 7 по глубине, т.е. по координате Z совпадает с глубиной резкости объектива 4. Глубина резкости объектива 4 может быть справочной величиной объектива камеры 6.
2
Глубина Tz резкости объектива 4 камеры 6 для каждого конкретного случая может определяться, например, как: Tz=2DC/(f/S),
2
где: D - диафрагма объектива камеры (м), С - размер пикселя на камере (мкм), f - фокусное расстояние объектива камеры (м), S - расстояние от проектора 5 до точки пересечения центральных лучей 11, 10 проектора 5 и камеры 6 (м).
Координаты Z1 и Z2 - это границы рассматриваемой рабочей зоны. В этой рабочей зоне производятся измерения объекта 16 по трем координатам. Предполагается, что за пределами этой зоны сканирующее устройство не производит измерения. Рабочая зона обычно выглядит геометрически, как область пространства, где пересекаются лучи проектора 5, который формирует изображение и лучи, ограничивающие поле зрения камеры 6. Допускается для увеличения рабочей зоны по глубине включать область пространства, в которой на ближней дистанции камера 6 может частично не наблюдать объект 16, а на дальней дистанции проектор 5 может подсвечивать не целиком всю поверхность объекта 16, которую может наблюдать камера 6. Точка пересечения центрального луча 11 оптической системы камеры 6 и центрального луча 10 оптической системы проектора 5 находится по середине рабочей зоны. Расстояние фокусировки от источника 1 излучения проектора 5 до середины рабочей зоны обозначено на фиг. 1 латинской буквой S, на это расстояние обычно фокусируют объективы камеры 6 и проектора 5. Изображение, нанесенное на транспарант 3, спроецировано проектором 5 на объект 16.
Объект 16 представлен на фиг 1 в виде сечения, на фиг. 3 объект 16 представлен в изометрии. Объект 16 состоит из трех частей, т.е. плоскостей средняя плоскость 15 проходит через точку пересечения центрального луча 11 оптической системы камеры 6 и центрального луча 10 проектора 5 на расстоянии фокусировки S (указанной на фиг. 1), плоскость 13 находится на большем удалении от проектора 4, чем средняя плоскость 15, плоскость 14 находится ближе к проектору 4, чем средняя плоскость 15.
На матрице 12 приемника камеры 6 можно наблюдать изображения спроецированных точек 8 и 9. В зависимости от того, на каком расстоянии от проектора 5 и камеры 6 находится та или иная часть объекта точки 8 и 9 могут попадать в разные пиксели матрицы 12 приемника камеры 6. Например, если мы спроецируем точку 8 на объект 16 то в зависимости от того, от какой плоскости отразится точка 8 от средней плоскости 15 или от плоскости 14 мы будем наблюдать точку 8 в разных местах на матрице 12 камеры 6. Области на матрице 12, в которые могут проецироваться точки 8,9, являются отрезками 17, 18 сдвига этих точек.
Перед сканированием объекта 16 производят процесс калибровки сканирующего устройства. В процессе калибровки можно запомнить и сопоставить все возможные положения точек 8, 9, т.е. запомнить все возможные индивидуальные отрезки сдвига точек 8, 9 на изображении, полученном с камеры 6 и выбрать оптимальное расстояние до объекта 16. Эта информация в дальнейшем используется при работе с объектом 16. Для этого перед камерой 6 и проектором 5 устанавливают плоскость (например, полотнище - экран) перпендикулярно оптической оси проектора 5 или камеры 6 и начинают перемещать вдоль оси проектора 5 или камеры 6. Перемещение плоскости такого экрана производят с помощью высокоточной подвижки или подачи, например от станка с ЧПУ, получая координаты с высокой точностью в несколько микрон от высокоточной подачи, запоминают, как зависит сдвиг или отрезок сдвига точек 8, 9 на изображении камеры 6 в зависимости от расстояния до проектора 5 и камеры 6. При таком процессе калибровки также учитывается дисторсия (нарушение геометрического подобия между объектом и его изображением) и другие искажения от объективов линз камеры 6 и проектора 5.
В двумерном случае отрезок 19 сдвига точки на изображении выглядит как на фиг. 2
Для того чтобы безошибочно измерять объект 16 по трем координатам необходимо, чтобы отрезки 17, 18 сдвига точек не пересекались на изображении, созданном камерой 6, в независимости от того, где объект 16 или части объекта 16 находятся. Чтобы это условие выполнялось, необходимо правильно выбрать периоды Тх и Ту между точками по осям X и У расположения точек на изображении проектора 5, а также углы и базовые расстояния между проектором 5 и камерой 6 по осям x и у. Выбрать эти параметры можно из соотношений tg αy=Ty/z1-z2, tgαx=Tx/z1-z2. Базовые расстояния Ly=S*tgαy и Lx=S*tgαx
Где S - расстояние фокусировки от источника 1 излучения проектора 5 до середины рабочей зоны или расстояние от источника 1 излучения проектора 5 до точки пересечения центральных лучей 10, 11 камеры 6 и проектора 5.
На фиг. 2 видно, что если располагать камеру 6 строго под проектором 5, т.е. если угол αx равен 0 то отрезок 19 сдвига точки короче, чем отрезок 17 сдвига точки. Отсюда следует, что выгодней располагать камеру 6 к проектору 5 и под углом αy и под углом αx, т.е. камера 6 должна располагаться под углом к проектору 5 не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. За счет такого расположения камеры 6 относительно проектора 5 можно более точно измерять координату Z потому, что на той же области пространства отрезок 17 сдвига точки длиннее и на изображении камеры 6 на отрезок 17 сдвига приходится больше пикселей, т.е. на ту же область пространства по Z можно сделать больше измерений на матрице 12 приемника камеры 6.
На фиг. 3 изображение, которое наблюдает камера 6, вид со стороны камеры 6. Проектор 5 проецирует изображение, состоящие из точек на объект 16, камера 6 расположена к осям У и X под углом αу и под углом αх. На фиг. 3 можно (для наглядности) наблюдать сетку в узлах которой находятся точки. Эта сетка, которая соответствует такому положению точек, если бы объект 16 состоял только из средней плоскости 15. Например, точка 8 попала на плоскость 14, которая находится ближе к проектору 5, чем средняя плоскость 15, поэтому она сместилась выше на изображении камеры 6, сдвиг точки 8 изображен стрелочкой вниз на фиг. 3. Возможное (выколотое) положение точки 8 в случае непрерывной плоскости 15 объекта 16, т.е., то предполагаемое положение, которое возможно, если бы она спроецировалась на среднюю плоскость 15, находится в начале стрелочки а положение точки отразившейся от плоскости 14 совпадает с концом стрелочки. Также можно наблюдать сдвиг точки 9, которая спроецировалась на плоскость 13. Для точки 8 изображен отрезок 17 сдвига, вдоль которой она может смещаться. На фиг. 3 можно наблюдать, что точка 8 может занимать любое положение на отрезке 17 сдвига, и при этом не будет пересекаться с возможными отрезками сдвига и положениями других точек.
Для увеличения плотности точек и, тем самым, точности измерений размеров небольших деталей, можно использовать вторую камеру 28, расположенную относительно проектора 5 под другим углом, отличным от угла расположения первой камеры 6. Таким образом, можно увеличить, например, в два раза плотность точек и отрезки сдвига точек начнут пересекаться, но с помощью второй камеры 28 можно разрешать неопределенность в местах пересечения. На фиг. 4 изображены точки 22 и 23, отрезки сдвига которых пересекаются на изображении одной камеры 6, но эту неопределенность можно проверить, если использовать изображение со второй камеры 28, которая расположена по отношению к проектору 5 например под углом - αx, т.е. с другим знаком чем первая камера 6 и отрезки сдвига, изображенные пунктиром, для этих двух точек на второй камере 28 не пересекаются. Для большего увеличения плотности слайда можно использовать и третью камеру 29 для проверки и уточнения позиций, найденных точек, а для съемки текстуры поверхностей объекта 16 - цветную камеру 26, расположенную между проектором 5 и самой дальней от проектора 5 камерой 28.
Можно формировать изображение, которое проецирует проектор 5 с помощью штрихов или полос (отрезков), между которыми как бы расположены светлые точки 24, как на фиг. 5. Точки могут быть темные, если изображение негатив. Эти точки выглядят как разрывы в линиях траекторий. Можно формировать изображение с помощью полос, которые пересечены вертикальными штрихами 25. Эти штрихи 25 или разрывы в линиях траекторий смещаются на изображении камеры 6 подобно точкам описанным выше. Для того чтобы понять какому номеру периода принадлежит отрезок, который мы наблюдаем на изображении камеры 6, нужно проследовать вдоль отрезка сдвига вправо или влево до ближайшего разрыва или штриха и по его положению на его отрезке 17 сдвига или 18 определить к какому периоду принадлежит этот отрезок сдвига.
Предполагаемые схемы расположения камер 6, 26, 28, 29 и проектора 5 в корпусе 30 представлены на фиг. 6 и фиг. 7. На чертежах видно что у каждой камеры 5, 26, 28, 29 есть базовые расстояния по X и У, т.е. между центральным лучом каждой из камер 25, 26, 28, 29 и центральным лучом проектора 5 имеются разные углы в двух плоскостях в горизонтальной и вертикальной.
Камера 26 не наблюдает спроецированное изображение от проектора 5, а используется для съемки текстуры, т.е. цвета объекта 16. Источник света в проекторе 5 может быть импульсный и длина импульса составляет доли секунды. Камера 26 производит захват кадра с некоторой задержкой во времени в несколько долей секунды и не наблюдает свет от источника в проекторе 5. Для получения хорошего изображения цвета объекта 16 вокруг камеры 26 используется кольцевая вспышка 27 выполненная из импульсных источников белого света которые тоже включаются синхронизировано с камерой 26, т.е. с некоторой задержкой по отношению к источнику в проекторе 5. Синхронизацией камер 6, 26, 28, 29 и источников света проектора 5, а также их задержкой управляет контролер 36.
на фиг. 6 приведена возможная схема сканирующего устройства, вид спереди, с двумя камерами 6 и 28 изображения с которых используются для вычисления 3Д изображения.
на фиг. 7 приведена возможная схема сканирующего устройства, вид спереди, с тремя камерами 6 и 28 и 29, изображения с которых используются для вычисления 3Д изображения.
На фиг. 8 приведена схема сканирующего устройства, вид сбоку, которое состоит из корпуса 30 в котором предусмотрена ручка 35, за которую пользователю удобно держать корпус 30 в руке. На мониторе 31 пользователь имеет возможность наблюдать как идет процесс сканирования. На монитор 31 выводится изображение с цветной камеры 26 для того, чтобы пользователь мог понимать какая часть объекта 16 попадает в поле зрения камеры 26 и на него наложено изображение трехерной полигональной сетки, которое было рассчитано при помощи встроенной ЭВМ 33 путем обработки изображений с камер 6, 28 и 29 в цифровой форме. Это необходимо, чтобы пользователь мог понимать какую часть объекта 16 он измерил.
Каждая полигональная 3Д поверхность регистрируется с помощью встроенной ЭВМ 33 в системе координат объекта 16 с помощью алгоритма ICP.
Проектор 5 и камеры 6, 28 и 26 и 29 жестко закреплены на оптическом кронштейне 34. Оптический кронштейн 34 должен быть выполнен из достаточно прочного материала - типа стали или алюминия, у которого не очень высокий коэффициент линейного расширения, так как сохранение взаимного положения камер 6, 26, 28 и 29 относительно проектора 5 очень важно и влияет на точность построения поверхности, это положение измеряется в процессе калибровки устройства. Любые небольшие микронные подвижки камер 6, 26, 28, 29 относительно проектора 5 могли бы приводить к искажениям измерений, которые измеряются миллиметрами. В процессе сканирования при регистрации поверхностей в систему координат объекта 16 с помощью алгоритма ICP, ошибка, полученная из-за подвижек камер 6, 26, 28, 29 на каждой поверхности суммируется, а это приводило бы к тому, что искажения измерений объекта 16 могли бы исчисляться уже сантиметрами.
Сохранение и передача данных может быть произведена через разъем для подключения внешних съемных накопителей. Кроме того, с помощью модуля беспроводных средств связи из группы: Bluetooth, WiFi, NFC обеспечивается, при необходимости, беспроводная передача данных в цифровой форме на другой компьютер (ЭВМ).
При осуществлении измерений с помощью описанного устройства (функционально представляющего собой 3Д сканер) необходимо взять это моноблочное мобильное устройство за ручку 35, расположить измеряемый предмет 16 в поле зрения камер 6, 26, 28, 29, так чтобы его можно было наблюдать на мониторе 31 т.к. изображение с цветной камеры 26 непосредственно (без обработки) отображается на мониторе 31. Далее следует расположить измеряемый объект 16 на правильном расстоянии от проектора 1, т.е. так, чтобы он находился в рабочей зоне 7. В момент работы, на объект 16 проектор 5 проецирует изображение транспаранта 3, подсвечивает объект 16, камера 6 наблюдает отраженный свет и фиксирует изображение подсвеченного объекта 16. Затем встроенная ЭВМ 33 обрабатывает изображение с камеры 6, если есть неопределенности неоднозначности в вычислениях, то при вычислениях используются изображения, полученные с камер 28 и 29 для проверки и уточнения положения элементов спроецированного изображения транспаранта 3. После обработки изображений с камер 6, 26, 28, 29, ЭВМ 33 отображает на экране 31 рассчитанное изображение ЗД модели объекта 16 с рассчитанными размерами. При необходимости, пользователь, держа моноблочное мобильное устройство за ручку 35, обходит объект 16 вокруг, постоянно удерживая объект 16 в рабочей зоне 7, и получает изображения объекта 16 с разных сторон или с разных позиций проектора 5 по отношению к объекту. ЭВМ 33 обрабатывает изображения, полученные с камер 6, 28, 29 на каждом ракурсе и с помощью алгоритма ICP помещает новые ЗД модели в систему координат первой полученной ЗД модели с расчетом его размеров. В результате пользователь получает ЗД модель объекта 16, т.е. пользователь получает ЗД измерения линейных размеров объекта 16 со всех сторон.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает уменьшение неравномерности получаемых измерений по оси Y, повышении чувствительности по оси Z., и практически полное исключение погрешностей, т.е. повышение точности измерений.
Настоящее изобретение реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в промышленности.
Используемые при реализации измерений алгоритмы ICP следующие.
[1] Besl, P. and McKay, N. "A Method for Registration of 3-D Shapes," Trans. PAMI, Vol. 14, No. 2, 1992
[2] Chen, Y. and Medioni, G. "Object Modeling by Registration of Multiple Range Images," Proc. IEEE Conf. on Robotics and Automation, 1991
[3] RUSINKIEWICZ, S., AND LEVOY, M. 2001. Efficient variants of the ICP algorithm. In Proc. of 3DIM, 145-152.