WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 15 |

Разработка и исследование оптико-электронных методов определения трехмерной формы объектов

-- [ Страница 5 ] --

Процедура построения поверхности видимой части объекта состоит в следующем. Вначале назначается плоскость, относительно которой будет отсчитываться третья координата (глубина). С этой целью берется любая произвольная точка поверхности сканируемого объекта с координатами у0, z и координата х0 этой точки приравнивается нулю. Поскольку целью сканирования является определение формы объекта (его оболочки), а не его расположение в пространстве, то такой выбор не повлияет на конечный результат. Затем, перемещаясь по произвольному пути из точки с координатами х0, у0, z0 в точку с координатами у1, z1 путем наращивания координаты х, определяется координата глубины x1 в этой точке в соответствии с выражением В случае дискретных изображений интегралы в формуле (9) заменяются суммами, а координаты у и z – номерами столбцов и строк, в которых расположены пиксели исходных двумерных изображений, и (9) принимает вид:

В этой формуле приняты следующие обозначения: l и n – текущие номера строки и столбца изображения, полученного посредством камеры; l0 и n0 – номера строки и столбца начальной точки поверхности, для которой координата глубины принята равной нулю; K и N – номера строки и столбца пикселя, для которого измеряется третья дискретная координата М. Шаг дискретизации третьей координаты М равен шагу дискретизации исходных двумерных изображений.

Таким образом, для того чтобы определить третью координату (глубину) любой точки сканируемого объекта, необходимо в общем случае измерить яркость этой точки при трех различных расположениях источника освещения. Однако, при измерениях ни одна точка сканируемого объекта не должна быть затенена какими-либо частями самого объекта. В случае сканирования простейших объектов достаточно каждую их точку поочередно осветить с одних и тех же трех позиций. Более сложные объекты, например лицо человека, потребуют уже большего количества источников света, используемых попеременно для освещения различных его частей, так как при некоторых расположениях источников освещения отдельные его участки могут быть затенены другими частями объекта.

Выше речь шла об определении третьей координаты той части объекта, которая видна камере, т. е. только части всего объекта. В рассмотренном случае камера располагалась на оси х. Для получения трехмерного изображения всего объекта необходимо провести его съемку со всех сторон и затем сшивку всех полученных при этом трехмерных изображений его частей. В отличие от рассмотренных ранее методов сканирования проблема сшивки в данном случае намного проще, что является серьезным достоинством этого метода. Это обусловлено тем, что в отличие от методов, упомянутых выше, третья координата сканируемого объекта (глубина) в данном методе определяется для каждого пикселя исходных двумерных изображений, благодаря чему при сшивке отдельные фрагменты трехмерного объекта легко совмещаются.

Недостатком рассмотренного метода, как и других методов трехмерного сканирования, использующих свет, является то, что он ориентирован на работу с объектами, диффузно отражающими свет. Для сканирования объектов, имеющих блестящие зеркальные поверхности, как, например, окрашенный кузов автомобиля или прозрачные поверхности (к примеру, изделия из стекла), их необходимо покрывать антибликовым составом, создающим белую матовую поверхность.

При экспериментальной проверке описанного метода трехмерного сканирования был выбран сравнительно простой объект, а именно конус, поверхность которого диффузно рассеивала свет. Конус располагался таким образом, что его вертикальная ось совпадала с координатной осью z.

Простота объекта и его расположение позволили при определении третьей координаты обойтись освещением каждой точки его поверхности только двумя, а не тремя источниками света, например фронтальным и боковым, как это показано на рисунке 15. Так можно было поступить потому, что в данном случае яркость пикселей на контурах объекта априори постоянна. При боковом освещении слева яркость левого контура максимальна и постоянна, при боковом освещении справа яркость правого контура максимальна и постоянна, а при фронтальном освещении яркость левого и правого контуров равна нулю. В данном случае для расчета третьей координаты (глубины) трехмерного изображения можно было воспользоваться сокращенным вариантом формулы (11):

При этом задавали на контуре изображения конуса, показанного на рисунке 15б, одно и то же, заранее известное значение интенсивности, в рассматриваемом случае равное нулю, а затем перемещались вдоль строки изображения в точку, координату глубины которой определяли. При выполнении эксперимента вначале были получены двумерные цифровые изображения конуса при трех различных положениях источников освещения (спереди, слева и справа), которые показаны на рисунке 15. Эти изображения различались между собой только типом освещения, поскольку съемка велась при неизменном положении камеры и объекта. Изображение конуса, показанное на рисунке 15а, было получено при боковом освещении слева, а изображение, показанное на рисунке 15б, – при боковом освещении справа.

(а) – боковое освещение слева, (б) – боковое освещение справа, Рисунок 15 – Изображения конуса, сделанные при неизменном положении камеры и объекта, различающиеся между собой типом освещения На этих изображениях фон, на котором виден конус, оставался неосвещенным, поскольку лучи от источников света по нему скользили, не освещая его. Изображение конуса, показанное на рисунке 15в, было получено при фронтальном освещении. В этом случае фон, на котором виден конус, освещен. Далее, для каждого пикселя изображения, показанного на рисунке 15а, и соответствующего ему пикселя изображения, показанного на рисунке 15в, а также для соответствующих пар пикселей изображений, доказанных на рисунках 15б и 15в, измерялись интенсивности, значения которых прямо пропорциональны силам диффузно рассеянного света. После этого по формуле (7) определялся сначала тангенс угла, а затем по формуле (12) находилась координата глубины М. Дискретные координаты L, N и М были использованы для построения трехмерного изображения сканируемого объекта, которое показано на рисунке 16б. На рис. 16а приведены линии постоянной высоты, представляющие собой окружности, радиус которых линейно убывает по мере приближения к вершине конуса.





(б)– аксонометрическое изображение объекта.

В описанном методе определения трехмерной формы показано, что в общем случае для определения всех трех координат объекта необходимо получить для каждой его точки интенсивность диффузно отраженного света при трех различных направлениях световых лучей, освещающих этот объект.

Эти направления в общем случае могут быть выбраны произвольно, совсем не обязательно, чтобы они совпадали с направлениями координатных осей х, у, z, как это было сделано. Однако имеющаяся априорная информация о наблюдаемом объекте может снизить это требование до двух источников света, как, например, в описанном выше эксперименте, а если еще априорно известны значения коэффициента отражения в каждой точке объекта, то и до одного источника света. Зрительная система человека, судя по всему, широко использует это обстоятельство, благодаря чему зритель легко воспринимает изображенные на фотографии трехмерные объекты как объемные и рельефные, даже при наличии одного источника света. Существенно заметить также, что чувствительность нашего зрения к восприятию погрешности представления размеров наблюдаемого объекта по глубине много ниже чувствительности восприятия погрешности представления его размеров по двум другим координатам. Так, если трехмерное изображение шара сплюснуть по ширине, то уже погрешность в 4% будет замечена зрителем, в то время как если его сплюснуть по глубине, то даже существенно большие искажения остаются незаметными. Толерантность зрительной системы к погрешности, с которой воспринимается координата глубины объекта, делает распределение светотени в его изображении (в проекции его на сетчатки глаз), по–видимому, основным источником информации о координате глубины.

Способ бесконтактного измерения линейных размеров 1.2. трехмерных объектов посредством проецирования полос При решении различных задач проектирования, дизайна, безопасности, промышленного контроля, метрологии требуются данные о геометрической форме и размерах объектов в трехмерном пространстве. Одними из самых распространенных бесконтактных методов получения данных о форме трехмерных объектов являются методы, основанные на оптической триангуляции [4].

Принцип действия любого бесконтактного профилометра, в основе которого лежит метод оптической триангуляции, заключается в проецировании на объект точки, линии или системы полос и регистрации полученного изображения объекта. Причем направления проецирования и регистрации изображения составляют некоторый угол, за счет чего возможно получить данные о высоте объекта.

Простейшими устройствами такого типа являются профилометры, которые проецируют на объект точку или линию. При этом данные о высоте объекта получаются, соответственно, только в этой точке или вдоль линии.

Для получения всей топограммы поверхности необходимо сканирование объекта. Это является основным недостатком сканирующих профилометров, так как для измерения всей поверхности объекта требуется значительное время. Другим недостатком является сложность конструкции сканирующего узла.

При измерении динамических объектов, как правило, применяют профилометры, в которых для освещения используется структурированный свет в виде системы параллельных черно-белых, полутоновых или цветных полос. Информация о высоте (глубине) объекта в этом случае заключена в деформации системы полос. Для извлечения этой информации требуются математические выражения, связывающие поперечные отклонения полос с высотой объекта, которые зависят от геометрии оптической схемы.

Возможны четыре варианта оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения. Их объединяет то, что источник освещения и регистратор изображения находятся на одном расстоянии от некоторой базовой плоскости, на которой находится объект.

Различие заключается в оптических схемах проецирующего и регистрирующего каналов. Показано, что только два варианта оптической схемы позволяют использовать алгоритмы расшифровки интерферограмм для реконструкции топограмм поверхности объекта.

Возможны следующие варианты:

1. освещение и регистрация изображения объекта в параллельных пучках;

2. освещение и регистрация изображения объекта в конусных пучках;

3. освещение объекта в конусных пучках, и регистрация изображения объекта в параллельных пучках;

4. освещение объекта в параллельных пучках, а регистрация изображения объекта в конусных пучках.

Предполагается, что в схемах с конус–пучками используются обычные объективы, а в схемах с параллельными пучками – афокальные или телескопические оптические системы, состоящие из двух объективов с общей фокальной плоскостью.

Далее приведены варианты оптических схем объекта и регистрации его изображения. Для каждого варианта оптической схемы выведены формулы, связывающие отклонения полос с высотой объекта.

Геометрия оптической схемы освещения объекта структурированным светом и регистрации его изображения в конусных пучках показана на рисунке 17.

Здесь и далее предполагаем, что центры выходных зрачков объективов источника освещения О" и регистратора О' расположены на одном расстоянии l от плоскости XY (ось Y перпендикулярна плоскости рисунка) и на расстоянии d друг от друга. Оптические оси освещающего и регистрирующего каналов расположены под углом относительно друг друга.

Выбирается из конуса лучей, исходящих из точки О'', произвольный луч O''B. Первые измерения проводят без объекта, показанного на рисунке 17 в виде дуги.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 15 |
 


Похожие работы:

« ЛАРИН АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель -кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бакулин В.Н. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Резниченко В.И. Москва 2013 2 Содержание ...»








 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.