Sind Computer Stereo Vision-Techniken für Messungen im Submillimeterbereich geeignet?

Ich habe ein Projekt, in dem ich ein Objekt abbilden und die Höhen von Merkmalen in diesem Bild mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter ableiten möchte (genau, wie genau diese noch zu bestimmen ist, aber lassen Sie uns vorerst 100stel Millimeter sagen). .

Ich wurde zuvor darauf hingewiesen, dass direkte Laserentfernungstechniken nicht geeignet sind

• Die Fahrzeit ist zu kurz und erfordert daher zu viel Präzision, um präzise Berechnungen durchzuführen
• Geringe Vibrationen (z. B. wenn eine Person in der Nähe des Geräts geht) stören das Ergebnis

Ich habe ein Lasergerät beobachtet, das für ungefähr 1000 US-Dollar verkauft wird und die Präzision erreichen kann, aber unter dem Vibrationsproblem leidet (das ist in Ordnung, die mechanische Isolierung des Geräts ist eine weitere Diskussion).

Ich würde es vorziehen, ein kostengünstigeres Ergebnis zu erzielen und Stereo-Vision als Alternative in Betracht zu ziehen. Als Neuling auf diesem Gebiet bin ich mir nicht sicher, ob die gewünschte Präzision erreicht werden kann.

Ist die gewünschte Genauigkeit (zumindest) theoretisch erreichbar?

Gibt es ein empfohlenes Papier oder eine empfohlene Ressource, um dieses Thema näher zu erläutern?

Zusätzliche Bemerkungen

Die fraglichen Objekte reichen von ungefähr 1/2 "Quadrat bis zu ungefähr 2 1/2" Quadrat mit manchmal sehr geringer Dicke (1/16 "?). Ein großer Prozentsatz der Oberfläche sollte flach sein, obwohl ein Test dies tun wird Dies muss bestätigt werden. Die Merkmale sind ziemlich rau (im Allgemeinen scharfe Übergänge). ^{17. August um 11:00 Uhr}

Eines der "härteren" interessanten Objekte wäre etwa 20 mm², 1,25 mm hoch. Die fraglichen Oberflächenmerkmale würden in der Größenordnung von 0,1 - 0,3 mm liegen, die ich schätze. Die Kameraposition würde wahrscheinlich in der Größenordnung von 6 "liegen. Gibt Ihnen dies einen besseren Einblick? ^{17. August um 15:15}

Ich versuche nicht, eine einzelne Profil- / Reliefmessung durchzuführen, sondern eine Oberflächenhöhenkarte des Objekts zu erstellen. Die Oberflächeneigenschaften des Objekts sowie das Gesamtprofil sind von erheblichem Interesse.

Stereo-Bildgebung

Angesichts des großen Sichtfelds, das Sie in Bezug auf die von Ihnen gewünschte Genauigkeit und die gewünschte Genauigkeit benötigen, denke ich, dass die Stereobildgebung eine Herausforderung sein kann. Daher müssen Sie die Unterschiede, die Sie messen möchten, irgendwie verstärken .

Strukturierte Beleuchtung

Wenn Sie im Wesentlichen versuchen, das Profil eines Objekts zu messen, haben Sie eine einzelne hochauflösende Kamera und strukturierte Beleuchtung in Betracht gezogen?

^{Dank der Loop-Technologie für dieses Bild, das ohne Erlaubnis verwendet wird, wird die Zuschreibung hoffentlich ausreichen.}

Beachten Sie: Je flacher der Streifwinkel, desto genauer können Sie messen, desto geringer ist jedoch die unterstützte Schärfentiefe. Daher müssen Sie für Ihre Anwendung eine Optimierung für Ihre Anforderungen vornehmen oder Ihr System anpassbar machen (ein Laserwinkel für 0) -500um, ein anderes für 500-1500um und so weiter). In diesem Fall müssten Sie wahrscheinlich jedes Mal kalibrieren, wenn Sie die Laserposition geändert haben.

Übrigens, eine sehr kostengünstige Möglichkeit, dies auszuprobieren, wäre, eine Laserschere mit einer einfachen Linienlaser-LED in die Hand zu nehmen.

Schließlich können Sie das Vibrationsproblem beseitigen, indem Sie mehrere Stichproben erstellen, Ausreißer verwerfen und dann den Durchschnitt bilden. Eine bessere Lösung wäre jedoch, die gesamte Testvorrichtung auf einem Granitblock zu montieren. Dies funktionierte gut für Lasermikrobearbeitungswerkzeuge, mit denen ich in der Vergangenheit gearbeitet habe und die eine Position auf Mikrometerhöhe und Tiefenschärfe erfordern, selbst wenn sie sich in Fabriken befinden.

Etwas zurück von den Umschlagberechnungen.

Nehmen wir einen Einfallswinkel von 10 Grad gegenüber der Horizontalen und eine Kamera mit einer Auflösung von 640 x 480 und einem Sichtfeld von 87 x 65 mm an. Wenn wir den Strahl so platzieren, dass er ohne Probe am unteren Rand des Porträtrahmens liegt, und dann die Probe mit dem Strahl darüber platzieren, sollte dies eine maximale Höhe von ca. 15 mm und somit eine unkorrigierte Auflösung von ca. 24 um ergeben Für jedes Pixel läuft die Linie den Bildschirm entlang . Bei dieser Einstellung sollte eine Abweichung von 0,1 mm als 4-Pixel-Abweichung in der Position sichtbar sein.

Wenn wir einen Einfallswinkel von 2 Grad gegenüber der Horizontalen verwenden, sollte dies eine maximale Höhe von ca. 3 mm (Tan (2 Grad) * 87 mm) und damit eine unkorrigierte Auflösung von ca. 4,7 um pro Pixel ergeben Pixelsprung . Dies würde jedoch wahrscheinlich einen viel genaueren Linienlaser erfordern.

Hinweis: Wenn die Kamera nah genug ist, müssen Sie möglicherweise eine zweite Triggerberechnung unter Verwendung der Kamerahöhe durchführen, um die wahre Position der Linie relativ zur Basislinie zu bestimmen.

Beachten Sie auch, dass, wenn Sie keine absolute Genauigkeit benötigen und die lokale Wiederholbarkeit ausreicht (z. B. wenn Sie die Ebenheit einer Probe profilieren, um sicherzustellen, dass sie innerhalb vorgegebener Toleranzen liegt), Sie möglicherweise nur die relative Position der Laserlinie erkennen können genug.

Die Präzision einer Stereoanlage ist durch die Pixelgröße begrenzt. Theoretisch sollten High-End-Kameras eine ausreichende Pixeldichte für eine solche Präzision haben. Natürlich müssen die Kameras kalibriert werden und das Objekt muss sich in angemessener Nähe zu den Kameras befinden.

Es kommt auf die Geometrie an, aber sicher im Prinzip.

Ihre Objekte müssen eine ausreichende "Textur" aufweisen, mit der Sie identifizierende Merkmale von einer Kamera zur anderen zuordnen können. Anschließend müssen Ihre Kameras eine ausreichende Anzahl von Pixeln aufweisen, sodass eine Tiefenabweichung von 0,01 mm> 1 Pixel entspricht, wenn sie auf das Bild projiziert werden Ebene.

Das Herausfinden von Linsenverzerrungen kann bei diesen Maßstäben ein größeres Problem darstellen als normalerweise.

Für eine sehr feine Auflösung ist wahrscheinlich ein billiges und leicht erhältliches Lasertiefenmessgerät von Keyence die beste Wahl. Sie arbeiten, sie sind relativ billig und sie sind ein Industriestandard. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

Die billigste optische 2D-Technik könnte darin bestehen, ein "Schatten-Moire" -System unter Verwendung von Ronchi-Linealen zu erstellen. Unter der Anleitung eines Optikingenieurs habe ich vor einigen Jahren einige Handheld-Geräte entwickelt, um kleine Deformationen in matten Metalloberflächen zu messen. Wir konnten ziemlich leicht Tiefenänderungen von etwa 100 Mikrometer (0,1 Millimeter) feststellen, und obwohl ich mich nicht genau erinnere, konnten wir möglicherweise Tiefenunterschiede von etwa 10 bis 20 Mikrometer feststellen. Das Streifenmuster ist leicht zu interpretieren und bietet auch eine praktische Höhenkarte.

Hier ist eine vernünftige Erklärung der Schatten-Moire-Technik: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Ein Ronchi-Urteil kann ungefähr 100 US-Dollar kosten: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

Das Gerät selbst besteht aus einem Ronchi-Lineal (einer Glasplatte mit präzise aufgetragenen Linien), einer Lichtquelle, die in einem festen Winkel zum Lineal angebracht ist, und einem Betrachtungsrohr, das ebenfalls in einem genauen Winkel zum Lineal eingestellt ist. Unser Gerät wurde in direkten Kontakt mit der Oberfläche gebracht, aber Sie können auch ein berührungsloses Gerät erstellen.

Sobald Sie das Gerät zusammengeschustert haben, möchten Sie es kalibrieren. Wie hoch die erwartete Anzahl von Streifen pro Millimeter auch sein mag, Sie müssen sie dennoch kalibrieren. Für die Kalibrierung verwendeten wir dünne Endmaße, wobei das dünnste ein Mylar-Blech mit einer bekannten Dicke von 1/2 mil (0,0005 Zoll, ungefähr 12,5 Mikrometer) ist. Sie platzieren das Gerät mit dem Lineal auf einer flachen, halb reflektierenden Oberfläche, wobei der Endmaßblock unter einer Kante des Lineals liegt. Dies erzeugt eine Reihe von Rändern. Sie kennen die Höhe des Endmaßes und die Länge des Lineals. Mit einer kleinen Trigonometrie können Sie die Anzahl der Streifen pro Millimeter berechnen.

Eine Lasertriangulation mit einer einzelnen Kamera ist ebenfalls möglich, jedoch im Allgemeinen viel schwieriger, als es zunächst erscheint. Das Erreichen einer Tiefengenauigkeit von ca. 0,1 mm mit Hilfe der Lasertriangulation kann eine Menge Arbeit erfordern, und es gibt eine ganze Reihe von Problemen.

Für hochpräzises Scannen von Oberflächen können Sie bis zu 100.000 USD in ein wirklich gutes System investieren, das auf konfokaler Mikroskopie basiert. Sie sind geil cool. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

Theoretisch gibt es nichts, was dich aufhalten könnte. Ich kann mir jedoch zumindest ein paar Probleme mit der Bilderfassung vorstellen, die sich in dieser Größenordnung zeigen werden. Ich bin kein Experte in Fragen der Mikroskopie, hier sind ein paar Fragen:

• Wie würde die Tiefenvariation entlang der Sichtlinie mit der Entfernung von der Kamera zum Objekt verglichen werden? Unter orthografischen Skalierungsbedingungen ist die Korrektur zwar einfacher (die Tiefenänderung des Objekts ist im Vergleich zur Entfernung entlang der Sichtlinie vom Objekt zur Kamera winzig), dies würde jedoch nicht das gewünschte Detail liefern. Die Kamera müsste sich also ganz in der Nähe des Objekts befinden.

• Was wäre die Grundlinie im Vergleich zur Größe des Objekts? Breite Basislinien sind hart, während es gute Techniken für schmale Basislinien gibt. Es hört sich so an, als ob es eine Herausforderung sein könnte, zwei Kameras, die nahe beieinander liegen, physisch zu lokalisieren.

(Poste diese Antwort in der Hoffnung, OP zu helfen, obwohl meine Antwort für diese Seite nicht zum Thema gehört.)

Bearbeitet: Meine Berechnungen unten betrafen horizontale und vertikale Messungen im gesamten Bild. Sie gelten nicht für die stereobasierte Tiefenschätzung. Eine gültige Berechnung für die stereobasierte Tiefenschätzung finden Sie in der Antwort von Martin Thompson .

Für die Oberflächenprofilierung ist laut Wikipedia die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie hilfreich .

10 μm (100stel Millimeter) ist der Ausgangspunkt für die Nützlichkeit aller Arten von Mikroskopiegeräten, da er nur eine Größenordnung unter der Nützlichkeit von digitalen Bildgebungsgeräten liegt (etwa 100 μm pro Pixel, bei einem Abstand von möglicherweise 10 bis 20 cm).

Meine Annahmen sind:

• Abstand zum Objekt: 15cm
• Sichtfeld: 10cm
• Bildbreite in Pixel: 3000
• Rohes Auflösungsvermögen: 30 Pixel pro mm
• Vorausgesetzt, richtig fokussiert und aufgrund von Rauschen, Optik und Kompressionsartefakten,
  • Objekte können bis zu 5 Pixel voneinander entfernt verschwommen sein
• Geschätztes Auflösungsvermögen: 6 Pixel pro mm (160 μm)

Es geht jedoch darum, eine Reihe von Laser-, Optik- und Bildbearbeitungskomponenten (und das Gehäuse, das sehr wichtig ist) mit der erforderlichen Bearbeitungsgenauigkeit zu bauen. Ich bin nicht sicher, ob es machbar ist, das konfokale Laserscanmikroskop eines armen Mannes aufzubauen. (Ich kenne auch den Gebrauchtpreis solcher Maschinen nicht.)

Bei einer solchen Auflösung würde die Stereovision allein ohne die Hilfe einer speziellen Lichtquelle (strukturiertes Licht, Laser usw.) unter dem Problem des "Mangels an Textur" leiden.

Theoretisch ist es möglich. Praktisch ... es scheint ein schwieriges Problem zu sein, das Stero-Kameras mit sehr hoher Auflösung und das Herausfinden einiger mathematischer Gleichungen erfordert.

Insbesondere müssen Sie sich mindestens eine mathematische Gleichung ausdenken, um herauszufinden, welche Stereokamera mit minimaler Auflösung Sie benötigen. Dann müssen Sie herausfinden, welche Art von Entfernungsmessungsalgorithmus Sie benötigen und wie gut eine Qualitätsmetrik benötigt wird, damit Sie messen, was Sie berechnen, was Sie messen.

Aber unter dem Strich ist es theoretisch möglich, Sub-Milimeter-Entfernungen mit Stereo-Kameras zu messen ... dies ist eher ein "technisches" Problem, um zu versuchen, es zum Laufen zu bringen.

Ich habe in einem früheren Leben in der Metrologie gearbeitet. Systeme wie dieses verwenden beide die Stereoskopie und erheben den Anspruch, eine Genauigkeit von etwa 1 Mikrometer (Subpixel-Genauigkeit) zu erreichen.

Die Lösung mit einem Laserscanner und einem Encoder wäre eine andere Lösung.

Meine Aufgabe war es, diese Systeme zu testen. Die gewünschte Präzision konnte nicht zuverlässig erreicht werden. Tatsächlich haben die meisten Anbieter ihre Anzahl künstlich erhöht.

Ich würde vorschlagen, ein Mikroskop zu nehmen. Der automatisierte Weg hängt in hohem Maße von einer Vielzahl von Faktoren ab, die Sie daran hindern, die von Ihnen benötigte Präzision zu erreichen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet KMGs zum Messen von Teilen, die weit über 100.000 US-Dollar kosten und es schwierig haben, diese Präzision in einem Raum mit kontrollierter Temperatur und kontrolliertem atmosphärischem Druck und kontrollierter Luftfeuchtigkeit zu erreichen. Auch diese Systeme unterliegen einem Verschleiß und müssen ständig neu kalibriert werden.

$cameras can sell for over 100k$