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Dec 28, 2023

Misurazione precisa per sensore di visione a luce strutturata con ampio raggio d'azione

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 7234 (2023) Cita questo articolo 502 Accessi Dettagli metriche Alta precisione e ampio campo di misurazione sono l'obiettivo di qualsiasi scanner tridimensionale.

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7234 (2023) Citare questo articolo

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Alta precisione e ampio campo di misura sono l'obiettivo di ogni scanner tridimensionale. Per un sensore per la visione della luce a struttura lineare, la precisione della misurazione dipende dai risultati della calibrazione, ovvero dalla determinazione dell'espressione matematica del piano luminoso nel sistema di coordinate della fotocamera. Tuttavia, poiché i risultati della calibrazione sono soluzioni ottimali a livello locale, è difficile effettuare misurazioni altamente precise in un ampio intervallo. In questo articolo forniamo un metodo di misurazione preciso e la corrispondente procedura di calibrazione per un sensore per la visione della luce a struttura lineare con un ampio intervallo di misurazione. Vengono utilizzati stadi di traslazione lineare motorizzati con una corsa di 150 mm e un bersaglio planare che è una piastra di superficie con una precisione di lavorazione di 0,05 mm. Con l'aiuto della fase di traslazione lineare e del target planare, si ottengono funzioni che forniscono la relazione tra il punto centrale della striscia laser e la distanza perpendicolare/orizzontale. Una volta catturata l'immagine della striscia luminosa, possiamo ottenere un risultato di misurazione preciso dai punti caratteristici normalizzati. Rispetto ad un metodo di misurazione tradizionale, la compensazione della distorsione non è necessaria e la precisione della misurazione risulta notevolmente migliorata. Gli esperimenti mostrano che l'errore quadratico medio dei risultati di misurazione secondo il metodo da noi proposto è ridotto del 64,67% rispetto al metodo tradizionale.

Un sensore di visione della luce a struttura lineare tridimensionale (LSLVS) è normalmente costituito da un sensore di immagine e un proiettore laser di linea. È ampiamente utilizzato nel campo della misurazione industriale grazie all'ampio intervallo di misurazione, all'elevata precisione, alla facile estrazione delle informazioni e così via. Questi LSLVS possono essere classificati in due categorie a seconda della loro costruzione.

Nella prima categoria il sensore immagine è una normale fotocamera con un obiettivo normale1,2, cioè il piano dell'immagine è parallelo al piano dell'obiettivo. La relazione tra sensore di immagine e proiettore laser è immutabile e triangolare durante il processo di misurazione. I punti spaziali possono essere confermati una volta determinata la relazione, operazione nota come calibrazione di LSLVS.

Finora esistono molti metodi di calibrazione per LSLVS. Questi metodi possono essere classificati in tre categorie a seconda del modo in cui si ottengono i punti caratteristici sul piano laser: metodo basato sul target 3D, metodo basato sul target planare e metodo basato sul target 1D3.

Nel metodo basato sui target 3D, le caratteristiche geometriche sono state ampiamente utilizzate negli ultimi anni. Xiao et al.4 hanno utilizzato una struttura aggiuntiva per controllare il bersaglio 3D, ovvero un cubo di metallo molto preciso, per muoversi accuratamente in pura traslazione allo scopo di ottenere un punto di fuga del piano di luce strutturato e quindi l'angolo di proiezione della luce Il proiettore piano è stato risolto dal punto di fuga, così come dalla linea di base, dall'intercetta del piano di luce strutturato sull'asse x del sistema di coordinate dell'immagine. Yang et al.5 hanno ottenuto due linee parallele sul piano della luce strutturata utilizzando un bersaglio 3D con due piani paralleli visibili con precisione, quando sono stati ottenuti diversi punti di fuga, è stato possibile dedurre il vettore normale del piano della luce strutturata. Poiché la linea di base è stata risolta in base all'invarianza del rapporto incrociato, è stata eseguita la calibrazione del piano della luce strutturata. Sfortunatamente, il metodo basato sul target 3D6,7,8 non è sufficientemente accurato a causa del problema dell'occlusione reciproca tra i diversi piani del target e del minor numero di punti caratteristici. Inoltre, il target 3D, normalmente un cubo con alcuni accessori speciali, è difficile da realizzare con precisione ed è complicato per la calibrazione in loco.

Il metodo basato sul target planare è più disponibile per calibrare LSLVS. Wei et al.9,10 hanno utilizzato un bersaglio planare con motivo a scacchiera per completare la calibrazione. Sulla base dell'invarianza del doppio rapporto incrociato, i punti di intersezione della striscia chiara e delle scacchiere possono essere ottenuti nel sistema di coordinate dell'immagine come dimensione esattamente nota di ciascuna scacchiera. Quindi è possibile ottenere abbastanza punti caratteristici sul piano della luce. Secondo il relativo algoritmo di adattamento, è possibile calcolare l'espressione del piano di luce sotto il sistema di coordinate della telecamera. Liu et al.11 hanno proposto un nuovo metodo secondo la matrice Plücker per rappresentare la striscia luminosa su un bersaglio planare. Quando il bersaglio si trova in più posizioni diverse, si possono ottenere matrici Plücker di strisce chiare. Quindi l'espressione del piano luminoso può essere risolta combinando le matrici di Plücker ottenute. Wei et al.12 calibrano un LSLVS in base alla funzione di fuga. I punti di fuga del piano luminoso possono essere ottenuti dal punto di intersezione della striscia luminosa e dalla linea di fuga del piano target. Una volta spostato il bersaglio planare in posizioni sufficientemente diverse, è possibile calcolare il vettore normale del piano di luce e la linea di fuga. Poiché la dimensione del bersaglio planare è esattamente nota, il parametro D potrebbe essere dedotto di conseguenza. Successivamente è stata determinata la funzione del piano luminoso rispetto al sistema di coordinate della telecamera.