Les techniques de vision stéréoscopique par ordinateur sont-elles appropriées pour les mesures sous-millimétriques?

J'ai un projet dans lequel j'aimerais imager un objet et pouvoir dériver les hauteurs des caractéristiques de cette image avec une précision inférieure au millimètre (la précision exacte reste encore à déterminer, mais disons 100 centièmes de millimètre pour l'instant) .

J'ai été informé précédemment que les techniques de télémétrie laser directe ne seraient pas appropriées

• le temps de trajet sera trop petit et nécessitera donc trop de précision pour effectuer des calculs précis
• des vibrations mineures (comme une personne marchant près de l'appareil) perturberont les résultats

J'ai observé un appareil laser qui se vend environ 1000 $ qui peut atteindre la précision mais qui souffre du problème de vibration (ce qui est bien, isoler mécaniquement l'appareil est une autre discussion).

Je préférerais obtenir un résultat plus rentable et considérer la vision stéréo comme une alternative. Étant novice dans ce domaine, je ne sais pas si la précision souhaitée peut être atteinte.

La précision souhaitée est-elle (au moins) théoriquement réalisable?

Existe-t-il un document ou une ressource recommandée qui pourrait aider à expliquer davantage ce sujet?

Notes complémentaires

Les objets en question varient d'environ 1/2 "carré à environ 2 1/2" carré avec parfois une très faible épaisseur (1/16 "?). Un grand pourcentage de la surface doit être plat, bien qu'un test être de confirmer cette affirmation. Les caractéristiques seront assez approximatives (transitions généralement nettes). ^{17 août à 11h00}

L'un des objets intéressants "les plus durs" serait d'environ 20 mm carré, 1,25 mm de haut. Les caractéristiques de surface en question seraient de l'ordre de 0,1 à 0,3 mm, selon moi. La position de la caméra serait probablement de l'ordre de 6 "ci-dessus. Cela vous donne-t-il une meilleure idée? ^{17 août à 15:15}

Je ne cherche pas à effectuer une seule mesure de profil / relief, mais plutôt à essayer de générer une carte de hauteur de surface de l'objet. Les caractéristiques de surface de l'objet, ainsi que le profil global, présentent un intérêt significatif.

Imagerie stéréo

Compte tenu du grand champ de vision dont vous avez besoin par rapport à la précision que vous souhaitez et à quelle distance vous voulez être, je pense que l'imagerie stéréo peut être un défi, vous devez donc en quelque sorte amplifier les différences que vous essayez de mesurer.

Éclairage structuré

Si vous essayez essentiellement de mesurer le profil d'un objet, avez-vous envisagé une seule caméra haute résolution et un éclairage structuré?

^{Merci à looptechnology pour cette image, utilisée sans permission, mais j'espère que l'attribution sera suffisante.}

Remarque, plus l'angle de pâturage est peu profond, plus vous pouvez mesurer la précision, mais plus la profondeur de champ prise en charge est faible, donc pour votre application, vous devez optimiser pour répondre à vos besoins ou rendre votre système réglable (un angle laser pour 0 -500um, un autre pour 500-1500um et ainsi de suite). Dans ce cas cependant, vous devrez probablement calibrer chaque fois que vous changez la position du laser.

Soit dit en passant, un moyen très bon marché d'essayer serait de prendre une paire de ciseaux laser qui comprend une LED laser de ligne de base.

Enfin, vous pouvez supprimer le problème de vibration en échantillonnant plusieurs fois, en rejetant les valeurs aberrantes, puis en faisant la moyenne. Une meilleure solution serait cependant de monter l'ensemble de l'appareil d'essai sur un bloc de granit. Cela a bien fonctionné pour les outils de micro-usinage au laser avec lesquels j'ai travaillé dans le passé, qui nécessitent une position de niveau micron et une précision de mise au point précise, même lorsqu'ils sont situés dans des usines.

Quelques dos des calculs d'enveloppe.

Supposons un angle incident de 10 degrés par rapport à l'horizontale, et une caméra avec une résolution de 640x480 et un champ de vision de 87 x 65 mm. Si nous plaçons le faisceau de manière à ce qu'il soit juste au bas du cadre portrait sans échantillon, puis que nous plaçons l'échantillon avec le faisceau le traversant, cela devrait nous donner une hauteur maximale d'environ 15 mm et donc une résolution non corrigée d'environ 24 um pour chaque pixel de la ligne marche jusqu'à l'écran. Avec cette configuration, une variation de 0,1 mm doit être visible comme une variation de position de 4 pixels.

De même, si nous utilisons un angle incident de 2 degrés par rapport à l'horizontale, cela devrait nous donner une hauteur maximale d'environ 3 mm (Tan (2deg) * 87 mm) et donc une résolution non corrigée d'environ 4,7 um par pixel, pour un résultat beaucoup plus notable 20 saut de pixel . Cependant, cela nécessiterait probablement un laser à ligne beaucoup plus précis.

Notez que si la caméra est suffisamment proche, vous devrez peut-être effectuer un deuxième calcul de trig, en utilisant la hauteur de la caméra, pour déterminer la position réelle de la ligne par rapport à la ligne de base.

Notez également que si vous n'avez pas besoin d'une précision absolue et que la répétabilité locale est suffisante (par exemple, vous profilez la planéité d'un échantillon pour vous assurer qu'il se situe dans les tolérances données), il suffit alors de pouvoir voir la position relative de la ligne laser. assez.

La précision d'un système stéréo est limitée par la taille des pixels. Les caméras théoriquement haut de gamme devraient avoir une densité de pixels suffisante pour une telle précision. Bien sûr, les caméras devront être calibrées et l'objet devra être raisonnablement proche des caméras.

Cela dépend de la géométrie, mais certainement en principe.

Vos objets doivent avoir une "texture" suffisante pour que vous puissiez faire correspondre les caractéristiques d'identification d'une caméra à une autre, puis vos caméras doivent avoir un nombre suffisant de pixels pour qu'un écart de profondeur de 0,01 mm corresponde à> 1 pixel lorsqu'il est projeté sur l'image. avion.

La cartographie des distorsions des lentilles peut être un problème plus important que d'habitude à ces échelles.

Pour une résolution très fine, votre meilleur pari est probablement une jauge de profondeur laser bon marché et facilement disponible de Keyence. Ils fonctionnent, ils sont relativement bon marché et ils sont une norme de l'industrie. http://www.keyence.com/products/measure/laser/laser.php

La technique optique 2D la moins chère pourrait être de créer un système de "moiré fantôme" en utilisant les règles de Ronchi. Avec l'aide d'un ingénieur optique il y a quelques années, j'ai conçu des appareils portables pour mesurer les petites déformations des surfaces métalliques mates. Nous avons pu détecter assez facilement des changements de profondeur d'environ 100 microns (0,1 millimètre), et bien que je ne me souvienne pas exactement, nous aurions pu détecter des différences de profondeur d'environ 10 à 20 microns. Le motif de frange est facile à interpréter et fournit également une carte de hauteur pratique.

Voici une explication raisonnable de la technique du shadow Moire: http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn787/idn787.htm

Une décision Ronchi peut coûter environ 100 $: http://www.edmundoptics.com/products/displayproduct.cfm?productid=1831

L'appareil lui-même se compose d'une décision Ronchi (qui est une plaque de verre avec des lignes déposées avec précision), une source de lumière montée à un angle fixe par rapport à la décision et un tube de visualisation qui est également réglé à un angle précis par rapport à la décision. Notre appareil a été placé en contact direct avec la surface, mais vous pouvez également créer un appareil sans contact.

Une fois que vous aurez bricolé l'appareil, vous voudrez le calibrer. Quel que soit le nombre attendu de franges par millimètre selon les calculs, vous devrez toujours le calibrer. Pour l'étalonnage, nous avons utilisé des blocs minces, le plus mince étant une feuille de mylar d'une épaisseur connue de 1/2 mil (0,0005 pouces, environ 12,5 microns). Vous placez l'appareil avec la décision sur une surface plane et semi-réfléchissante avec le bloc de jauge niché sous un bord de la décision. Cela génère une série de franges. Vous connaissez la hauteur du bloc de jauge et la longueur de la règle, donc en utilisant un peu de trigonométrie, vous pouvez calculer le nombre de franges par millimètre.

La triangulation laser avec une seule caméra est également une option, mais est généralement beaucoup plus délicate qu'il n'y paraît. Il peut falloir beaucoup de travail pour atteindre une précision de profondeur d'environ 0,1 mm en utilisant la triangulation laser, et il y a pas mal de problèmes.

Pour une numérisation de surface de haute précision, vous pourriez dépenser jusqu'à 100 000 $ pour acheter un très bon système basé sur la microscopie confocale. Ils sont méchants cool. http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy

En théorie, rien ne vous arrête. Cependant, je peux penser à au moins quelques problèmes de capture d'image qui se manifesteront à cette échelle. Je ne suis pas un expert des questions de microscopie, voici quelques problèmes:

• Quelle serait la variation de profondeur le long de la ligne de visée par rapport à la distance de la caméra à l'objet? Bien que la rectification soit plus facile sous des contraintes orthographiques mises à l'échelle (le changement de profondeur de l'objet est minuscule par rapport à la distance le long de la ligne de visée de l'objet à la caméra), cela ne vous donnerait pas le détail souhaité. La caméra devrait donc être assez proche de l'objet.

• Quelle serait la ligne de base par rapport à la taille de l'objet? Les lignes de base larges sont difficiles, alors qu'il existe de bonnes techniques pour les lignes de base étroites. Il semble qu'à cette échelle, la localisation physique de deux caméras proches l'une de l'autre puisse être difficile.

(Publier cette réponse dans l'espoir d'aider OP, même si ma réponse est hors sujet pour ce site)

Modifié: Mes calculs ci-dessous étaient pour des mesures horizontales et verticales à travers l'image. Ils ne sont pas valables pour une estimation de profondeur basée sur la stéréo. Pour voir un calcul valide pour une estimation de profondeur basée sur la stéréo, voir la réponse de Martin Thompson .

Selon Wikipedia, la microscopie confocale à balayage laser est utile pour le profilage de surface .

10 μm (100e de millimètre) est le point de départ de l'utilité de toutes sortes d'appareils de microscopie, car il est juste d'un ordre de grandeur inférieur à l'utilité des appareils d'imagerie numérique (environ 100 μm par pixel, à une distance de 10 à 20 cm peut-être).

Mes hypothèses sont les suivantes:

• Distance de l'objet: 15 cm
• champ de vision: 10cm
• largeur de l'image en pixels: 3000
• puissance de résolution brute: 30 pixels par mm
• En supposant une mise au point correcte et en raison des bruits, de l'optique et des artefacts de compression,
  • (fonction d'étalement des points) les objets peuvent être flous jusqu'à 5 pixels de distance
• puissance de résolution estimée: 6 pixels par mm (160 μm)

Cela dit, il s'agit de construire un certain nombre de composants laser, optiques et d'imagerie (et le boîtier, ce qui est très important) avec la précision d'usinage requise. Je ne sais pas s'il est possible de construire la microscopie confocale à balayage laser d'un pauvre. (Je ne connais pas non plus le prix d'occasion de ces machines.)

A une telle résolution, la vision stéréo seule sans l'aide d'une source lumineuse spéciale (lumière structurée, laser, etc.) souffrirait du problème du "manque de texture".

C'est théoriquement possible. Pratiquement ... cela semble être un problème difficile qui nécessiterait des caméras stéroïdes à très haute résolution et trouver des équations mathématiques.

Plus précisément, vous devrez au moins trouver une équation mathématique pour déterminer quelle est la caméra stéréo à résolution minimale dont vous avez besoin. Ensuite, vous devrez déterminer le type d'algorithme de télémétrie dont vous avez besoin et la qualité d'une mesure de qualité nécessaire pour mesurer ce que vous calculez.

Mais en fin de compte, il est théoriquement possible de mesurer la portée du sous-millimètre à l'aide de caméscopes stéréo ... il s'agit plus d'un problème "d'ingénierie" pour essayer de le faire fonctionner.

J'ai travaillé en métrologie dans une vie antérieure. Les systèmes comme celui-ci utilisent tous deux la stéréoscopie et prétendent atteindre une précision d'environ 1 micromètre (précision sous-pixel).

La solution avec un scanner laser et un encodeur serait une autre solution.

Mon travail consistait à tester ces systèmes. Il n'était pas possible d'obtenir la précision souhaitée de manière fiable. En fait, la plupart des fournisseurs augmentaient artificiellement leur nombre.

Je suggère d'aller au microscope. La méthode automatisée dépend fortement d'un grand nombre de facteurs qui vous empêcheront d'atteindre la précision dont vous avez besoin. L'industrie aérospatiale utilise des MMT pour mesurer des pièces, ce qui va bien au-delà de 100k $ et a du mal à atteindre une telle précision dans une salle à température contrôlée avec une pression atmosphérique et une humidité contrôlées. De plus, ces systèmes souffrent d'usure et doivent être recalibrés tout le temps.

$cameras can sell for over 100k$