Calibración de sistemas de triangulación láser basados en cámaras Scheimpflug

Abstract

The continuous improvement that exists in the economy, leads to generate new processes, new products or new concepts. Thanks to the continuous improvement mentioned before, the manufacturing industry has developed new materials that provide competitive advantages like more resistance and less weight. The use of new materials involves additional problems in the manufacturing process since unexpected problems can occur and produce defective parts. The roll forming process has the same problems and in order to improve it the European project RFExpert emerged, where different aspects of the improvement of the process were developed. One of those aspects is the dimensional measurement by means of the artificial vision inside the roll forming machine while the profiles are being manufactured. The profiles have surfaces to be measured at different heights, these heights may be very high but all of them must be correctly viewed, to measure them a camera with a wide depth of field (area where the image is in focus) and a laser light are needed. The laser light provides the information to triangulate and get the points in three dimensions. The increase of the depth of field is achieved using Scheimpflug cameras that have the sensor plane, tilted relative to the plane of the lens. The Scheimpflug camera with laser system must be calibrated in order to obtain measurements in metric units. The traditional mathematical camera models do not consider the tilt of the sensor. The results obtained developing a new camera model adapted to the Scheimpflug cameras with a specific calibration process, could be better than using a classic camera model. For the mathematical modeling of the Scheimpflug cameras has been developed a model that considers the tilt angels that exist in this type of cameras considering two degrees of freedom based on the classic pin-hole model. In addition, the distortion model that has been implemented considers the radial and the thin prism models. The election of the calibration pattern is important because in the Scheimpflug cameras the focus area is wedge shaped, so the calibration pattern cannot be wider than the width of the focus area because the points falling out of that focus area will be unfocused. Therefore, a specific calibration pattern has been designed. Previous to proceed to calibrate the laser plane, the peak of the laser light must be accurately detected. Surfaces that tends to be specular create brightness and possible saturations of the pixels. An algorithm for the detection of the peak of the laser line has been developed based on a Gaussian approximation adapted to work properly when there are saturated pixels. To calibrate the laser plane, the camera must be calibrated and the intrinsic parameters must be known. All the length of the laser plane is on focus so the calibration object must be easy to move inside the laser plane, giving the necessary points to achieve the calibration. A calibration method has been developed based on the normal vector and the minimization of the reprojection error in the laser plane. The results have been obtained in simulation and using a traditional camera with an adapter to add approximately an angle of 6º relative to the lens plane. The simulation results show that the new Scheimpflug model is equivalent to the pin-hole model when the angle is lower than 6º When the value of the angle increases, the reprojection error in the new model remains constant while in the pin-hole model increases almost exponentially. The measurements obtained with the Scheim pflug camera have been compared with the measurements obtained with a coordinate measurement machine. Obtaining differences less than three hundredths in some special parts designed to measure the height and eight hundredths measuring in real profiles.

La mejora continua existente en todos los sectores de la economía actual, lleva a generar nuevos procesos, nuevos productos o nuevos conceptos. La industria manufacturera no difiere en este sentido y en los últimos años se han desarrollado nuevos materiales que aportan ventajas competitiva siendo más ligeros y más resistentes. La utilización de nuevos materiales implica problemas añadidos en el proceso de fabricación ya que pueden ocurrir problemas no previstos y producir piezas defectuosas. En el proceso de perfilado ocurren estos problemas y con el objetivo de mejorar el proceso de perfilado surgió el proyecto europeo RFExpert, en el que se tratan diferentes aspectos para la mejora de este proceso. Uno de ellos es la medición dimensional mediante visión artificial de los perfiles dentro de la perfiladora, verificando la calidad dimensional de los perfiles según se están fabricando. Los perfiles tienen superficies o distancias a medir a diferentes alturas que se han de ver correctamente. Para poder medir se necesita una cámara con una amplia profundidad de campo (área en la que la imagen está enfocada) y un foco de luz láser. La luz láser aporta la información necesaria para poder triangular y obtener los puntos en tres dimensiones. Ampliar la profundidad de campo se consigue con las cámaras Scheimpflug que tienen el plano del sensor, donde se crea la imagen en las cámaras digitales, inclinado con respecto al plano de la lente. El sistema cámara Scheimpflug con láser ha de ser calibrado para poder obtener las mediciones realizadas en unidades métricas. Los modelos matemáticos de cámara tradicionales no contemplan la inclinación del sensor. Elaborando un modelo de cámara adaptado a las cámaras Scheimpflug y un proceso de calibración específi, se pueden mejorar los resultados obtenidos con un modelo clásico. A su vez con un método que facilite la adquisición de puntos a lo largo de todo el plano láser se pueden obtener buenos resultados. Para el modelado matemático de las cámaras Scheimpflug se ha elaborado un modelo que contempla los ángulos de desviación que existen en este tipo de cámaras teniendo en cuenta dos grados de libertad basado en el modelo clásico pin-hole. Además el modelo de distorsiones que se ha implementado tiene en cuenta las distorsiones radiales y de prisma. La elección del patrón de calibración en las cámaras Scheimpflug es muy importante ya que en éstas el área de enfoque tiene forma de cuña, con lo cual no se puede utilizar un patrón de calibración plano más ancho que esta cuña ya que los puntos que estén fuera están desenfocados. Se han analizado los diferentes patrones de calibración y se ha diseñado uno específico. Previo a la calibración del plano láser, se ha de detectar correctamente el pico de la línea láser. La observación de objetos que tienden a ser especulares genera brillos y posibles saturaciones de los píxeles perdiendo información. Se ha desarrollado un algoritmo de detección de las líneas láser basado en la aproximación Gaussiana, adaptado para calcular con precisión el centro de la línea aun cuando ésta tiene algún píxel saturado. Para calibrar el plano láser primero se ha de calibrar la cámara y calcular sus parámetros intrínsecos. Al estar toda la longitud del plano láser enfocada se necesita un objeto de calibración que sea fácil de mover dentro del plano láser, aportando suficientes puntos de control para llevar a cabo la calibración. Se ha desarrollado un método de calibración basado en el vector normal del plano y la minimización de los errores de reproyección en el plano láser. Se han obtenido resultados tanto en simulación como con una cámara tradicional que se ha adaptado para añadirle aproximadamente un ángulo de 6º con respecto al plano de la lente. Los resultado de simulación muestran que el nuevo modelo Scheimplug es equivalente al modelo pin-hole cuándo el ángulo de desviación del sensor es menor que 6º. Cuándo este ángulo se incrementa, los errores de reproyección en el nuevo modelo se mantienen constantes, mientras que en el modelo pin-hole se incrementa el error significativamente, casi exponencialmente. Las mediciones obtenidos con la cámara Scheimpflug se han comparado con las medidas realizadas por una máquina de medición por coordenadas. Logrando diferencias de tres centésimas con unas piezas especiales para medir la altura y de ocho centésimas en perfiles reales fabricados con nuevos materiales.

Gaur egungo ekonomia-sektore guztietan existitzen den etengabeko hobekuntzak, prozesu, produktu edota kontzeptu berrietara eramaten gaituzte lehiakorrak jarraitzen izateko. Fabrikazio industrian berdina gertatzen da eta azken urte hauetan material berriak sortu dira. Material berri hauek abantailak eskaintzen dituzte arinagoak eta gogorragoak direlako baina arazoak ere ekartzen dituzte fabrikazio prozesu ohietan material berriak sartzerakoan arazo berriak etor litezke eta akatsak dituen piezak sortu. Profilaketa prozesuan arazo horiek gertatzen dira eta prozesu hau hobetzeko helburuarekin RFExpert proiektu europarra agertu zen, non profilaketaren hainbat aspektu ikertzen diren hauek hobetzeko. Hauetako aspektu bat bisio artifizialaren bidez fabrikatzen ari den profila neurtu ahal izatea da. Profiletan altuera ezberdinetan dauden zonaldeak neurtu behar dira, altuera hau oso handia izan liteke eta azalera guztiak oso ondo ikusi behar dira neurtu ahal izateko. Horretarako kamerak eremu sakonera (area non irudia enfokatuta dago) handia eduki behar du eta laser argi izpi bat. Laser izpiak triangelaketa egiteko behar den informazioa ahalbidetzen du eta puntuak hiru dimentsiotan lortzen dira. Eremu sakonera handitzeko Scheimpflug kamerak erabili dira, kamera hauetan sentsorea (irudia sortzen den tokia) lentearekiko inklinatuta dago. Scheimpflug kamera eta laser izpiak sortzen duten sistema kalibratu beharra dago neurketak sistema metrikoan lortzeko. Existitzen diren kameren eredu matematikoek ez dute sentsorearen eta lentearen dagoen angelua kontutan hartzen. Sentsorearen eta optikaren arteko angelua kontutan hartzen duen eredu matematiko berri bat garatzerakoan eta kalibrazio prozesu espezifiko batekin eredu klasiko batekin lortutako emaitzak hobetu daitezke. Aldi berean laser planoaren puntuak lortzen errazten duen metodo batekin emaitza onak lortu daitezke. Scheimpflug kameren eredu matematikoak kontutan hartzen ditu kamera hauetan agertzen diren desbiderapenak bi askatasun mailekin. Eredu pin-hole eredu klasikoan oinarrituta dago. Garatu den distortsio ereduak erradial eta prisma ereduak kontutan hartzen ditu. Kalibrazio patroia aukeratzea oso garrantzitsua da, Scheimpflug kameratan eremu sakonerak ziri antza daukate orduan kalibrazio patroia ezin da izan eremu sakonera baino handiagoa, hori gertatzen bada puntuak desenfokatuta egongo liratekelako. Kalibrazio patroi bat diseinatu egin da kamera honetarako. Plano laserraren kalibrazioa egin baino lehen, laser izpiaren punta bilatu behar da. Ispilu motako gainazalak laser batekin argitzerakoan distirak eta saturazioak agertu daitezke eta informazioa galdu. Algoritmo bat garatu da laser izpia detektatzeko. Algoritmo hau Gaussen hurbilketan oinarrituta dago eta pixelen bat saturatuta badago ondo lan egiteko eginda dago. Plano laserra kalibratzeko lehendabizi kamera kalibratuta egon behar da eta bere parametro intrintsekoak ezagunak izan behar dira. Laser plano osoa enfokatuta dagoenez kalibrazio objektua erraz mugitu behar da laser plano guztitik. Horrela beharrezkoak diren puntuak lortuko direlako. Kalibrazion metodo bat garatu da planoaren bektore normalean oinarrituta eta erreproiekzio erroreen murrizketan. Emaitzak bi eratara lortu dira, Scheimplflug kamera bat simulatzen eta kamera normal batekin baina kamera hau adaptatu egin da sentsorearen eta lentearen artean 6ºko angelua edukitzeko. Simulazioko emaitzak adirezten dute Scheimpflug angelua 6º baino txikiagoa denean bi ereduak atzerako emaitzak lortzen dutela baina angelu hori handiagoa denean Scheimpflug ereduan erreproiekzio errorea konstante mantentzen da eta pin-hole ereduan funtzio esponentziala jarraituz igotzen da. Scheimplfug kamerarekin lortutako neurketak koordenatu makina batekin alderatu dira. Hiru ehuneko ezberdintasuna lortzen altuera neurtzeko pieza berezi batzuekin eta zortzi ehuneko profil errealetan.