odwzorowanie kształtu obiektów trójwymiarowych z wykorzystaniem

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 231
Mechanika
2010
Robert Sitnik
Instytut Mikromechaniki i Fotoniki
ODWZOROWANIE KSZTAŁTU
OBIEKTÓW TRÓJWYMIAROWYCH
Z WYKORZYSTANIEM
OŚWIETLENIA STRUKTURALNEGO
Rękopis dostarczono 23.10.2009 r.
Współcześnie w wielu dziedzinach, takich jak nauka, technika, medycyna, multimedia czy
ochrona dziedzictwa kulturowego, coraz bardziej istotne staje się odwzorowanie powierzchni
obiektów trójwymiarowych. Urządzenia do odwzorowania kształtu tych obiektów charakteryzują
się zróżnicowaną budową i parametrami technicznymi w zależności od dziedziny i konkretnego
zastosowania.
W pracy przedstawiono podsumowanie dorobku autora w zakresie opracowania zintegrowanego systemu pomiaru kształtu powierzchni obiektów trójwymiarowych wraz z towarzyszącym
oprogramowaniem realizującym automatycznie pełne przetwarzanie wyników do postaci końcowej
w wybranych zastosowaniach medycznych, przemysłowych, multimedialnych i związanych z dokumentacją dziedzictwa kulturowego.
W szczególności zaproponowano koncepcję optomechatronicznego czujnika 3D/4D, który łączy w sobie możliwości pomiaru kształtu powierzchni zarówno obiektów statycznych, jak i zmiennych w czasie (ożywionych). Została opracowana nowa metoda kalibracji czujnika niewymagająca
warunków laboratoryjnych oraz specjalizowanego sprzętu. Opracowana procedura kalibracji może
być przeprowadzana przez niewykwalifikowanego użytkownika w terenie bez zmniejszenia wartości parametrów użytkowych, takich jak niepewność pomiaru. Zaproponowane algorytmy (z których
najważniejsze to automatyczne łączenie danych kierunkowych, segmentacja chmury punktów na
grupy reprezentujące prymitywy geometryczne, triangulacja chmury punktów i jej teksturowanie)
pozwalają na automatyczną realizację przetwarzania w przyszłych możliwych implementacjach optomechatronicznego czujnika 3D/4D.
W końcowej części pracy przedstawionych jest pięć specjalizowanych wersji optomechatronicznego czujnika 3D/4D realizujących:
• analizę lejkowatości klatki piersiowej na podstawie pomiaru 3D obiektów ruchomych, do zastosowań w medycynie;
• śledzenie widocznych struktur anatomicznych na powierzchni ciała człowieka na podstawie
pomiaru 4D obiektów ruchomych, do zastosowań w medycynie;
• przyspieszenie pomiaru wielkości geometrycznych w przemyśle maszynowym;
4
•
•
Wstęp
tworzenie modelu 3D do zastosowań multimedialnych;
tworzenie dokumentacji wieczystej na podstawie pomiaru 3D obiektów statycznych, do zastosowań w dokumentacji dziedzictwa kulturowego.
Słowa kluczowe: optomechatroniczny czujnik 3D/4D, pomiar 3D, skanowanie 3D, kalibracja 3D,
triangulacja, chmura punktów
1. WSTĘP
Współcześnie w wielu dziedzinach, takich jak nauka, technika, medycyna, multimedia czy ochrona dziedzictwa kulturowego, coraz bardziej istotne staje się odwzorowanie powierzchni obiektów trójwymiarowych. Urządzenia do odwzorowania kształtu tych obiektów charakteryzują się zróżnicowaną budową i parametrami
technicznymi w zależności od dziedziny i konkretnego zastosowania [1].
Systemy pomiarowe powstające w ostatniej dekadzie zmieniły swój charakter.
Dominują rozwiązania z zastosowaniem detektorów macierzowych [2] wykorzystujących matryce CCD (ang. Charge Coupled Device) lub CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor). Analiza i przetwarzanie wyników odbywa
się na coraz bardziej wydajnych komputerach osobistych lub specjalizowanych
układach elektronicznych [3]. Pojawiły się też cyfrowe projektory obrazu pozwalające na projekcję dowolnych rastrów, co zwiększyło możliwości pomiarowe
i przyspieszyło rozwój rodziny metod, zwanych metodami z oświetleniem strukturalnym [4].
Istnieje wiele rozwiązań systemów pomiarowych, zarówno komercyjnych, jak
i tych rozwijanych w laboratoriach naukowych, wykorzystujących różne techniki
pomiarowe i charakteryzujących się zróżnicowanymi parametrami użytkowymi.
Systemy te są opracowywane z myślą o konkretnych zastosowaniach z uwzględnieniem potrzeb i wymagań potencjalnych użytkowników. Końcowym efektem
wykorzystania systemów do obrazowania 3D jest odwzorowanie kształtu powierzchni badanego obiektu w postaci chmury punktów pomiarowych [5].
W czasach dynamicznego rozwoju technologii i narzędzi informatycznych
oraz dążenia do minimalizacji okresu oddzielającego pomysł od jego wdrożenia
można zaobserwować tendencję do integracji wielu technik i rozwiązań (pomiarowych, przetwarzania i analizy danych, wizualizacji i innych) w systemy [6].
Pomimo to, oferowane na rynku urządzenia pomiarowe [1] do odwzorowania
kształtu powierzchni nie są zintegrowane. W minimalnej wersji użytkowej jest
wymagana ich dodatkowa integracja z oprogramowaniem do analizy i wizualizacji wyników pomiaru, dostosowanym do potrzeb i możliwości użytkownika oraz
bazą danych do ich archiwizacji. Bardzo często należy też zintegrować konkretne