Fleksibilni optički digitalizacijski sustav s proizvoljnim brojem kamera

Development of the flexible multi-camera optical surface digitization system which projects non coherent coded light in two perpendicular directions is presented. By the introduction of the absolute method for stereopairs indexing the need for twofold searching through the phase images is eliminated, as well as the influence of discontinuities. Critical areas responsible for outlier generation are eliminated prior to triangulation by combining the modulation filtering of phase images and gradient filtering of the absolute phase images. Sequential triangulation process enabled triangulation of points that are not visible in all the cameras, thus providing means for digitization of partially occluded areas. Free form calibration object eliminated the need for specialized planar calibration objects, which combined with variable external camera parameters resulted in a system that can be adjusted depending on the measurement problem. In comparison to the commercial single and stereo camera systems our approach reduces the number of projections for the digitization of the complete objects.Razmatrana je problematika razvoja fleksibilnog optičkog sustava s proizvoljnim brojem slobodnih kamera koji digitalizaciju oblika površine provodi dvostrukim projiciranjem nekoherentnog kodiranog svjetla. Apsolutnom metodom određivanja stereoparova eliminirana je potreba za dvostrukim pretraživanjem faznih slika, te utjecaj diskontinuiteta. Kombinacijom amplitudnog filtriranja slike parcijalnih faza i gradijentnog filtriranja slike apsolutnih faza eliminirana su kritična područja, te smanjen broj pogrešno identificiranih stereoparova. Uvođenjem slijednog postupka triangulacije omogućeno je trianguliranje i onih točaka koje nisu istovremeno vidljive u svim kamerama, odnosno uvedena je mogućnost digitalizacije površina djelomično zasjenjenih površinskim artefaktima. Kroz kalibraciju slobodnim kalibrom eliminirana je potreba za specijalnim planarnim kalibracijskim objektima, u sprezi sa varijabilnim vanjskim parametrima kalibracije sustav postaje prilagodljiv mjernom zadatku. U odnosu na komercijalno dostupne sustave s jednom i dvije kamere novi sustav omogućava smanjenje broja potrebnih projekcija za digitalizaciju kompletnog mjernog volumena

Design of an Active Stereo Vision 3D Scene Reconstruction System Based on the Linear Position Sensor Module

Active vision systems and passive vision systems currently exist for three-dimensional (3D) scene reconstruction. Active systems use a laser that interacts with the scene. Passive systems implement stereo vision, using two cameras and geometry to reconstruct the scene. Each type of system has advantages and disadvantages in resolution, speed, and scene depth. It may be possible to combine the advantages of both systems as well as new hardware technologies such as position sensitive devices (PSDs) and field programmable gate arrays (FPGAs) to create a real-time, mid-range 3D scene reconstruction system. Active systems usually reconstruct long-range scenes so that a measurable amount of time can pass for the laser to travel to the scene and back. Passive systems usually reconstruct close-range scenes but must overcome the correspondence problem. If PSDs are placed in a stereo vision configuration and a laser is directed at the scene, the correspondence problem can be eliminated. The laser can scan the entire scene as the PSDs continually pick up points, and the scene can be reconstructed. By eliminating the correspondence problem, much of the computation time of stereo vision is removed, allowing larger scenes, possibly at mid-range, to be modeled. To give good resolution at a real-time frame rate, points would have to be recorded very quickly. PSDs are analog devices that give the position of a light spot and have very fast response times. The cameras in the system can be replaced by PSDs to help achieve real- time refresh rates and better resolution. A contribution of this thesis is to design a 3D scene reconstruction system by placing two PSDs in a stereo vision configuration and to use FPGAs to perform calculations to achieve real-time frame rates of mid-range scenes. The linear position sensor module (LPSM) made by Noah Corp is based on a PSD and outputs a position in terms of voltage. The LPSM is characterized for this application by testing it with different power lasers while also varying environment variables such as background light, scene type, and scene distance. It is determined that the LPSM is sensitive to red wavelength lasers. When the laser is reflected off of diffuse surfaces, the laser must output at least 500 mW to be picked up by the LPSM and the scene must be within 15 inches, or the power intensity will not meet the intensity requirements of the LPSM. The establishment of these performance boundaries is a contribution of the thesis along with characterizing and testing the LPSM as a vision sensor in the proposed scene reconstruction system. Once performance boundaries are set, the LPSM is used to model calibrated objects. LPSM sensitivity to power intensity changes seems to cause considerable error. The change in power appears to be a function of depth due to the dispersion of the laser beam. The model is improved by using a correction factor to find the position of the light spot. Using a better-focused laser may improve the results. Another option is to place two PSDs in the same configuration and test to see whether the intensity problem is intrinsic to all PSDs or if the problem is unique to the LPSM

Optički postupak digitalizacije oblika projiciranjem kodiranog svjetla

U radu je razmatrana problematika razvoja optičkog sustava koji digitalizaciju oblika površine provodi projiciranjem nekoherentnog kodiranog svjetla. Cilj je razvoj fleksibilnog sustava s proizvoljnim brojem kamera koji će imati mogućnost variranja vanjskih parametara kalibracije. želi se poboljšati prilagodljivost sustava mjernom zadatku, smanjiti broj potrebnih projekcija za digitalizaciju kompletnog mjernog volumena te postići povećanje prostorne rezolucije bez povećanja rezolucije kamera. Eliminirat će se potreba za specijalnim planarnim kalibracijskim objektima, odnosno ostvariti mogućnost kalibracije sustava s više kamera slobodnim kalibrom. Primjena metode izjednačenja zrakovnog snopa omogućila je variranje vanjskih parametara kalibracije te modeliranje proizvoljnog broja kamera. Mogućnost promjene orijentacije kamera dovodi do veće slobode u prilagođavanju projekcijskog sustava zadanom mjernom zadatku. Eksperimentalno je dokazano da se sustav sa četiri kamere u više konfiguracija može kalibrirati korištenjem mjernog objekta kao slobodnog kalibracijskog objekta. Povećanje broja kamera dovodi do ujednačavanja unutrašnjih parametara kalibracije, što je posebno izraženo kod slobodnog prostornog kalibracijskog objekta. Predloženom apsolutnom metodom određivanja stereoparova za unakrsno projicirane svjetlosne uzorke vremenskog faznog pomaka i Gray koda, eliminirana je potreba za dvostrukim pretraživanjem faznih slika, te utjecaj diskontinuiteta. Ubrzano je indeksiranje stereoparova, svaki piksel u korištenoj kameri kodiran je jedinstvenim kodom, neovisno o susjednim pikselima i susjednim kamerama. Kombinacijom amplitudnog filtriranja slike parcijalnih faza i gradijentnog filtriranja slike apsolutnih faza eliminirana su kritična područja, te smanjen broj pogrešno identificiranih stereoparova. Uvođenjem 1,2,3,4 načina analize povećana je prostorna rezolucija, odnosno definicija površinskih detalja. Uvođenjem 4-3-2 postupka triangulacije omogućeno je trianguliranje i onih točaka koje nisu istovremeno vidljive u svim kamerama, a njihovom kombinacijom postignuta je i mogućnost digitalizacije površina djelomično zasjenjenih površinskim artefaktima. Provedenim eksperimentima pokazalo se da je povećanje broja kamera i mogućnost variranja vanjskih parametara orijentacije kamera dovelo do povećanja potpunosti digitalizacije površine, odnosno do smanjenja neophodnog broja projekcija u odnosu na sustave prethodnih tipova