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Dec 28, 2023

Medição precisa para sensor de visão luminosa de estrutura de linha com grande alcance

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7234 (2023) Citar este artigo 502 Acessos Detalhes de métricas Alta precisão e grande faixa de medição são o alvo de qualquer scanner tridimensional.

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7234 (2023) Citar este artigo

502 Acessos

Detalhes das métricas

Alta precisão e ampla faixa de medição são o objetivo de qualquer scanner tridimensional. Para um sensor de visão luminosa com estrutura linear, a precisão da medição depende dos resultados de sua calibração, ou seja, da determinação da expressão matemática do plano de luz no sistema de coordenadas da câmera. No entanto, como os resultados da calibração são soluções localmente ótimas, é difícil realizar medições altamente precisas em uma ampla faixa. Neste artigo, fornecemos um método de medição preciso e o procedimento de calibração correspondente para um sensor de visão luminosa de estrutura linear com uma grande faixa de medição. São utilizados estágios de translação linear motorizados com faixa de deslocamento de 150 mm e um alvo plano que é uma placa de superfície com precisão de usinagem de 0,05 mm. Com a ajuda do estágio de translação linear e do alvo planar, são obtidas funções que fornecem a relação entre o ponto central da faixa laser e a distância perpendicular/horizontal. Depois que a imagem da faixa de luz for capturada, podemos obter um resultado de medição preciso a partir dos pontos característicos normalizados. Comparado com um método de medição tradicional, a compensação de distorção não é necessária e a precisão da medição é significativamente melhorada. Experimentos mostram que o erro quadrático médio dos resultados de medição de acordo com o método proposto é reduzido em 64,67% em relação ao método tradicional.

Um sensor de visão luminosa de estrutura de linha tridimensional (LSLVS) normalmente consiste em um sensor de imagem e um projetor de laser de linha. É amplamente utilizado na área de medição industrial devido à sua ampla faixa de medição, alta precisão, fácil extração de informações e assim por diante. Estes LSLVSs podem ser classificados em duas categorias de acordo com a sua construção.

Na primeira categoria, o sensor de imagem é uma câmera normal com lente normal1,2, ou seja, o plano da imagem é paralelo ao plano da lente. A relação entre o sensor de imagem e o projetor a laser é imutável e triangular no processo de medição. Os pontos espaciais podem ser confirmados uma vez determinada a relação, o que é conhecido como calibração de LSLVS.

Até agora, existem muitos métodos de calibração para LSLVS. Esses métodos podem ser classificados em três categorias de acordo com as formas de obtenção de pontos característicos no plano do laser: método baseado em alvo 3D, método baseado em alvo planar e método baseado em alvo 1D3.

No método baseado em alvos 3D, características geométricas têm sido amplamente utilizadas nos últimos anos. Xiao et al.4 usaram uma facilidade adicional para controlar o alvo 3D, ou seja, um cubo de metal muito preciso, para se mover em pura translação com precisão no propósito de obter um ponto de fuga do plano de luz estruturado, e então o ângulo de projeção da luz O projetor plano foi resolvido a partir do ponto de fuga, bem como da linha de base, a interceptação do plano de luz estruturado no eixo x do sistema de coordenadas da imagem. Yang et al.5 obtiveram duas linhas paralelas no plano de luz estruturado usando um alvo 3D com dois planos paralelos precisamente visíveis, quando vários pontos de fuga foram obtidos, o vetor normal do plano de luz estruturado pôde ser deduzido. Como a linha de base foi resolvida com base na invariância da razão cruzada, a calibração do plano de luz estruturado foi realizada. Infelizmente, o método baseado em alvo 3D não é suficientemente preciso devido ao problema de oclusão mútua entre diferentes planos do alvo e menos pontos característicos. Além disso, o alvo 3D, normalmente um cubo com alguns acessórios especiais, é difícil de fazer com precisão e complicado para calibração no local.

O método baseado em alvo planar está mais disponível para calibrar LSLVS. Wei et al.9,10 utilizaram um alvo plano com padrão xadrez para finalizar a calibração. Com base na invariância da razão cruzada dupla, os pontos de intersecção da faixa clara e dos tabuleiros de xadrez podem ser obtidos no sistema de coordenadas da imagem como o tamanho exatamente conhecido de cada tabuleiro de xadrez. Então, pontos característicos suficientes no plano de luz podem ser obtidos. De acordo com o algoritmo de ajuste relacionado, a expressão do plano de luz sob o sistema de coordenadas da câmera pode ser calculada. Liu et al.11 propuseram um novo método segundo a matriz de Plücker para representar a faixa clara em um alvo planar. Quando o alvo está localizado em diversas posições diferentes, matrizes Plücker de faixas claras podem ser obtidas. Então a expressão do plano de luz pode ser resolvida combinando as matrizes de Plücker obtidas. Wei et al.12 calibram um LSLVS com base no recurso de desaparecimento. Os pontos de fuga do plano de luz podem ser obtidos a partir do ponto de intersecção da faixa de luz e da linha de fuga do plano alvo. Uma vez que o alvo planar é movido para posições suficientemente diferentes, o vetor normal do plano de luz pode ser calculado, bem como a linha de fuga. Como o tamanho do alvo planar é conhecido com exatidão, o parâmetro D poderia ser deduzido consequentemente. Em seguida, foi determinada a função do plano de luz sob o sistema de coordenadas da câmera.