3D Optical Scanning Principals : Optical Triangulation

The 3D scanning process is based on optical triangulation methodology. Bacisly a photograph image has just two dimensions. The scanners use this photo images to create the third dimension. Optical triangulation methodology is creating this third dimension from the photo images.

Methodologies for triangulation

  • Optical Triangulation (1D)
  • Light section (2D)
  • Fringe projectionor – structural light  (3D)

Optical Triangulation Figure 1.a

Light section Figure 1.b

Fringe projection Figure 1.c
1.a Optik üçgenleme ve örneği
1.b Işık kesiti tekniği ve örneği
1.c Fringe izdüşümü tekniği ve örneği

Pasif metodlar:

  • Stereometri (3D)
  • Fotogrametri (3D)

Stereometri: Ölçümü yapılacak olan cismin yüzeyi üzerine herhangi bir ışık kesiti (fringe) düşürülmez. Bunun yerine cismin 3 boyutlu yüzeyi, iki kameradan alınan üst üste binen görüntülerden hesaplanarak elde edilir. (Şekil 2.a)

Fotogrametri: Bu yöntemde taranan obje bir kamera ile farklı açılardan görüntülenip üzerindeki indexmark’lar yardımı ile referansları bilgisayar ortamında 3 boyutlu nokta bulutu halinde elde edilir. (Şekil 2.b)
2.a İki kamera ile stereografi
2.b Bir kamera ile farklı yönlerden fotogrametri

3D Tarama Sisteminde Topogrametri

3 boyutlu optik ölçüm tekniklerinde topogrametrik metodun yapılı aydınlatma tekniği esnekliği ve güvenilirliği bakımından göze çarpmaktadır. Bu tekniğin avantajları Breuckmann firmasının 3 boyutlu tarama sistemlerinde maksimum düzeyde görülmektedir. Bu sistemler Gri kod ve faz kaydırma metodu ile birleştirilmiş patentli MPT (Miniature Projection Technique) tekniğini kullanarak yüksek çözünürlük ve ölçüm hassasiyetini, hızlı veri edinme, esnek veri analizini en iyi şekilde sağlamaktadır.

Metod

Topogrametrik 3D sistemi, güçlü bir ışık kaynağı ile cismin üzerine farklı dokusal özellikleri olan fringe’ler düşürür. Cismin yüzeyi üzerinde bu kodlanmış yapılı ışıklar, cismin şeklinin karakteristik özellikleri doğrultusunda deformasyona uğrar. Yüksek çözünürlükteki bir kamera sistemi ile bu deformasyon bilgileri alınır. Bu kamera sistemi, projeksiyon sistemi ile özel bir açı yapacak şekilde yönlendirilmiştir. Bu açıya üçgenleme (triangulation) açısı denir. Cismin üzerine düşürülen fringe’lerin deformasyon bilgileri analiz edilerek 1 milyona kadar noktanın 3D koordinatları birkaç saniye içerisinde elde edilmiş olur. (Şekil 3 a,b) Kullanılan sensor sistemine bağlı olarak birkaç milimetreden birkaç metreye kadar olan objeler bir ölçümde sayısallaştırılabilmektedir. Breuckmann’ın 3D tarama sistemi ve sensor geometrisi Şekil 4’te görülmektedir.
3.a Üçgenleme açısındaki kamera ve projector ile sensor düzeneği
3.b Cismin yüzeyinde deformasyona uğrayan izdüşürülmüş fringe’ler


4. Standart optoTop sistemi ve sensorün geometrik düzenlemesi

Gri kod metodunda bir dizi ikili kodlanmış ışık kesiti demeti cisim üzerine düşürülür. Düşürülen bu ışık dizisi şablonu sayesinde her görüş pozisyonu için Gri kod bilgisi üretilir. Sonuç olarak her bir görüntü pozisyonunun ışık demeti düzeni açık bir şekilde elde edilmiş olur. Faz kaydırma, 3 boyutlu pozisyonların yerel olarak hesaplanmasında kullanılan standart bir yöntemdir. Cisim üzerine sinüzoidal ışın kesiti demetleri düşürülür. Faz kaydırma metodu ile yalnızca yerel nokta pozisyonları elde edilmez. Ayrıca ışık kesitlerinin kontrast bilgileri de elde edilir ki bu bilgi ölçüm verisinin kalitesinin bir göstergesidir. Gri kod ve faz kaydırma metodunun birleştirilmesi ile yüksek doğruluk ve güvenilir ışık kesiti (fringe) analizi garantilenmiş olur.


5. Projektör ve ızgara levhası

MPT (Miniature Projection Technique) tekniğindeki Gri kod ve faz kaydırma yaptıracak ızgaralar projektördeki ince bir cam levhaya üzerinde basılı bulunmaktadır. Bu levhanın yukarı aşağı ve sağa sola hareketi ile taraması yapılacak yüzey üzerine gri kodlanmış ızgara yapılı ışık demeti ve faz kaydırma metodu için gerekli ışık demetleri gönderilir. Bu şekilde ızgaraların faz hatası 0.5 µm olmaktadır. Bu şekildeki birleşik yapı sayesinde gri kod ve faz bilgisi ayrı bir cihaza gerek duymaksızın elde edilmiş olur.


Referanslar:

1. Breuckmann GmbH Industrial Image Processing and Automation (Help Documents), Mayıs 2005

2. Görür B. V., Akdoğan A. N., Yurci M. E., “Optik Ölçme Yöntemlerinin Sac ve Plastik Parçaların İmalatındaki Sayısallaştırma, Tersine Mühendislik ve Muayene Prosesleri Yönünden Sağladığı Yararlar”,www.turkcadcam.net/rapor/…, Aralık 2003

3. Dereli T., Baykasoğlu A., “Tersine Mühendislik”, www.turkcadcam.net/rapor/…, Nisan 2005

4. The Basics of Photogrammetry, Geodetic Services, Inc. > www.geodetic.com/whatis.htm

5. Optical Triangulation, Optical Metrology Centre >
www.optical-metrology-centre.com/tech_briefs_optical_triangulation.htm