BRPI0918099B1 - Dispositivo para a medição tridimensional de um objeto e método de medição tridimensional de um objeto - Google Patents

Dispositivo para a medição tridimensional de um objeto e método de medição tridimensional de um objeto Download PDF

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Abstract

a invenção refere-se a um dispositivo para medir tridimensionalmente um objeto, compreendendo um primeiro dispositivo de projeção tendo uma primeira fonte de luz infravermelha para projetar um primeiro desenho deslocável sobre o objeto, e pelo menos um dispositivo de captura de imagens para capturar imagens do objeto em uma faixa espectral infravermelha. a invenção refere-se ainda a um método para medir tridimensionalmente um objeto, compreendendo as etapas de projetar um primeiro desenho infravermelho sobre o objeto utilizando um primeiro dispositivo de projeção tendo uma primeira fonte de luz infravermelha; e capturar as imagens do objeto utilizando pelo menos um dispositivo de captura de imagens sensível à radiação inframerlha, onde o desenho é trocado entre as capturas de imagem.

Description

DISPOSITIVO PARA A MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL DE UM OBJETO E MÉTODO DE MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL DE UM OBJETO
DESCRIÇÃO
Campo da invenção
A invenção refere-se a um dispositivo e a um método de medição tridimensional de objetos utilizando um método de medição topométrica.
Técnica anterior
O registro tridimensional de superfícies de objetos utilizando sensores de triangulação óptica de acordo com o princípio da topometria é adequadamente conhecido. Com relação a isto, por exemplo, diferentes desenhos listrados são projetados sobre o objeto a ser medido, observado por uma ou mais câmeras e então analisados com o auxílio de computador. Os ‘métodos de análise^são, por exemplo, métodos de troca de fase, a abordagem de luz codificada ou o método heteródino.
=de “mediçãoUm projetor ilumina o objeto sequencialmente no tempo com desenhos de luz paralela e listras escuras de largura igual ou diferente. O desenho listrado projetado é deformado, dependendo do formato do objeto e da linha de visão. A câmera ou câmeras registra o desenho listrado projetado em um ângulo de visão conhecido na direção da projeção. Uma imagem é capturada com cada câmera para cada desenho de projeção. O limite (borda) entre uma listra clara e uma escura é decisivo para analisar as medições.
O desenho é deslocado através do objeto (escaneado) a fim de medir todo o objeto. Isto resulta em uma sequência cronológica de diferentes níveis de brilho para cada ponto de imagem de todas as câmeras. As coordenadas de imagem na imagem da câmera são conhecidas para um determinado ponto de objeto. O número de listras pode ser calculado a partir da
2/9 sequência de níveis de brilho que foram medidos a partir da sequência de imagem de cada ponto de imagem da câmera. No caso mais simples, isto ocorre com um código binário (por exemplo, um código de Gray) que identifica o número da listra como uma coordenada discreta no projetor.
Uma maior precisão pode ser obtida com o assim chamado método de troca de fase, pois este pode determinar uma coordenada não discreta por meio da qual a posição de fase de um sinal modulado é determinada por medições de intensidade ponto a ponto. A posição de fase do sinal é então trocada por um valor conhecido pelo menos duas vezes enquanto a intensidade é medida em um ponto. A posição de fase pode ser calculada a partir de três ou mais valores medidos. O método de troca de fase pode ser utilizado além “de um códigó de Gray ou como ummétodo heteródino de-medição absoluta (com diversos comprimentos de onda).
Os fundamentos e aplicações práticas destes métodos de medição topométrica são “descritos—em detalhe-, j por exemplo, em Bernd Breuckmann: Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis, 1993, FranzisVerlag GmbH, München [Munique].
Se, no entanto, for desejado medir objetos que são muito fortemente refletivos, por exemplo, a carroceria pintada de um automóvel, ou que sejam mesmo transparentes à luz visível, por exemplo, superfícies de vidro, os sistemas anteriores de medição baseados na projeção de listras não são capazes de registrar estes objetos topometricamente, pois nenhum desenho de projeção é visível na superfície destes objetos.
Uma abordagem para verificar superfícies fortemente ref letivas é conhecida a partir da DE 202 16 852 UI, onde esta abordagem pode detectar ressaltos ou entalhes por meio de reflectometria ou deflectometria. Devido ao princípio de
3/9 medição, no entanto, este dispositivo é inadequado para registrar um objeto com precisão suficiente ou com a resolução necessária uma vez que a resolução lateral é muito baixa.
A qualidade da medição que resulta da medição tridimensional de objetos utilizando a projeção de listras depende amplamente do contraste entre a projeção e a luz ambiente.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Visando as desvantagens da técnica anterior, o problema que constitui a base da invenção é prover um dispositivo para a medição óptica tridimensional de objetos que são transparentes na luz visível ou que fortemente refletem a luz utilizando um método de medição topométrica
...que .provê boas condições de. contraste ncudesenho de projeção sobre os objetos.
Este problema é solucionado pelo dispositivo de -acordo com a-reivindicação—1 e —pelo—método de acordo^com-a reivindicação 10.
O dispositivo de medição tridimensional de um objeto de acordo com a invenção compreende um primeiro dispositivo de projeção tendo uma primeira fonte de luz infravermelha para projetar um primeiro desenho deslocável sobre o objeto e pelo menos um dispositivo de captura de imagens para capturar imagens do objeto em uma faixa espectral infravermelha.
O uso de luz infravermelha para projetar o desenho tem a vantagem de que o desenho projetado deixa sua própria impressão conforme uma distribuição de calor sobre o objeto a ser medido, ou seja, as superfícies correspondentes do objeto iluminado com radiação infravermelha pelo dispositivo de projeção diferem das superfícies do objeto não iluminadas desta forma, pois há uma diferença de temperatura. Esta
4/9 diferença de temperatura, por sua vez, é expressa em uma intensidade diferente da emissão radiante na faixa de comprimento de onda infravermelha, particularmente a assim chamada radiação térmica que, por exemplo, pode ser capturada com uma câmera infravermelha.
Deve ser então observado que a faixa de comprimento de onda do desenho infravermelho irradiado não necessariamente corresponde à faixa de comprimento de onda que é emitida pelo objeto. O mesmo se aplica à faixa de comprimento de onda para a qual o dispositivo de captura de imagens é sensível.
O desenho projetado pode, em particular, ser formado como ponto, linha ou área.
Outro desenvolvimento do dispositivo de acordo com _a invenção _se baseia no fato - de .que. ele pode compreender um segundo dispositivo de projeção com uma segunda fonte de luz infravermelha para projetar um segundo desenho deslocável
-sobre o-objeto. Esta - abordagem permite -combinações- dos dois' desenhos a ser realizados, por meio do que, em particular, o segundo dispositivo de projeção pode ser disposto de tal modo que o segundo desenho possa ser projetado a partir de uma direção diferente e em um ângulo diferente.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que a primeira fonte de luz infravermelha do primeiro dispositivo de projeção tem uma primeira superfície de emissão e/ou por meio da qual a segunda fonte de luz infravermelha do segundo dispositivo de projeção pode ter uma segunda superfície de emissão. Combinado com uma alta capacidade de emissão da superfície de emissão aquecida, o calor gerado é rapidamente e eficientemente emitido como radiação infravermelha.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que a respectiva superfície de emissão pode ser aquecida por
5/9 um respectivo aquecedor de resistência. A rápida modulação direta da radiação IV é possibilitada pela energia elétrica de aquecimento.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que a própria respectiva superfície de emissão pode definir o desenho a ser projetado, ou que o respectivo desenho pode ser definido por um respectivo elemento de desenho com superfícies transparentes â luz infravermelha e superfícies não transparentes à luz infravermelha, por meio do que o respectivo elemento de desenho pode ser disposto entre a respectiva superfície de emissão e o objeto.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o respectivo desenho é um desenho listrado. Isto tem a vantagem de que a borda entre as listras é uma reta cuja deformação sobre o objeto- é capturada como dispositivo de captura de imagens.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o dispositivo -pode ainda— compreender um dispositivo ~de análise para analisar as imagens capturadas pelo dispositivo de captura de imagens. Este dispositivo de análise pode, por exemplo, ser implementado por meio de uma unidade de computador na qual um programa adequado para análise topométrica das imagens capturadas é executado. Em particular, a forma de superfície correspondente do objeto pode, por exemplo, ser retro-calculada a partir da deformação de uma borda linear.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o respectivo dispositivo de projeção pode ter um cilindro que é provido da superfície de emissão, por meio da qual o cilindro pode ser girado em torno de seu eixo cilíndrico. Isto tem a vantagem de que um desenho deslocável (por exemplo, um desenho listrado da superfície de emissão ou um elemento de desenho) pode ser projetado sobre o objeto
6/9 de uma forma simples.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o dispositivo de captura de imagens pode ser sensível à radiação infravermelha com um comprimento de onda na faixa de 1 pm a 1 mm, preferencialmente na faixa de 3 pm a 50 pm, mais preferencialmente na faixa de 3 pm a 15 pm, mais preferencialmente ainda na faixa de 3 pm a 5 pm ou 8 pm a 14 pm. Em particular, isto permite o uso de câmeras infravermelhas que são utilizadas para termografia e que são sensíveis a uma faixa infravermelha intermediária (3 a 15 pm) . Para a faixa espectral de 8 a 14 pm, detectores de arseneto de gálio ou detectores de telurídeo de cádmiomercúrio podem ser utilizados, por exemplo.
O problema acima mencionado é ainda solucionado _pelo método_de medição tridimensional— de-um objeto de acordo com a invenção, tendo as etapas de: projetar um primeiro desenho infravermelho sobre o objeto com um primeiro -dispositivo —de— projeção- com -uma· primeira fonte _de_ luz infravermelha, e capturar imagens do objeto com pelo menos um dispositivo de captura de imagens sensível à radiação infravermelha, por meio da qual o desenho é trocado entre as capturas de imagem.
Outro desenvolvimento do método de acordo com a invenção se baseia no fato de que este pode ter a seguinte etapa adicional: projetar um segundo desenho infravermelho sobre o objeto com um segundo dispositivo de projeção com uma segunda fonte de luz infravermelha.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o respectivo desenho pode ser um desenho listrado.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que cada desenho pode ser deslocado através do objeto pelo respectivo dispositivo de projeção em uma respectiva velocidade estipulada. Desta forma, o objeto é escaneado,
7/9 por meio do que as imagens trocadas no tempo são feitas com o dispositivo de captura de imagens (câmera).
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o respectivo dispositivo de projeção pode ter um cilindro que é provido de uma respectiva superfície de emissão, por meio da qual o cilindro pode ser girado em torno de seu eixo cilíndrico.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o pelo menos um dispositivo de captura de imagens pode ser acionado com o dispositivo de projeção. Desta forma, sequências predeterminadas de combinações dos desenhos projetados na superfície podem ser capturadas.
Ainda, outro desenvolvimento se baseia no fato de que o método pode compreender outra etapa: análise das imagens_capturadaspelo dispositivo de captura de imagens em um dispositivo de análise utilizando um método de análise topométrica. Desta forma, a estrutura de superfície _tridimensional do objeto-pode-ser analisada- — — — - — —
Os vários outros desenvolvimentos podem ser utilizados de forma independente entre si ou combinados entre si.
Outras configurações preferidas da invenção são descritas a seguir com referência aos desenhos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 mostra uma primeira configuração do dispositivo de acordo com a invenção.
A Figura 2 mostra uma segunda configuração do dispositivo de acordo com a invenção.
DESCRIÇÃO DAS CONFIGURAÇÕES
A Figura 1 mostra uma primeira configuração do dispositivo de acordo com a invenção para a medição óptica tridimensional de um objeto 5 transparente ou fortemente refletivo utilizando um método de medição topométrica tendo
8/9 pelo menos um projetor 1 com uma luz infravermelha de intensidade a fim de obter boas condições de contraste.
A fonte de luz infravermelha la do projetor 1 se baseia em um aquecedor de resistência que aquece uma superfície de emissão la. Combinado com uma alta capacidade de emissão da superfície de emissão aquecida, o calor gerado é rapidamente e eficientemente emitido como radiação infravermelha. A rápida modulação direta da radiação IV é ainda possibilitada pela energia elétrica de aquecimento. A superfície de emissão neste exemplo diretamente forma então o desenho listrado que deve ser projetado. Outra possibilidade está no fato de que uma máscara com o desenho é disposta entre a superfície de emissão e o objeto.
Uma vez que o desenho listrado deve se mover ..através da superfície .do objeto.5,.o dispositivo, de .acordo com a invenção provê um desenho listrado deslocável que pode girar, por exemplo, na forma de um cilindro 1 que é provido alta
-da superf-ície-de emissão, por meio da qual o cilindro-1 pode girar em torno de seu eixo cilíndrico.
O objeto 5 com o desenho projetado é capturado por uma câmera infravermelha 3. Os sinais ou dados da câmera são então enviados a um dispositivo de análise 4 (por exemplo, computador) no qual um programa de análise topométrica é executado.
Dependendo do condutividade térmica, infravermelha e de sua radiação pode ser material do objeto 5 a intensidade da do dispositivo de projeção 1 selecionada de modo que a diferença de temperatura seja, por um lado, grande o suficiente para registrar uma borda (uma diferença) entre uma superfície iluminada e uma superfície não iluminada com o dispositivo de captura de imagens (câmera) 3, porém, por outro lado, pequena o suficiente para que esta borda não seja substancialmente amolecida durante a
9/9 captura devido à difusão térmica. Isto é baseado no fato de que a extensão de tempo da difusão térmica é essencialmente inversamente proporcional à diferença de temperatura. Com a adequada da radiação seleção de uma intensidade infravermelha e de uma extensão adequada de tempo entre capturas temporalmente adjacentes, um bom nível de contraste pode ser obtido entre as áreas iluminadas e as áreas não iluminadas do objeto.
A Figura 2 mostra uma segunda configuração do
dispositivo de acordo com a invenção. Os números de
referência iguais na Figura 1 e na Figura 2 indicam os
mesmos elementos.
A segunda configuração tem um segundo projetor 2 não encontrado na primeira configuração conforme mostrado na Figura 1,_ por meio do qual este segundo projetor^ 2 está similarmente na forma de um cilindro. Dois desenhos de emissão cilíndrica que giram entre si em um ângulo definido são projetados- sobre -a superfície do objeto.- -Cada cilindro- então gira cada um em uma velocidade definida, em torno de seu eixo cilíndrico particular. O novo desenho de projeção então resultante tem características que permitem uma análise mais rápida com uma alta resolução. Por exemplo, surgem desenhos especiais na superfície que dependem da velocidade de rotação e do ângulo entre os cilindros 1, 2 e que podem ser ajustados de forma definida a fim de permitir uma melhor análise de características específicas das superfícies do objeto.
A câmera 3 (dispositivo de captura) é ainda acionada com os projetores 1, 2 de tal modo que a variação do acionamento ê suficiente para permitir desenhos especiais adicionais sobre a superfície a ser analisada.

Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. DISPOSITIVO PARA A MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL DE UM OBJETO (5), caracterizado pelo fato de compreender:
    um primeiro dispositivo de projeção (1) tendo uma 5 primeira fonte de luz infravermelha (1a) para projetar um primeiro desenho deslocável sobre o objeto, incluindo uma superfície iluminada e não iluminada do objeto, onde o primeiro desenho projetado deixa uma impressão de si mesmo como uma distribuição de calor sobre o objeto;
    10 pelo menos um dispositivo de captura de imagens (3) para capturar imagens da distribuição de calor impressa sobre o objeto em uma faixa espectral infravermelha; e um dispositivo de análise para analisar topometricamente as imagens capturadas as imagens
    15 capturadas por um dispositivo de captura de imagem;
    onde uma diferença de temperatura entre as superfícies iluminadas e não iluminadas resulta em uma borda separando as superfícies iluminadas e não iluminadas na imagem capturada da distribuição de calor, sendo a borda
    20 analisada topometricamente pelo dispositivo de análise.
  2. 2. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação
    1, caracterizado pelo fato de compreender um segundo dispositivo de projeção (2) tendo uma segunda fonte de luz infravermelha (2a) para projetar um segundo desenho
    25 deslocável sobre o objeto.
  3. 3. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação
    2, caracterizado pelo fato de que a primeira fonte de luz infravermelha do primeiro dispositivo de projeção possuir uma primeira superfície de emissão e/ou onde uma segunda
    30 fonte de luz infravermelha do segundo dispositivo de projeção possui uma segunda superfície de emissão.
  4. 4. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação
    3, caracterizado pelo fato de que a respectiva superfície
    Petição 870190030674, de 29/03/2019, pág. 7/12
    2/4 de emissão pode ser aquecida por um respectivo aquecedor de resistência.
  5. 5. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a própria respectiva
    5 superfície de emissão define o desenho a ser projetado, ou onde o respectivo desenho é definido por um respectivo elemento de desenho com superfícies transparentes à luz infravermelha e superfícies não transparentes à luz infravermelha, onde o respectivo elemento de desenho é
    10 disposto entre a respectiva superfície de emissão e o objeto.
  6. 6. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o respectivo desenho é um desenho listrado.
    15
  7. 7. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 6, caracterizado pelo fato de que o respectivo dispositivo de projeção possui um cilindro que é provido com a superfície de emissão, por meio da qual o cilindro pode ser girado em torno de seu eixo cilíndrico.
    20
  8. 8. DISPOSITIVO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de captura de imagens é sensível à radiação infravermelha com um comprimento de onda na faixa de 1 pm a 1 mm, preferencialmente na faixa de 3 pm a 50 pm, mais
    25 preferencialmente na faixa de 3 pm a 15 pm, mais preferencialmente ainda na faixa de 3 pm a 5 pm ou 8 pm a 14 pm.
  9. 9. MÉTODO DE MEDIÇÃO TRIDIMENSIONAL DE UM OBJETO (5), caracterizado pelo fato de compreender as
    30 etapas de:
    projetar um primeiro desenho infravermelho sobre o objeto, incluindo uma superfície iluminada e não iluminada do objeto, com um primeiro dispositivo de projeção (1) com uma primeira fonte de luz infravermelha
    Petição 870190030674, de 29/03/2019, pág. 8/12
    3/4 (1a), onde o primeiro desenho projetado deixa uma impressão de si mesmo como uma distribuição de calor sobre o objeto;
    capturar imagens da distribuição de calor impressa sobre o objeto com pelo menos um dispositivo de
    5 captura de imagens (3) sensível à radiação infravermelha;
    onde o desenho é trocado entre as capturas de imagem; e analisar as imagens capturadas pelo dispositivo de captura de imagens em um dispositivo de análise com um
  10. 10 método de análise topométrico, onde uma diferença de temperatura entre as superfícies iluminadas e não iluminadas resulta em uma borda separando as superfícies iluminadas e não iluminadas na imagem capturada da distribuição de calor, sendo a borda
    15 analisada topometricamente pelo dispositivo de análise.
    10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender a etapa adicional de:
    projetar um segundo desenho infravermelho sobre o 20 objeto com um segundo dispositivo de projeção (2) com uma segunda fonte de luz infravermelha (2a).
  11. 11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o respectivo desenho é um desenho listrado.
    25
  12. 12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que cada desenho é deslocado através do objeto pelo respectivo dispositivo de projeção a uma respectiva velocidade estipulada.
    30
  13. 13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o respectivo dispositivo de projeção possui um cilindro que é provido com uma respectiva superfície de emissão, por meio da qual o cilindro é girado em torno de seu eixo cilíndrico.
    Petição 870190030674, de 29/03/2019, pág. 9/12
    4/4
  14. 14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12 13, caracterizado pelo fato de que o pelo menos dispositivo de captura de imagens é acionado com dispositivos de projeção.
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