CZ27048U1 - Integrální zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů pomocí metody fotometrického sterea - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů pomocí metody fotometrického sterea, které spadá do oblasti trojrozměrné digitalizace, tvorby 3D modelů reálných objektů, reverzního inženýrství a digitální archivace.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje řada metod pro vytváření digitalizovaných trojrozměrných modelů vnějších povrchů reálných objektů. Mezi nej používanější metody patří např. kontaktní měření (CMM - coordinate measuring machine), počítačová tomografie (CT), metody laserového skenování, metody založené na stereoskopickém principu záznamu, či optické metody nasvícení objektu pomocí strukturovaného nebo modulovaného světla. Předložené řešení využívá další z používaných přístupů, a tím je metoda fotometrického sterea. U všech uvedených metod jsou zaznamenaná digitální data softwarově zpracována, a následně je pomocí rekonstrukce vytvořen digitalizovaný trojrozměrný model povrchu zkoumaného objektu.

Významným problémem většiny stávajících metod bývá spojení textury (digitálního obrazu rozložení barevnosti skutečného povrchu objektu povrchových detailů) s rekonstruovaným 3D modelem. Některé postupy vedou k modelům bez textury - laserové skenování, CT. Jinde se projevuje nevýhoda snímání buď celého objektu, nebo jeho velké části. Textura zaznamenaná v příliš velké ploše je méně detailní (při daném rozlišení záznamového zařízení). Zkreslení textury se navíc výrazně zvyšuje při použití matematických transformací nezbytných pro její adaptaci a umístění na trojrozměrný model.

Fotometrické metody (mezi které patří i fotometrické stereo) využívají vztahu mezi jasem nasvícené plochy a jejím natočením vůči přesně známému zdroji světla. Na základě vhodného matematického popisu lze pak více či méně jednoznačně vytvořit digitální model vnějšího povrchu zkoumaného objektu. Přesnost a jednoznačnost rekonstrukce objektu je silně závislá na kvalitě nasvícení scény přesně definovaným zdrojem světla, které se spolu s optickou soustavou záznamového zařízení podílí na výsledné kvalitě pořízených digitálních snímků.

Volba způsobu nasvícení objektu a zařízení pro sběr obrazových dat je vždy kompromisem mezi požadovaným rozlišením detailů modelu a komplexností experimentálního zařízení. Pro vytvoření digitálního modelu jednoduchého povrchu může stačit nasvícení scény s objektem jediným světlem, avšak tento způsob nasvícení nelze použít při rekonstrukci tvarově složitých objektů (vč. omezení rekonstrukce pouze na určitou oblast na objektu), protože nasvícení jedním zdrojem světla neposkytuje dostatečný popis objektu a rekonstrukce je nejednoznačná. Nejednoznačnost rekonstrukce lze odstranit získáním souboru obrazových dat, zachycujících objekt při nasvícení z různých směrů.

Z přihlášky vynálezu US 20080232679 Al je známo zařízení pro snímání 3D obrazů malých objektů využívající metodu fotometrického sterea. V dokumentuje popsáno zařízení, které zahrnuje stolek pro uložení objektu, optické zařízení, které se nachází nad objektem, a zdroj světla, který rotuje okolo objektu a nasvěcuje ho. Stolek, na kterém je umístěn objekt lze poloho vat v horizontálním a vertikálním směru. Nevýhody řešení spočívají v tom, že zdroj světlaje staticky upevněný k otočnému nosnému rameni, takže lze nasvícení objektu měnit pouze změnou polohy stolku.

Úkolem technického řešení je vytvoření zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů povrchu objektů, které bude umožňovat adaptabilní nasvícení objektu, bude využívat více možností nasvícení objektu, jako jsou např. různé barvy světla, odlišné úhly nasvícení, rozbíhavé, nebo kolimované světlo, a bude osvětlovat objekt pro nasnímání více datových souborů najednou.

-1 CZ 27048 Ul

Podstata technického řešení

Vytčený úkol je vyřešen pomocí integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení.

Integrální zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů pomocí metody fotometrického sterea zahrnuje alespoň jedno optické zařízení pro záznam digitálního obrazu. Optické zařízení se nachází nad polohovatelným stolkem, na kterém je umístěn snímaný objekt. Polohovatelný stolek s objektem nasvěcuje alespoň jeden zdroj světelného svazku rotující kolem osy rotace zařízení.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že vzdálenost zdroje světelného svazku od osy rotace je nastavitelná, že výška zdroje světelného svazku od polohovatelného stolku je nastavitelná, a že světelný svazek ze zdroje je vyzařován na polohovací stolek pod nastavitelným elevačním úhlem. Nastavení vzdálenosti od osy rotace, nastavení výšky zdroje světelného svazku a nastavení elevačního úhlu dopadu světelného svazku poskytuje širokou paletu možností, jak snímaný a modelovaný objekt nasvítit, čímž je zařízení vhodné pro nej různější druhy objektů s různou výškou reliéfu a texturou.

V dalším výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení leží optické zařízení a objekt na jedné ose rotace a současně sdílí osu rotace mezi nimi uspořádána rotační hlava opatřená alespoň jedním zdrojem světelného svazku, přičemž je rotační hlava zkonstruována pro přímou viditelnost mezi objektem a optickým zařízením. Nastavení optického zařízení a objektu do společné osy rotace usnadňuje výpočet dle metody fotometrického sterea. Rotační hlava nepřenáší otřesy na objekt při rotaci, jako je to v případě pohonu rotace zdroje světelného svazku umístěného pod rotačním stolkem, přičemž nepřekáží při tvorbě snímků.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení má rotační hlava v podstatě tvar prstence, a současně je k rotační hlavě uspořádáno vodorovné nosné rameno, ke kterému je kolmo uspořádáno svislé nosné rameno, a na svislém nosném rameni je uspořádán zdroj světelného svazku, přičemž svislé nosné rameno je posuvné po vodorovném nosném rameni a zdroj světelného svazku je posuvný po svislém nosném rameni. Prstencový charakter rotační hlavy zahrnuje otvor uprostřed rotační hlavy, kterým může optické zařízení snímat objekt. Nosná ramena zavěšená na rotační hlavu umožňují manipulaci se zdrojem světelného svazku, aniž by došlo ke stínění. Toto uspořádání je výhodné, protože se snižuje počet nezbytných světel.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení je rotační hlava vybavena alespoň jedním zdrojem bílého světla pro osvícení objektu. Výhodné je, že difuzní bílé světlo umožňuje při vypnutých ostatních zdrojích světelného svazku homogenně nasvítit povrch objektu, a tím zachytit jeho barevnost. Snímek barevnosti objektu slouží k vytvoření textury povrchu objektu, jež je aplikována na výsledný model povrchu.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení sestává zdroj světelného svazku z osvětlovače a z naklápěcího zrcátka pro odraz světelného svazku na polohovatelný stolek. Vzhledem k tomu, že se využívají telecentrické osvětlovače a použitá naklápěcí zrcátka jsou bez optických vad, je zachována paralelita paprsků světelného svazku i po odrazu. Mechanismus naklápění zrcátek i jeho obsluha je jednodušší než naklápění celého osvětlovače. Osvětlovač je na rotační hlavě orientován svisle dolů, přičemž zrcátko je uspořádáno odraznou plochou proti osvětlovači s možností vertikálního posunu ve výšce mezi polohovatelným stolkem a osvětlovačem. Toto uspořádání je výhodné, protože není potřeba vodorovné nosné rameno. Tím jsou zmenšeny prostorové nároky na mechanismus zařízení.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení je opatřeno třemi zdroji světelného svazku, kde je každý zdroj světelného svazku nastavitelný vůči polohovatelnému stolku nezávisle na nastavení

-2CZ 27048 Ul ostatních zdrojů světelných svazků vůči polohovacímu stolku, nebo mají zdroje světelných svazků nastaveny stejné parametry vzdálenosti od osy rotace, výšky od polohovatelného stolku a velikosti elevačního úhlu, a jsou okolo osy rotace uspořádány v pravidelných úhlových rozestupech. Výhoda zařízení spočívá v možnosti získat tři odlišné soubory dat pro každé otočení rotační hlavy okolo osy rotace, a tím výrazně urychlit měření. Současně toto uspořádám umožňuje optimalizaci elevačního úhlu nasvícení při měření metodou fotometrického sterea.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení emituje každý zdroj světelného svazku světelný svazek odlišné barvy. Je výhodné použít několik spektrálně odlišných nejlépe monochromatických barev světelných svazků, neboť se snímá kombinace těchto barev. Povrch modelovaného objektu ovlivňuje vzájemný výsledný poměr dopadajících barevných světelných svazků, a to vytváří jiné barvy odrážející se od objektu. Pozorované barvy povrchu jsou výsledkem kombinace těchto barev, z nichž lze metodou kódovaného fotometrického sterea stanovit topografii povrchu. Toto uspořádání je výhodné zejména pro záznam objektů, které se v čase mění.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení je opatřeno nejméně dvěma zdroji světelného svazku, přičemž jeden zdroj světelného svazkuje upraven pro promítnutí strukturovaného světla na polohovatelný stolek. Promítnutím mřížky je eliminováno zkreslení topografie stanovené metodou fotometrického sterea u větších objektů. Projekce mřížky přes celý objekt umožňuje získat hrubou topografickou síť celého povrchu objektu a na ní potom umísťovat lokálně přesná data zrekonstruovaná metodou fotometrického sterea.

V dalším jiném výhodném provedení integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů podle tohoto technického řešení je poloho vatelný stolek automatizovaně poloho vatelný v osách pohybu stolku. Pomocí postupného skenování vzorku po menších částech povrchu a následného spojení dílčích rekonstrukcí je možné získat detailní model povrchu celého objektu.

Výhody integrálního zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů jsou v adaptovatelnosti nasvícení objektu pro dokonalé nasnímání, v jednoduché konstrukci, v rychlosti pořízení souborů dat a s tím spojené efektivnosti práce.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno na výkresech, kde obr. 1 vyobrazuje schematický bokorysný pohled na zařízení s telecentrickým zdrojem světelného svazku a se zdrojem strukturovaného světla, obr. 2 vyobrazuje schematický bokorysný pohled na zařízení s osvětlovačem a naklápěcím zrcátkem, obr. 3 vyobrazuje axonometrický pohled na zařízení s jedním zdrojem světelného svazku, obr. 4 vyobrazuje axonometrický pohled na zařízení s jedním telecentrickým zdrojem světelného svazku a s jedním laserovým zdrojem světelného svazku, obr. 5 vyobrazuje axonometrický pohled na zařízení se zdrojem světelného svazku sestávajícím z osvětlovače a zrcátka a obr. 6 vyobrazuje axonometrický pohled na zařízení se třemi telecentrickými zdroji světelného svazku.

Příklad uskutečnění technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší, či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Na schematickém vyobrazení zařízení I pro tvorbu digitálních modelů na obr. 1 je vidět vertikální osa o. Osa o prochází optickým zařízením 3, které sestává z objektivu a digitálního fotoaparátu. Objektiv umožňuje detailní přiblížení obrazu osvětlené pracovní oblasti na ploše polohovatelného stolku 4 a fotoaparát je připojen k externímu nevyobrazenému počítači. V příkladu uskuteč-3CZ 27048 U1 nění má uváděný počítač význam jako řídicí člen, prostředek pro uložení dat a jako výpočetní a vyhodnocovací prostředek metody fotometrického sterea. Optické zařízení 3 je zavěšeno s možností vertikálního pohybu.

Na ose o rotace je pod objektivem optického zařízení 3 umístěn polohovatelný stolek 4. Osa o rotace prochází středem osvětlené pracovní oblasti. Na polohovatelný stolek 4 se umisťuje modelovaný objekt 2. Polohovatelný stolek 4 umožňuje pohyb ve třech základních směrech. Pohyb po ose x a po ose y umožňuje postupně spočinout celé ploše polohovatelného stolku 4 v osvětlené pracovní oblasti. To je výhodné, zejména při detailním snímání jednotlivých dílčích částí modelovaného objektu 2. Pohyb ve směru osy z umožňuje současně s vertikální pohyblivostí optického zařízení 3 mechanický zoom, přičemž detailní přiblížení je provedeno optikou objektivu optického zařízení 3. Polohovatelný stolek 4 má posuv v osách x, y a z pohybu zajištěn krokovým motorem s vysokou přesností nastavení polohy v řádech jednotek mikrometrů. Pohon posuvu je ovládán z řídicího členu a je plně automatizován. Pohyby zařízení i jsou zvýrazněny na obr. 3.

Mezi polohovatelným stolkem 4 a optickým zařízením 3 je na ose rotace uspořádána rotační hlava 6, která se otáčí okolo osy o rotace. Rotační hlava 6 má tvar prstence s průchozím středem. Střed je průchozí, aby se nebránilo viditelnosti mezi optickým zařízením 3 a osvětlenou pracovní oblastí na polohovatelném stolku 4.

Rotační hlava 6 je vybavena nevyobrazeným zdrojem difuzního bílého světla pro nasvícení objektu 2 při získávání souboru dat popisujících texturu modelovaného objektu 2. Zdroj bílého světlaje integrován do konstrukce rotační hlavy 6.

Na spodní straně rotační hlavy 6 je nepohyblivě upevněno vodorovné nosné rameno 7, které je orientováno jedním koncem směrem k ose o rotace, avšak jeho konec nezasahuje do průchozího středu rotační hlavy 6. Druhý konec vodorovného nosného ramene 7 zasahuje mimo půdorys rotační hlavy 6.

Na vodorovné nosné rameno 7 je uchyceno svislé nosné rameno 8. Svislé nosné rameno 8 se může posouvat po délce vodorovného nosného ramene 7. Posuv je prováděn s vysokou přesností. Na svislém nosném rameni 8 je upevněn zdroj 5 světelného svazku, který je orientovaný směrem na pracovní plochu polohovatelného stolku 4. Zdroj 5 světelného svazku se může posuvně pohybovat po délce svislého nosného ramene 8 a současně se může naklápět tak, aby světelný svazek dopadal na osvětlenou pracovní oblast pod elevačním úhlem a. Zdroj 5 světelného svazku je tvořen telecentrickým projektorem a světelným zdrojem s vysokovýkonnou LED diodou s vysokou stálostí vyzařovaného spektra.

Díky posuvným pohybům nosné konstrukce lze velice přesně nastavit vzdálenost 1 zdroje 5 světelného svazku od osy o rotace, dále nastavit výšku h zdroje 5 světelného svazku nad rovinou polohovacího stolku 4 a velikost elevačního úhlu a dopadajícího světelného svazku. Přesnost nastavení je zásadním požadavkem pro výpočetní metodu fotometrického sterea.

Na obr. 2 je zdroj 5 světelného svazku tvořen osvětlovačem 9 a naklápěcím zrcátkem 10. Osvětlovač 9 je připevněn pevně k rotační hlavě 6 směrem svisle dolů. Souběžně s osvětlovačem 9 je na rotační hlavně 6 svislé nosné rameno 8, které nese zrcátko 10. Zrcátko 10 je odraznou plochou nastaveno vůči osvětlovači 9, přičemž díky naklápění může měnit elevační úhel a dopadu světelného svazku na polohovatelný stolek 4. Osvětlovač 9 je opatřen telecentrickým projektorem a světelným zdrojem s vysokovýkonnou LED diodou s vysokou stálostí vyzařovaného spektra.

Zdroj 5 světelného svazku může být zaměněn na zdroj H strukturovaného světla, který se používá k projekci optického vzoru, nej častěji mřížky na celou plochu polohovatelného stolku 4. Zdrojem Π. světelného svazku může být podobně LED osvětlovač s integrovanou projekční mřížkou. Pokud je modelovaný objekt 2 větší a zahrnuje v rámci měřítka rozsáhlejší plochy, lze pomocí projekční mřížky tyto plochy rozčlenit. Rozčlenění velkých ploch omezuje chyby v rekonstrukci objektu 2.

Obr. 4 a obr. 5 ilustrují zařízení I s odlišnými provedeními zdrojů 5 světelných svazků, avšak je možné opatřit zařízení i i několika typově stejnými zdroji 5 světelného svazku současně, viz obr. 6.

-4CZ 27048 Ul

Stejnobarevné zdroje 5 světelného svazku pro nasvícení pracovní oblasti na ploše polohovatelného stolku 4 lze nastavit každý v odlišné poloze, přičemž při sběru dat pro výpočet metodou fotometrického sterea jsou během jedné otočky rotační hlavy 6 získány hned tři odlišné soubory dat pro jeden konkrétní model objektu 2. Pokud jsou zdroje 5 světelných svazků různobarevné, lze díky výslednému namíchání barev na povrchu objektu 2 a zaznamenaným datům těchto unikátních barevných kombinací vymodelovat podrobnou texturu objektu 2.

Integrální zařízení 1 pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů je vyrobeno z ocele, plastů a lehkých kovů. Zahrnuje polohovací osy x, y, z, s velkou přesností pohybu a elektroinstalaci. Zařízení i je ovládáno elektronicky, přičemž je v průběhu sběru dat pro rekonstrukci světelně izolováno v temné komoře, či skříni, aby nedocházelo ke zkreslení výsledného modelu.

Průmyslová využitelnost

Integrální zařízení pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů pomocí metody fotometrického sterea podle technického řešení bude uplatněno v oblastech trojrozměrné digitalizace, tvorby 3D modelů reálných objektů, reverzního inženýrství a v oblasti digitální archivace.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Integrální zařízení (1) pro tvorbu digitalizovaných 3D modelů objektů (2) pomocí metody fotometrického sterea zahrnující alespoň jedno optické zařízení (3) pro záznam obrazu uspořádané nad polohovatelným stolkem (4), polohovatelný stolek (4) pro uložení objektu (2) a alespoň jeden zdroj (5) světelného svazku rotující kolem osy (o) rotace pro nasvícení polohovatelného stolku (4), vyznačující se tím, že vzdálenost (1) zdroje (5) světelného svazku od osy (o) rotace je nastavitelná, že výška (h) zdroje světelného svazku (5) od polohovatelného stolku (4) je nastavitelná, a že světelný svazek ze zdroje (5) je vyzařován na polohovací stolek (4) pod nastavitelným elevačním úhlem (a).
2. 2. Integrální zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že optické zařízení (3) a objekt (2) leží na ose (o) rotace a současně je na ose (o) rotace mezi nimi uspořádána rotační hlava (6) opatřená alespoň jedním zdrojem (5) světelného svazku, přičemž je rotační hlava (6) upravena pro přímou viditelnost mezi objektem (2) a optickým zařízením (3).
3. 3. Integrální zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že rotační hlava (6) má v podstatě tvar prstence, a současně je k rotační hlavě (6) uspořádáno vodorovné nosné rameno (7), ke kterému je kolmo uspořádáno svislé nosné rameno (8), a na svislém nosném rameni (8) je uspořádán zdroj (5) světelného svazku, přičemž svislé nosné rameno (8) je posuvné po vodorovném nosném rameni (7) a zdroj (5) světelného svazkuje posuvný po svislém nosném rameni (8).
4. 4. Integrální zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že rotační hlava (6) je vybavena alespoň jedním zdrojem difůzního bílého světla pro nasvícení objektu (2).
5. 5. Integrální zařízení podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že zdroj (5) světelného svazku sestává z osvětlovače (9) a z naklápěcího zrcátka (10) pro odraz světelného svazku na polohovatelný stolek (4).
6. 6. Integrální zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že osvětlovač (9) je na rotační hlavě (6) orientován svisle dolů, přičemž naklápěcí optické zrcátko (10) je uspořádáno odraznou stranou proti osvětlovači (9) s možností vertikálního posunu ve výšce (h) mezi polohovatelným stolkem (4) a osvětlovačem (9).
7. 7. Integrální zařízení podle některého z nároků laž6, vyznačující se tím, že je opatřeno třemi zdroji (5) světelného svazku, kde je každý zdroj (5) světelného svazku nastavi-5CZ 27048 Ul telný vůči polohovatelnému stolku (4) nezávisle na nastavení ostatních zdrojů (5) světelných svazků vůči polohovacímu stolku (4), nebo mají zdroje (5) světelných svazků nastaveny stejné parametry vzdálenosti (1), výšky (h) a velikosti elevačního úhlu (a) a jsou okolo osy (o) rotace uspořádány v pravidelných úhlových rozestupech.
8. 8. Integrální zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že každý zdroj (5) světelného svazku emituje světelný svazek odlišné barvy.
9. 9. Integrální zařízení podle některého z nároků laž8, vyznačující se tím, že je opatřeno nejméně dvěma zdroji (5) světelného svazku, přičemž jeden zdroj (5) světelného svazku je zaměněn za na zdroj (11) strukturovaného světla pro jeho promítnutí na objekt (2) umístěný na polohovatelném stolku (4).
10. 10. Integrální zařízení podle některého z nároků laž9, vyznačující se tím, že polohovatelný stolek (4) je automatizovaně polohovatelný v osách (x, y).