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Mar 19, 2024

Mesure précise pour capteur de vision lumineuse à structure linéaire avec une large portée

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 7234 (2023) Citer cet article 502 Accès aux détails des métriques La haute précision et la large plage de mesure sont la cible de tout scanner tridimensionnel.

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7234 (2023) Citer cet article

502 Accès

Détails des métriques

La haute précision et la large plage de mesure sont la cible de tout scanner tridimensionnel. Pour un capteur de vision lumineuse à structure linéaire, la précision des mesures dépend de ses résultats d'étalonnage, c'est-à-dire de la détermination de l'expression mathématique du plan lumineux dans le système de coordonnées de la caméra. Cependant, comme les résultats d’étalonnage constituent des solutions localement optimales, une mesure très précise dans une large plage est difficile. Dans cet article, nous donnons une méthode de mesure précise et la procédure d’étalonnage correspondante pour un capteur de vision lumineuse à structure linéaire avec une large plage de mesure. Des platines de translation linéaires motorisées avec une plage de déplacement de 150 mm et une cible plane qui est une plaque de surface avec une précision d'usinage de 0,05 mm sont utilisées. À l'aide de l'étage de translation linéaire et de la cible planaire, des fonctions qui donnent la relation entre le point central de la bande laser et la distance perpendiculaire/horizontale sont obtenues. Une fois l’image de la bande lumineuse capturée, nous pouvons obtenir un résultat de mesure précis à partir des points caractéristiques normalisés. Par rapport à une méthode de mesure traditionnelle, la compensation de distorsion n'est pas nécessaire et la précision de la mesure est considérablement améliorée. Les expériences montrent que l'erreur quadratique moyenne des résultats de mesure selon notre méthode proposée est réduite de 64,67 % par rapport à la méthode traditionnelle.

Un capteur de vision lumineuse à structure linéaire tridimensionnelle (LSLVS) se compose normalement d'un capteur d'image et d'un projecteur laser linéaire. Il est largement utilisé dans le domaine de la mesure industrielle en raison de sa large plage de mesure, de sa haute précision, de sa facilité d’extraction d’informations, etc. Ces LSLVS peuvent être classés en deux catégories selon leur construction.

Dans la première catégorie, le capteur d'image est un appareil photo normal avec un objectif normal1,2, c'est-à-dire que le plan de l'image est parallèle au plan de l'objectif. La relation entre le capteur d'image et le projecteur laser est immuable et triangulée au cours du processus de mesure. Les points spatiaux peuvent être confirmés une fois la relation déterminée, ce qui est connu sous le nom d'étalonnage du LSLVS.

Jusqu'à présent, il existe de nombreuses méthodes d'étalonnage pour le LSLVS. Ces méthodes peuvent être classées en trois catégories selon les manières d'obtenir des points caractéristiques sur le plan laser : méthode basée sur une cible 3D, méthode basée sur une cible planaire et méthode basée sur une cible 1D3.

Dans la méthode basée sur des cibles 3D, les caractéristiques géométriques ont été largement utilisées ces dernières années. Xiao et al.4 ont utilisé une fonctionnalité supplémentaire pour contrôler la cible 3D, c'est-à-dire un cube métallique très précis, pour se déplacer en translation pure avec précision dans le but d'obtenir un point de fuite du plan lumineux structuré, puis l'angle de projection de la lumière. Le projecteur plan a été résolu à partir du point de fuite, ainsi que de la ligne de base, l'interception du plan de lumière structuré sur l'axe x du système de coordonnées de l'image. Yang et al.5 ont obtenu deux lignes parallèles sur le plan de lumière structuré en utilisant une cible 3D avec deux plans parallèles précisément visibles. Lorsque plusieurs points de fuite ont été obtenus, le vecteur normal du plan de lumière structuré a pu être déduit. Comme la ligne de base a été résolue sur la base de l’invariance du rapport croisé, l’étalonnage du plan de lumière structuré a été réalisé. Malheureusement, la méthode basée sur les cibles 3D6,7,8 n'est pas assez précise en raison du problème d'occlusion mutuelle entre les différents plans de la cible et du nombre réduit de points caractéristiques. De plus, la cible 3D, normalement un cube avec des accessoires spéciaux, est difficile à réaliser avec précision et encombrante pour un étalonnage sur site.

La méthode basée sur une cible planaire est plus disponible pour calibrer le LSLVS. Wei et al.9,10 ont utilisé une cible planaire avec un motif en damier pour terminer l'étalonnage. Sur la base de l'invariance du double rapport croisé, les points d'intersection de la bande lumineuse et des damiers peuvent être obtenus sous le système de coordonnées de l'image en tant que taille exactement connue de chaque damier. Ensuite, suffisamment de points caractéristiques sur le plan lumineux peuvent être obtenus. Selon l'algorithme d'ajustement associé, l'expression du plan de lumière sous le système de coordonnées de la caméra peut être calculée. Liu et al.11 ont proposé une nouvelle méthode selon la matrice de Plücker pour représenter la bande lumineuse sur une cible planaire. Lorsque la cible est située dans plusieurs positions différentes, des matrices Plücker de bandes lumineuses peuvent être obtenues. Ensuite, l'expression du plan de lumière peut être résolue en combinant les matrices de Plücker obtenues. Wei et al.12 calibrent un LSLVS basé sur une fonctionnalité de disparition. Les points de fuite du plan lumineux pourraient être obtenus à partir du point d'intersection de la bande lumineuse et de la ligne de fuite du plan cible. Une fois la cible planaire déplacée vers suffisamment de positions différentes, le vecteur normal du plan lumineux peut être calculé ainsi que la ligne de fuite. La taille de la cible planaire étant connue avec précision, le paramètre D pourrait en être déduit. Ensuite, la fonction du plan lumineux sous le système de coordonnées de la caméra a été déterminée.