Wykorzystanie kamery 3d MVC-F5 i MVC-F5 SR w badaniu konstrukcji pojazdów kołowych

Transkrypt

1 WRONA Maciej 1 SZYMAŃSKI Piotr 1 Wykorzystanie kamery 3d MVC-F5 i MVC-F5 SR w badaniu konstrukcji pojazdów kołowych WSTĘP Nie od dziś wiadomo, iż jednym z kluczowych bodźców stymulujących rozwój w dziedzinie nowych technologii jest działalność związana z technologiami obronnymi. Historia techniki pokazuje liczne przykłady wynalazków rewolucjonizujących gospodarkę i przemysł dzięki wyjściu nowych rozwiązań technicznych ze sfery wojskowej. Ten proces funkcjonuje do dzisiaj w mniejszym lub większym stopniu zdominowany przez cel jakim w większości jest sukces komercyjny. Przykładem takiego procesu jest technologia opracowana na zlecenie Armii Izraelskiej w 2007 roku. Celem dedykowanego projektu było pracowanie precyzyjnego i szybkiego narzędzia do mapowania obiektów 3d. Podstawowym kryterium jakie miało spełniać nowo opracowane narzędzie była możliwość pracy w świetle dziennym i w całkowitej ciemności bez emitowania światła widzialnego (co z punktu widzenia wojskowości nie jest bez znaczenia). Dla celów realizacji projektu powołana została spółka celowa skupiające inżynierów z dziedziny optoelektroniki i informatyki. Efektem prac było dostarczenie na do Armii Izraelskiej pierwszej partii urządzeń w 2010 roku. Dwa lata później technologia została otwarta dla użytkowników cywilnych. W czerwcu 2013 roku na zaproszenie Centrum Transferu Technologii Wojskowej Akademii Technicznej odbył się pierwszy w Polsce pokaz tego dwóch kamer 3d będących cywilnym odpowiednikiem opracowanych rozwiązań. Na podstawie współpracy z producentem, na początku 2014 roku przeprowadzono na WAT pierwsze testy kamery MVC-F5 i MVC-F5 SR[6,7]. Jedną z grup badanych zastosowań jest mapowanie 3d elementów mechanicznych na potrzeby diagnostyki i szybkiego prototypowania. 1 METODA POMIAROWA Testowane kamery serii F5 działają w oparciu o technikę światła strukturalnego [1,2]. Podstawą techniki jest projekcja znanej struktury światła i użycie sensorów do zebrania obrazu obiektu z liniami struktury projektowanej na niego. Technika pomiaru wykorzystuje efekt zniekształcenia rzutowanej struktury geometrycznego kodu na powierzchnię mapowanego obiektu [2,4]. W zależności od rozdzielczości projektora i matrycy CCD uzyskuje się rożne parametry zobrazowania 3d[1]. Dotychczas podstawowymi ograniczeniami tej techniki był brak możliwości pracy w świetle dziennym (ze względu na fakt wykorzystania projektora światła białego), krótki zasięg pracy ( nie przekraczający 1m) oraz niska mobilność (skanery stacjonarne lub obiektywy bezpośrednio podłączone do PC. Dzięki zastosowaniu nowych rozwiązań min. wykorzystania projektora w zakresie widmowym NIR (blika podczerwień NearInfrared) oraz większej bazy triangulacyjnej (> 30cm) większość z tych ograniczeń udało zminimalizować[3]. W chwili obecnej skaner MVC-F5 jest jedynym na rynku ręcznym skanerem 3d działającym w technologii światła strukturalnego o: zasięgu pracy (0,5-4,5 m) polu widzenia (38 x44 ) szybkości rejestracji danych (0,5mln pkt./s) wysokiej mobilności (bez PC, zakres pracy od -10 C do 50 C) niskiej masie (1,7 kg) 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, mwrona@wat.edu.pl; pszymanski@wat.edu.pl 11401

2 Skaner składa się z dwóch elementów: jednostki obrazującej oraz kontrolera. Jednostka obrazująca składa się z kamery video o rozdzielczości 1.3 Megapixela oraz projektora kodu w zakresie bliskiej podczerwieni (808nm). Kontroler składa się z komputera polowego z procesorem 1.33 GHz, pamięcią wewnętrzną DDR2 1GB i dotykowym ekranem o przekątnej 4,8 cala. Na rysunku 1 przedstawiono podstawowe elementy skanera. Rys. 1. Zestaw kamery MVC-F5 Podstawowym parametrem dającym możliwość wykorzystania tego narzędzia w precyzyjnym modelowaniu jest dokładność. W zależności od typu kamery (MVP-F5 lub MVP-F5 SR) dokładność pojedynczej sceny nie przekracza 0,2mm dla pomiaru z odległości 1m [9]. 2 INWENTARYZACJA GEOMETRYCZNA Podstawową zaletą opisywanego narzędzia jest możliwość szybkiej i precyzyjnej inwentaryzacji geometrycznej obiektów 3d. W odróżnieniu od fotografii dwuwymiarowych, zobrazowanie uzyskiwane w technologii światła strukturalnego charakteryzują się znacznie większym zasobem informacji. Pomijając fakt możliwości uzyskania modelu trójwymiarowego badanego obiektu, bardzo istotna jest metryczność chmury punktów będącej wynikiem procesu pomiarowego. Pozwala to szybkie przeprowadzanie analiz przestrzennych bezpośrednio po pomiarze co, znacznie skraca czas procesu pomiarowego w stosunku do konkurencyjnych metod i narzędzi dostępnych na rynku. Opisane powyżej możliwości kamery MVC-F5 wykorzystywane są w zastosowaniach militarnychprzez jednostki wsparcia logistycznego zajmujące się obsługą i utrzymaniem parku maszynowego(m.in. Armia Stanów Zjednoczonych, Armia Izraelska). Technologia 3d w oparciu o mobilne kamery 3d MVC używane są w kilku aspektach: 1. Interaktywne materiały szkoleniowe, instrukcje obsługi i eksploatacjiw postaci przestrzennych animacji 3d 2. Szybka dokumentacja zniszczeń i uszkodzeń bezpośrednio w terenie 3. Analizy i symulacje na podstawie zebranych danych przestrzennych 4. Szybkie prototypowanie mechanicznych elementów 3d Rysunek 2 przedstawia wynik trójwymiarowej inwentaryzacji silnika i układu napędowego półciężarówki (ShevroletSilverado). W tym przypadku czas pomiaru nie przekroczył 1 minuty a 11402

3 dokładność pozyskanego modelu nie przekroczyła poziomu 1mm. Taka precyzja mapowania pozwoliła na szybkie zamodelowanie i wytworzenie uszkodzonych bądź brakujących elementów. Rys. 2 Układ napędowy auta dostawczego. Fotografia na górze przedstawia zobrazowanie 2d, poniżej zrzut przedstawiający model 3d. Rysunek 3 przedstawia proces pomiaru i modelowania konstrukcji czołgów Merkawa. W tym przypadku modelowanie elementów konstrukcji niezbędne było dla przeprowadzenia prac naprawczych i konserwacyjnych. Podstawą procesu było pozyskanie precyzyjnego modelu 3d z wykorzystaniem kamery MVC-F5. Na tej podstawie zamodelowano wybrane elementy konstrukcji i przetworzono do postaci umożliwiającej wydruk 3d. Specyfika pracy skanera zapewnia submilimetrowe dokładności ale wyłącznie dla długości celowych do 100cm. Globalna dokładność odwzorowania modelu złożonego z szeregu poszczególnych ramek pomiarowych zależy w dużym stopniu od geometrii mapowanego obiektu. Dla zaimplementowanego algorytmu łączącego poszczególne ramki w model 3d najmniej problematyczne są skany obiektów o zróżnicowanej geometrii. Wynika to z faktu, iż proces łączenia i wpasowywania poszczególnych ramek jest prowadzony w oparciu o algorytm porównujący rozkład przestrzenny kolejnych ramek i ich wzajemne zależności. Rozwiązanie to zdaje się sprawdzać bardzo dobrze dla elementów o zróżnicowanej geometrii ale znacząco utrudnia mapowanie obiektów płaskich i gładkich. Mapowanie powierzchni lustrzanych oraz intensywnie odbijających światło jest w wielu przypadkach nie możliwe

4 Rys. 3 A Fotografia czołgu Merkawa B Wynik skanowania w postaci chmury punktów z naniesionymi elementami odwzorowywanych elementów konstrukcji; C Wynik modelowania CAD; D Gotowy do przetwarzania model 3d. 3 SZYBKIE PROTOTYPOWANIE Od połowy 2014 roku w Wojskowej Akademii Technicznejtrwają prace nad opracowaniem metody wdrożenia mobilnych kamer 3d w procesie szybkiego prototypowania. Jednym z testów był pomiar konstrukcji samobieżnego robota transportowego oraz porównanie z wartościami rzeczywistymi. Dla grupy wybranych elementów stwierdzono odchylenia nie większe niż 2mm. Czas pomiaru nie przekroczył 4 minut a liczba pomierzonych punktów wyniosła ponad 10mln. Etapem krytycznym ze względu na czas pomiaru geometrii konstrukcji jest przetwarzanie danych i budowa modelu. W tym przypadku czas przetwarzania danych wyniósł nie całe 15 minut. Rysunek 4 przedstawia robota transportowego oraz wynik pomiaru w postaci chmury punktów w barwachmonochromatycznych. Rysunek 4 Fotografia oraz widok chmury punktów robota transportowego 11404

5 Kolejnym testem przeprowadzonym na WAT był pomiar geometrii auta dostawczego Transit. Rysunek 5 przedstawia proces pomiarowy oraz wyniki skanowania bloku silnika samochodu. Proces pomiarowy trwał około 2 minut, a czas przetwarzania danych nie przekroczył 5minut. Największą zaletą takiej formy inwentaryzacji jest możliwość precyzyjnego wymiarowania wybranych elementówbloku silnika. Porównując wyniki pomiarów z wartościami teoretycznymi potwierdzono zgodność na poziomie nie przekraczającym 2mm. Rys. 5 Wyniki skanowania bloku silnika Ford atransit a Bezpośrednio po pomiarze możliwe było wykonanie podstawowych analiz przestrzennych na chmurze punktów w otwartym formacie.ply (Python Lex-Yacc). WNIOSKI Przeprowadzone dotychczas testy kamer3d MVP-F5 i MVP-F5 SR pomiarowe pozwalają potwierdzić dokładności zakładane przez producenta. Niewątpliwą zaletą opisywanych narzędzi jest szybkość pomiaru oraz niespotykana dotąd na rynku odporność na zmienne warunki oświetleniowe. Podstawowym mankamentem pomiar z wykorzystaniem tego narzędzia jest konieczność wykorzystywania komputerów o dużej mocy obliczeniowej z wielordzeniowymi procesorami

6 Zdecydowaną poprawę szybkości przetwarzania danych uzyskuje się na procesorach 7-mio rdzeniowych. Istotnym ograniczeniem wynikającym ze specyfiki techniki światła strukturalnego jest niemal całkowity brak możliwości mapowania obiektów o wysokiej refleksyjności jak lustra czy szkło. Streszczenie Niniejszy artykuł prezentuje wyniki pierwszych w Polsce testów kamer 3d MVC-F5 i MVC-F5 SR. Narzędzia te posiadające unikatową funkcjonalność powstały w oparciu o wyniki projektu prowadzonego przez armię Izraelską w latach Od momentu udostępnienia technologii użytkownikom cywilnym WAT prowadzi współpracę z producentem w zakresie jej wdrażania i rozwijania. Przykładem takich prac są przykładowe wyniki wstępnych prób pomiarowych. Oprócz wyników udostępnionych przez producenta przedstawiono tu również wyniki skanowania dwóch pojazdów na Wydziale Mechanicznym WAT. Pierwszym z nich był samochód dostawczy Transit. Drugim pojazdem był samobieżny robot transportowy. W oparciu o dostępne kamery 3d przeprowadzono pomiar i analizę wyników bazując na opisanych obiektach referencyjnych Przykładowe rezultaty wraz z charakterystyką przebiegu prac pomiarowych przedstawiono w niniejszym artykule. Usung MVC-F5and MVC-F5 SR 3d camera for road machines construction reaserch Abstract This article presents the results of the first tests in Poland of new handheld structured light scanne. These tools having unique functionality are based on the results of a project conducted by the Israeli army in Since the technology to civil users MUT cooperates with the manufacturer in terms of its implementation and development. Examples of such works are examples of the results of preliminary tests of measurement. In addition to the results provided by the manufacturer presents the results of the scan are also two vehicles at the Faculty of Mechanical Engineering WAT. The first was a Transit van. The second vehicle was a self-propelled robot transport. Based on the available 3D cameras were conducted to measure and analyze the results based on the described objects of reference Sample results together with the characteristics of measuring the progress of work presented in this article. PODZIĘKOWANIA Niniejsza publikacja powstałą w oparciu o środki z projektu z NCBiR nr: DOBR BIO4/005/13287/2013,pt:." Narzędzie wspomagające prowadzenie postępowania przygotowawczego i wykonywanie czynności w procesie wykrywczym poprzez odtwarzanie wyglądu miejsc zdarzenia i okoliczności zdarzenia BIBLIOGRAFIA 1. E.HornandN.Kiryati.Towardoptimalstructuredlightpatterns.ImageandVisionComputing,17, Elena Stoykova, Jana Harizanova, VenteslavSainov: Pattern Projection Profilometry for 3D Coordinates Measurement of Dynamic Scenes. In: Three Dimensional Television, Springer, 2008, ISBN Kai Liu, Yongchang Wang, Daniel L. Lau, Qi Hao, Laurence G. Hassebrook: Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement. Optics Express, 18: , K.HattoriandY.Sato.Accuraterangenderwithlaserpatternshifting.InInt.Conf.onPatternRecognition, pages849ñ853, O.Hall-HoltandS.Rusinkiewicz.Stripeboundarycodesforreal-timestructured lightranges canning of moving objects.inint.conf. on ComputerVision, pages , Wrona M., Using optical NIR handheld scanner for close range 3d mapping Proceddia Engineering, Vilnus,

7 7. Wrona M., Concept and results of testing accuracy of f5-mvp handheld scanner for 3d closerange mapping, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM Proceedings Wrona M., Close range surveying with nir handheld scanner, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM Proceedings