REKONSTRUKCJA GEOMETRII ŻUCHWY I KORONY ZĘBA PRZY UŻYCIU OPTYCZNYCH SYSTEMÓW POMIAROWYCH



Podobne dokumenty
Projekt rejestratora obiektów trójwymiarowych na bazie frezarki CNC. The project of the scanner for three-dimensional objects based on the CNC

Zastosowanie deflektometrii do pomiarów kształtu 3D. Katarzyna Goplańska

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

Problematyka budowy skanera 3D doświadczenia własne

Inżynieria odwrotna w modelowaniu inżynierskim przykłady zastosowań

INŻYNIERIA ODWROTNA - praktyczne zastosowania. dr inż. Ireneusz Wróbel Katedra Podstaw Budowy Maszyn, ATH w Bielsku-Białej

ZASTOSOWANIE METOD RAPID PROTOTYPING W PROCESIE KSZTAŁTOWANIA SKOMPLIKOWANYCH STRUKTUR KOSTNYCH

MICRON3D skaner do zastosowań specjalnych. MICRON3D scanner for special applications

K-Series Optyczna WMP. Mobilne oraz innowacyjne rozwiązania metrologiczne.

Spektrometry Ramana JASCO serii NRS-5000/7000

Skanery 3D firmy Z Corporation Z Corporation

THE ANALYSIS OF THE MANUFACTURING OF GEARS WITH SMALL MODULES BY FDM TECHNOLOGY

DIGITALIZACJA GEOMETRII WKŁADEK OSTRZOWYCH NA POTRZEBY SYMULACJI MES PROCESU OBRÓBKI SKRAWANIEM

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

OCENA ODWZOROWANIA KSZTAŁTU ZA POMOCĄ WSPÓŁRZĘDNOŚCIOWEGO RAMIENIA POMIAROWEGO WYPOSAŻONEGO W GŁOWICĘ OPTYCZNĄ

Automatyczne tworzenie trójwymiarowego planu pomieszczenia z zastosowaniem metod stereowizyjnych

Zbigniew Figiel, Piotr Dzikowicz. Skanowanie 3D przy projektowaniu i realizacji inwestycji w Koksownictwie KOKSOPROJEKT

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

Artykuł autorski z XII Forum Inżynierskie ProCAx cz. II, Kraków października 2013r.

Badania elementów i zespołów maszyn laboratorium (MMM4035L)

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

ANALIZA DOKŁADNOŚCI MODELU KOŚCI JARZMOWEJ, WYKONANEGO NA 5-OSIOWYM CENTRUM OBRÓBKOWYM

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

METODY TRIANGULACJI LASEROWEJ W SKANERACH TRÓJWYMIAROWYCH

Temat: Zaprojektowanie procesu kontroli jakości wymiarów geometrycznych na przykładzie obudowy.

Oświetlenie. Modelowanie oświetlenia sceny 3D. Algorytmy cieniowania.

Nowa metoda pomiarów parametrów konstrukcyjnych hełmów ochronnych z wykorzystaniem skanera 3D

WideoSondy - Pomiary. Trzy Metody Pomiarowe w jednym urządzeniu XL G3 lub XL Go. Metoda Porównawcza. Metoda projekcji Cienia (ShadowProbe)

Utworzenie dokumentacji bryłowej na podstawie skanów 3D wykonanych skanerem scan3d SMARTTECH

Planowanie, realizacja i dokumentacja wzorcowego procesu digitalizacji 3D

Temat: Skanowanie 3D obrazu w celu pomiaru odkształceń deski podobrazia

Przykłady realizacji dokumentacji przestrzennej obiektów zabytkowych

Wyznaczenie długości fali świetlnej metodą pierścieni Newtona

WYKORZYSTANIE TECHNOLOGII RAPID PROTOTYPING W ODLEWNICTWIE PRECYZYJNYM

SPOSOBY POMIARU KĄTÓW W PROGRAMIE AutoCAD

OPRACOWANIE MODELU UKŁADU WYMIANY ŁADUNKU SILNIKA SUBARU EJ25 Z ZASTOSOWANIEM METODY INŻYNIERII ODWROTNEJ (REVERSE ENGINEERING)

Zastosowanie stereowizji do śledzenia trajektorii obiektów w przestrzeni 3D

WYTWARZANIE MECHANIZMÓW METODĄ FDM

INŻYNIERIA ODWROTNA Z WYKORZYSTANIEM ZAAWANSOWANYCH TECHNIK WYTWARZANIA REVERSE ENGINEERING WITH ADVANCED MANUFACTURING TECHNIQUES

Metodyka projektowania cyfrowych modeli produktów z wykorzystaniem wybranych technik inżynierii odwrotnej

Skanowanie 3D potwierdza precyzję elementów drukowanych na drukarkach 3D

WYKORZYSTANIE ALGORYTMÓW ROZPOZNAWANIA OBRAZU W BADANIACH NAUKOWYCH NA PRZYKŁADZIE PROGRAMU ZIEMNIAK-99

Karolina Żurek. 17 czerwiec 2010r.

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Analiza dokładności technologii pomiarowej dla skanerów światła spójnego i strukturyzowanego

Rodzina czujników przemieszczeń w płaszczyźnie z wykorzystaniem interferometrii siatkowej (GI) i plamkowej (DSPI)

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 3. Dwuekspozycyjny hologram Fresnela

Zastosowanie skaner 3D w medycynie -scan3dmed

Projekt: Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym

Zastosowanie optycznej techniki pomiarowej w przemyśle ceramicznym

Ocena dokładności realizacji procesu inżynierii odwrotnej obiektu przestrzennego

Techniki animacji komputerowej

N o w a e r a w s k a n o w a n i u 3 D

Urządzenia techniki komputerowej Identyfikacja i charakteryzowanie urządzeń zewnętrznych komputera. Budowa i zasada działania skanera

BEZKONTAKTOWA METODA POMIARU KĄTA ELEMENTU ZGINANEGO NA PRASIE KRAWĘDZIOWEJ

Przemysław Kowalski Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej PAN

Metody optyczne z wykorzystaniem światła koherentnego do monitorowania i wysokoczułych pomiarów inżynierskich obiektów statycznych i dynamicznych

System automatycznego odwzorowania kształtu obiektów przestrzennych 3DMADMAC

Analiza dokładności odwzorowania geometrii odcinka żuchwy wykonanego technologią FDM

Wstęp do fotografii. piątek, 15 października ggoralski.com

UMO-2011/01/B/ST7/06234

Dr inż. Szymon Sikorski. SMARTTECH Sp. z o.o. ul. Racławicka Łomianki / Warszawa

Nowa generacja. Automatyzacja nie może być już prostsza

PL B1. System kontroli wychyleń od pionu lub poziomu inżynierskich obiektów budowlanych lub konstrukcyjnych

Spektrometr XRF THICK 800A

ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII REP-RAP DO WYTWARZANIA FUNKCJONALNYCH STRUKTUR Z PLA

DOTYCZY: Sygn. akt SZ /12/6/6/2012

WYKORZYSTANIE MES DO WYZNACZANIA WPŁYWU PĘKNIĘCIA W STOPIE ZĘBA KOŁA NA ZMIANĘ SZTYWNOŚCI ZAZĘBIENIA

Efektywne skanowanie 3D w wymagających warunkach

Podstawy inżynierii odwrotnej. Wzornictwo Przemysłowe I stopień Ogólnoakademicki. Studia stacjonarne. inny. obowiązkowy.

Wyznaczanie wartości współczynnika załamania

PL B1. Sposób optycznej detekcji wad powierzchni obiektów cylindrycznych, zwłaszcza wałków łożysk. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL

Wymagane parametry dla platformy do mikroskopii korelacyjnej

Optyka. Wykład XI Krzysztof Golec-Biernat. Równania zwierciadeł i soczewek. Uniwersytet Rzeszowski, 3 stycznia 2018

Budowa i zasada działania skanera

AUTOMATYZACJA PROCESU PROJEKTOWANIA RUR GIĘTYCH W OPARCIU O PARAMETRYCZNY SYSTEM CAD

ZASTOSOWANIE SKANERÓW 3D ORAZ DRUKAREK 3D W PROCESIE MODYFIKACJI WYROBÓW

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY. Optoelektroniczne pomiary aksjograficzne stawu skroniowo-żuchwowego człowieka

OCENA PRZYDATNOŚCI FARBY PRZEWIDZIANEJ DO POMALOWANIA WNĘTRZA KULI ULBRICHTA

Laboratorium Optyki Falowej


OPRACOWANiE KOMPUTEROWEJ GEOMETRii CAD MODELU SAMOLOTU DO BADAŃ FLATTEROWYCH Z ZASTOSOWANiEM TECHNiK REVERSE ENGiNEERiNG

Metrologia wymiarowa dużych odległości oraz dla potrzeb mikro- i nanotechnologii

ScrappiX. Urządzenie do wizyjnej kontroli wymiarów oraz kontroli defektów powierzchni

NOWOCZESNE METODY WYTWARZANIA W RZEŹBIARSTWIE WYKORZYSTUJĄCE PODEJŚCIE INŻYNIERII ODWROTNEJ

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

CYFROWA REKONSTRUKCJA ZŁAMANIA OBSZARU MODELU ŻUCHWY

THICK 800A DO POMIARU GRUBOŚCI POWŁOK. THICK 800A spektrometr XRF do szybkich, nieniszczących pomiarów grubości powłok i ich składu.

Zastosowanie systemów CAD i RP w prototypowaniu przekładni dwudrożnej

(Pieczęć Wykonawcy) Załącznik nr 8 do SIWZ Nr postępowania: ZP/259/050/D/11. Opis oferowanej dostawy OFERUJEMY:

Plan wykładu. Akcelerator 3D Potok graficzny

PLAN STUDIÓW - STUDIA NIESTACJONARNE I STOPNIA kierunek: mechanika i budowa maszyn

KONTROLA JAKOŚCI ODKUWEK I MATRYC / ARCHIWIZACJA I REGENERACJA MATRYC

ZASTOSOWANIE METOD OPTYMALIZACJI W DOBORZE CECH GEOMETRYCZNYCH KARBU ODCIĄŻAJĄCEGO

Profilometr laserowy do odtwarzania geometrii powierzchni

GWIEZDNE INTERFEROMETRY MICHELSONA I ANDERSONA

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

ZAPYTANIE OFERTOWE DOTYCZĄCE PROJEKTU REALIZOWANEGO W RAMACH REGIONALNEGO PROGRAMU OPERACYJNEGO DLA WOJEWÓDZTWA DOLNOŚLĄSKIEGO NA LATA

Transkrypt:

Polska Problemy Nauk Stosowanych, 2014, Tom 2, s. 121 130 Szczecin Prof. PRz dr hab. inż. Grzegorz BUDZIK b, Prof. PRz dr hab. inż. Jan BUREK a, dr inż. Tomasz DZIUBEK b, dr inż. Olimpia MARKOWSKA c, mgr inż. Paweł TUREK a a Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji Rzeszow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Dept. of Manufacturing Techniques and Automation b Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Konstrukcji Maszyn Rzeszow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Dept. of Mechanical Engineering c Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa Rzeszow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Dept. of Casting and Welding REKONSTRUKCJA GEOMETRII ŻUCHWY I KORONY ZĘBA PRZY UŻYCIU OPTYCZNYCH SYSTEMÓW POMIAROWYCH Streszczenie Wstęp i cel: W pracy przedstawiono metody digitalizacji powierzchni biomodeli przy użyciu optycznych systemów pomiarowych. Celem pracy było określenie dokładności odwzorowania geometrii żuchwy i korony zęba. Materiał i metody: Zastosowano trzy systemy optyczne wykorzystujące głębie ostrości, triangulację laserową oraz metodę projekcji prążków. Wyniki: W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono iż najbardziej odpowiednią pod kątem pomiaru tak skomplikowanych powierzchni jakimi są żuchwa i korona zęba jest metoda projekcji prążków Wniosek: Nowoczesne optyczne systemy pomiarowe pozwalają w sposób szybki i dokładny digitalizować powierzchnie swobodne. Stanowią one alternatywę dla stykowych systemów pomiarowych Słowa kluczowe: głębia ostrości, model biomedyczny, optyczne systemy, triangulacja, rekonstrukcja, projekcja prążków (Otrzymano: 10.03.2014; Zrecenzowano: 15.10.2014; Zaakceptowano: 31.11.2014) MANDIBLE AND TOOTH CROWN SURFACE RECONSTRUCTION WITH OPTICAL SYSTEM MEASUREMENTS Abstract Introduction and aim: The thesis presents method of biomodel surface reconstruction with optical system measurements. The aim is to choose the best method for reconstruction mandible and tooth crown geometry. Material and methods: It demonstrates three optical system measurements with used laser triangulation, structure light and focus variation methods. Results: The best method for optical measurements mandible and tooth crown geometry is structure light Conclusion: Optical system measurements enables to digitalization accurately model complex shapes like biomodels. This systems became competitive for tactile system measurements. Keywords: focus variation, biomodel, optical system, triangulation, reconstruction, structure light (Received: 10.13.2014; Revised: 15.10.2014; Accepted: 31.11.2014) G. Budzik, J. Burek, T. Dziubek, O. Markowska, P. Turek 2014 Inżynieria biomedyczna / Biomedical engineering

G. Budzik, J. Burek, T. Dziubek, O. Markowska, P. Turek 1. Wprowadzenie Inżynieria odwrotna (ang. Reverse Engineering, RE) jest to proces, który umożliwia odtworzenie już istniejącego obiektu. Stosowana jest w celu poznania zasad konstrukcyjnych przedmiotu oraz co się z tym wiąże rekonstrukcji jego geometrii, a często również zasady działania. Dzięki wykorzystaniu metod inżynierii odwrotnej, możliwe jest na podstawie istniejącego obiektu, nie posiadającego dokumentacji technologicznej, konstrukcyjnej czy materiałowej, odtworzenie tych informacji. RE nierzadko uzupełnia też tradycyjny proces wytwarzania danego produktu. Dzieje się tak głównie w przypadkach, kiedy nie chodzi o innowacyjność ale o istniejące już i sprawdzone rozwiązania [4]. Zadaniem inżynierii odwrotnej jest przekształcenie istniejącego modelu na jego postać cyfrową, a to z kolei stanowi podstawę do dalszych prac konstruktorów, analiz komputerowych czy porównań tego obiektu z modelem cyfrowym. Model cyfrowy jest też wykorzystywany w szeroko stosowanych technologiach wytwarzania wspomaganego komputerowo. Bardzo często znajduje też zastosowanie w medycynie np.: przy rekonstrukcjach wewnętrznych obiektów anatomicznych czy projektowaniu implantów [2], [3], [6]. Reasumując proces inżynierii odwrotnej (rekonstrukcyjnej) polega na zastosowaniu wszelakiego typu metod pomiarowych (stykowych lub optycznych), których celem jest zdygitalizowanie obiektu fizycznego, następnie jego obróbkę i wytworzenie dostępnymi na rynku metodami wytwarzania (Rys.1). Rys. 1. Etapy inżynierii rekonstrukcyjnej Fig. 1. Stages of the reverse engineering W projektowaniu modeli biomedycznych można wyróżnić dwie odrębne metody ich przygotowania. Pierwszy sposób polega na wykonaniu modeli przy użyciu systemów pomiarowych optycznych lub stykowych (np. skaner laserowy, maszyna współrzędnościowa). Druga metoda polega na przygotowaniu modeli w specjalnych programach rekonstrukcyjnych, które umożliwiają sczytywanie danych DICOM, powstałych podczas procesu pomiarowego przy użyciu min. tomografu komputerowego [7], [8]. Programy te pozwalają na stworzenie trójwymiarowych obiektów ze zbioru obrazów 2D. W obu przypadkach można zapisać gotowy model w formacie STL, który jest rozpoznawalny przez urządzenia Rapid Prototyping. Etapy projektowania modeli biomedycznych przedstawia rysunek 2. 122

Rekonstrukcja geometrii żuchwy i korony zęba przy użyciu optycznych systemów pomiarowych Fizyczny obiekt Model 3D (CAD) Człowiek (pacjent) Digitalizacja (CMM/Skanowanie) Plik STL Obrazowanie medyczne (CT, MRI, USG) Rekonstrukcja modelu 3D Rapid prototyping Translator (np. Amira) Model fizyczny Rys. 2. Etapy projektowania modeli biomedycznych Fig. 2. Stages of design biomodels W przedstawionym artykule zostaną podjęte prace nad scharakteryzowaniem etapu pierwszego, związanego z digitalizacją danych w odniesieniu do optycznych metod pomiarowych. 2. Optyczne metody digitalizacji Powierzchnia złożona składa się z powierzchni swobodnych, które można opisać funkcją matematyczną oraz powierzchni prostych takich jak np.: wycinek płaszczyzny, sfery,walca, stożka. Przykładem takich powierzchni może być kropla wody, powierzchnia falującego jeziora czy chociażby powierzchnia twarzy lub żuchwy człowieka. Proces akwizycji danych polega na zastosowaniu odpowiednich urządzeń, które pozwalają uzyskać informacje o geometrii danego modelu fizycznego. Dane te mają zazwyczaj postać współrzędnych (x, y, z) reprezentujących położenie punktów znajdujących się na powierzchni obiektu. Są one odniesione do lokalnego układu współrzędnych. W przypadku obrazowania medycznego danymi wyjściowymi mogą być również obrazy 2D. Ze względu na stan przedmiotu po procesie digitalizacji oraz na rodzaj oddziaływania urządzenia pomiarowego z danym obiektem stosowane są też inne podziały metod pomiarowych, które zostały przedstawione na rysunku 3. Optyczne metody pomiaru kształtu stanowią narzędzie opisu powierzchni obiektów trójwymiarowych, zapewniające wysoką rozdzielczość oraz zmienną czułość i zakres pomiarowy. Różne techniki mogą zostać użyte do pomiaru odległości oraz trójwymiarowej mikroi makrostruktury badanego obiektu. 123

G. Budzik, J. Burek, T. Dziubek, O. Markowska, P. Turek Rys. 3. Metody digitalizacji geometrii Fig. 3. Methods of surface digitalization 2.1. Głębia ostrości Focus variation to innowacyjna i niezależna technika przyjęta do bieżącego projektu nowej normy ISO 25178 w celu standaryzacji optycznych urządzeń pomiarowych. Ta nowa norma po raz pierwszy obejmuje obok dotykowych również optyczne metody postępowania jak również definicję parametrów w celu obszernej charakterystyki powierzchni. 124

Rekonstrukcja geometrii żuchwy i korony zęba przy użyciu optycznych systemów pomiarowych Niska głębia ostrości optyki jest stosowana do ekstrahowania informacji o głębokości powierzchni. W tym celu dokonywany jest pomiar zmiany ostrości, zależnej od topografii powierzchni. Podstawowymi elementami wchodzącymi w skład całego urządzenia są (Rys. 4): system optyczny do wykrywania zmiany głębokości i kontroli ostrości, źródła oświetlenia, sensor CCD, system napędów. Analizowany element jest oświetlany modulowanym światłem białym. Oświetlenie współosiowe jest osiągane poprzez skierowanie światła do optyki i zogniskowanie go poprzez obiektyw na próbce za pomocą półprzezroczystego zwierciadła. Światło jest odbijane przez próbkę, a obraz jest rzutowany za pomocą precyzyjnej optyki na cyfrowy czujnik. W zależności od wybranego obiektywu istnieje możliwość realizacji różnych rozdzielczości lateralnie lub pionowo. Forma otrzymanego obrazu jest zbliżona do konwencjonalnej mikroskopii świetlnej, ponieważ wykazuje jedynie niewielką głębię ostrości. Rys. 4. Schemat typowego układu wykorzystującego głębie ostrości wraz ze stanowiskiem pomiarowym: 1 - sensor CCD, 2 - soczewki, 3 - źródło światła białego, 4 - półprzeźroczyste zwierciadło, 5 - obiektyw, 6 - próbka, 7 - skan pionowy realizowany przez system napędów, 8 - krzywa ogniskowania, 9 - wiązka światła, 10 - kontroler, 11 - polaryzator, 12 - oświetlenie pierścieniowe Fig. 4. Schematic diagram of a typical measurement device based on focus variation: 1 - Sensor CCD, 2 - lenses, 3 - white light source, 4 - beam splitter, 5 - objective, 6 - specimen, 7 - vertical scan, 8 - focus curve, 9 - light beam, 10 - analyzer, 11 - polarizer, 12 - ring light Następnie następuje zmiana odległości między próbką a obiektywem przy stałym rejestrowaniu obrazów. Dla każdej pozycji głębokości są odzwierciedlane ostro lub nieostro w zależności od struktury 3D różne obszary próbki. Zasadnicze znaczenie ma tutaj poprawne ustawienie modulowanego oświetlenia i pionowego przesuwu, realizowane za pomocą rozwiniętej technologii SmartFlash Alicona. Ostatecznie, dla każdej pozycji obiektu jest wyliczana odzwierciedlona ostrość. Następnie, w celu wyliczenia głębokości jest stosowana wariacja wartości ostrości. W ten sposób jest uzyskiwany szczegółowy widok 3D powierzchni. Zakres skanowania w kierunku pionowym wynosi od 3,2 mm do 22 mm natomiast rozdzielczość pionowa zależy od wybranego obiektywu i może osiągnąć wartość nawet 10 nm. 125

G. Budzik, J. Burek, T. Dziubek, O. Markowska, P. Turek Obszar pomiaru w płaszczyźnie x-y dla pojedynczego skanu zależy również od wybranego obiektywu i wynosi od 0,14mm 0,1mm do 5mm 4 mm (w przypadku specjalnych algorytmów można ten obszar rozszerzyć do 100mm 100mm) [5]. 2.2. Skanowanie laserowe Triangulacja laserowa jest jedną z najlepiej znanych technik pomiaru obiektów 3D. Aby zmierzyć odległość od obiektu tą metodą, potrzebne jest kierunkowe źródło światła i kamera video. W układach triangulacji laserowej badana powierzchnia skanowana jest wiązką lasera, podczas gdy położenie (x,y) obrazu plamki lasera rejestrowane jest przez kamerę CCD. Wiązka światła laserowego jest odchylana przez lustro w stronę skanowanego modelu. Następnie jest ona rozpraszana na powierzchni obiektu i rejestrowana przez znacznie oddaloną kamerę. Obiektyw i detektor CCD są płaskie, z czego wynika, że pozycja piksela rozproszonego światła zależy od kąta β. Znając ogniskową f obiektywu można określić kąt β, pod którym pada rozproszone światło. Jeśli znany jest dodatkowo kąt δ to można obliczyć współrzędne punktu w przestrzeni. Metoda ta znajduje zastosowanie przy pomiarach o małym zasięgu, ponieważ dokładność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości lasera od przedmiotu [1]. Metoda optyczna liniowa jest rozszerzeniem triangulacji laserowej punktowej. Cechą charakterystyczną tej metody jest jednorazowe wykonywanie serii pomiarów liniowych na powierzchni skanowanego modelu (Rys. 5). Dzięki temu można jednocześnie zmierzyć całą linię na powierzchni obiektu. Stosuje się tutaj detektor w postaci matrycy CCD oraz laser, który zamiast punktów generuje linię na powierzchni obiektu. Skanery laserowe pracujące tą metodą, wykorzystuje się do pomiaru obiektów o kubaturze do 17 m 3. Oferują one szczegółowość do 0,2 mm z prędkością do 81.920 punktów na sekundę i dokładnością między 0,16 mm a 0,37 mm w zależności od odległości skanowanego elementu od urządzenia. Rys. 5. Zasada pomiaru przy użyciu skanera laserowego wraz ze stanowiskiem pomiarowym Fig. 5. Schematic diagram of a typical measurement device based on laser triangulation Podstawowymi wadami tych metod jest ograniczona liczba punktów, które mogą być analizowane w przypadku w pełni zautomatyzowanej obróbki danych i długi czas przetwarzania ich przetwarzania. 126

Rekonstrukcja geometrii żuchwy i korony zęba przy użyciu optycznych systemów pomiarowych Dużo większą grupę optycznych metod pomiaru kształtu stanowią metody polowe. Ich podstawową zaletą jest fakt, że dostarczają one informację o kształcie obiektu z całego pola widzenia jednocześnie. Metody zaliczane do tej generacji opierają swoje działanie na analizie intensywności zdeformowanych obrazów prążkowych, projektowanych na powierzchnię obiektu podlegającego badaniu. Projektowane obrazy prążkowe mogą być tworzone różnymi technikami, jak np. projektowanie obrazu siatki lub prążków interferencyjnych. Zmiany wysokości i deformacje powierzchni elementu mierzonego wprowadzają zaburzenia wzoru prążkowego o znanym kształcie, który jest następnie porównywany z oryginalnym (bądź strukturą wygenerowaną syntetycznie). 2.3. Oświetlenie światłem strukturalnym W przypadku metod polowych informację o całej powierzchni mierzonego przedmiotu można uzyskać na podstawie pomiarów metodami bazującymi na projekcji prążków (Rys. 6). Należą one do grupy metod wykorzystujących oświetlenie strukturalne, czyli takich, w których na powierzchnię obiektu mierzonego projektowany jest określony raster (lub ich sekwencja). Warunkiem poprawnego pomiaru jest dobra widoczność prążków na powierzchni obiektu (obiekty o powierzchni nie rozpraszającej lub przezroczyste mogą być mierzone po pokryciu specjalnymi warstwami typu anti-reflex ). Przechwytywanie przez skaner informacji o położeniu punktów w przestrzeni opiera się na zasadzie triangulacji czyli na obliczeniu miejsca przecięcia się w przestrzeni płaszczyzny utworzonej przez prążek światła strukturalnego i półprostej wychodzącej ze środka piksela matrycy kamery. Obraz rastra odkształconego na powierzchni obiektu jest poddawany analizie komputerowej, w wyniku której uzyskuje się mapę wysokości. Różnią się one między sobą pod względem liczby obrazów przetwarzanych podczas obliczeń. Istnieją metody pozwalające na określenie kształtu obiektu nawet na podstawie analizy jednego obrazu. Cechują się one jednak mniejszą dokładnością pomiaru i można je stosować do mniejszej liczby (klas) obiektów niż techniki wykorzystujące większą liczbę obrazów. Skanery pomiarowe 3D pracujące tą metodą oferują szczegółowość do 0,01 mm z prędkością skanowania około 1.000.000 punktów na sekundę i dokładnością do 0,007 mm przy skanowaniu powierzchni o wymiarach 0,5 m 0,5 m. Tą metodą pomiaru 3D można uzyskać większą szczegółowość i dokładność metryczną, która idealnie sprawdza się w cyfrowej rekonstrukcji skomplikowanych powierzchni biomodeli. Rys. 6. Zasada pomiaru skanerem wykorzystującym światło strukturalne wraz ze stanowiskiem pomiarowym Fig. 6. Schematic diagram of a typical measurement device based on structure light 127

G. Budzik, J. Burek, T. Dziubek, O. Markowska, P. Turek Do przeprowadzenia analizy dokładności zrekonstruowania powierzchni swobodnej, wykorzystano model korony i trzonu zęba oraz żuchwy, wykonanych przy użyciu techniki Rapid Prototyping - ( metoda FDM). 3. Przeprowadzone badania W celu digitalizacji żuchwy wykorzystano dostępne w Katedrze Technik Wytwarzania i Automatyzacji ramię pomiarowe METRIS MCA 2 wyposażone skaner laserowy MMD 100. Idea działania tego skanera, oparta jest na triangulacji laserowej. Metoda ta jest jedną z najlepiej znanych technik pomiaru obiektów 3D. Niepewność pomiaru 1σ przy użyciu MMD 100 według testów producenta wynosi 15µm. Metoda ta znajduje zastosowanie przy pomiarach o małym zasięgu, ponieważ dokładność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości lasera od przedmiotu. Do analiz poddano jedynie digitalizację żuchwy, gdyż efekt odwzorowania powierzchni korony i trzonu zęba był bardzo słaby. Proces skanowania modelu przebiegał dwuetapowo. W pierwszym etapie zeskanowano górną powierzchnię modelu, natomiast w etapie drugim obrócono szczękę w celu zeskanowania części dolnej [3]. Pomiary przeprowadzono z rozdzielczością 0,5mm 0,5mm. Finalny efekt digitalizacji został przedstawiony na rysunku 7. Uzyskana powierzchnia zawierała obszary niedoskanowane, które w procesie edycji danych uzupełniono. Rys. 7. Edycja obszarów i efekt końcowy digitalizacji przy użyciu skanera laserowego [3] Fig. 7. Edition area and final effect of digitalization based on laser triangulation [3] 128

Rekonstrukcja geometrii żuchwy i korony zęba przy użyciu optycznych systemów pomiarowych W przypadku pomiaru geometrii korony i trzonu zęba metodą Focus Variation używającą głębię ostrości, wykorzystano obiektyw o powiększeniu 2,5. Przy ustawieniach tego obiektywu, zakres rozdzielczości może się wahać w pionie od 132,51 µm do 2,3 µm, a w poziomie od 58,71 µm do 6,92 µm. Tak jak i przy użyciu skanera laserowego proces przeprowadzono dwuetapowo aby móc w pełni odwzorować skanowaną geometrię. Ze względu na długi pomiar korony i trzonu zęba, nie przeprowadzono pomiaru geometrii żuchwy [2]. Efekt końcowy pomiaru geometrii przedstawiono na rysunku 8. Rys. 8. Efekt końcowy digitalizacji przy użyciu urządzenia Alicona Fig. 8. Final effect of digitalization based on focus variation Digitalizację metodą światła strukturalnego przeprowadzono przy użyciu systemu optycznego GOM (ang. Geometrical Optical Measurements) znajdującego się w Katedrze Konstrukcji Maszyn na Politechnice Rzeszowskiej. W wyniku zastosowania tego systemu, wykonano serię pomiarów z różnych kierunków, stosując stolik obrotowy sterowany numerycznie [6]. Oprogramowanie systemu skanującego pozwoliło na łączenie obrazów skanowanych w celu uzyskania całej powierzchni korony i trzonu zęba oraz żuchwy. Rys. 9. Efekt końcowy digitalizacji żuchwy przy użyciu systemu optycznego GOM Fig. 9. Final effect of digitalization based on structure light 129

G. Budzik, J. Burek, T. Dziubek, O. Markowska, P. Turek 4. Wnioski końcowe Przeprowadzono analizę dokładności uzyskanej geometrii w procesie digitalizacji danych przy użyciu trzech optycznych systemów pomiarowych. W pierwszej kolejności przeprowadzono pomiar przy użyciu systemu bazującym na świetle strukturalnym. Pomiar jest w pełni zautomatyzowany. W skład systemu wchodzi stół obrotowy oraz statyw na którym znajduje się system pomiarowy. W wyniku digitalizacji uzyskano w stosunkowo szybki czasie i w bardzo dobrej jakości geometrię korony i trzonu zęba oraz żuchwy. Pomiar przy użyciu metody wykorzystującej głębie ostrości również jest bardzo dokładny ale czasochłonny. Wynikiem czego wykonano tylko digitalizację korony i trzonu zęba. Bezpośrednio nie uzyskano całej geometrii. Należało po wykonanym pomiarze zestawić trzy części skanowanej geometrii w całość. Skanowanie laserowe umożliwiło pomiar jedynie żuchwy, gdyż uzyskana powierzchnia korony i trzonu zęba nie nadawała się do analizy ze względu na bardzo słabą jakość. Błędy pomiarowe powstałe na etapie digitalizacji, wynikają z ręcznego przemieszczania skanera laserowego po powierzchni skanowanej. Nie było możliwe uzyskanie na podstawie jednego skanowania całej geometrii, więc przeprowadzono pomiar dwuetapowo. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono iż najbardziej odpowiednią pod kątem pomiaru tak skomplikowanej powierzchni swobodnych jest metoda bazująca na projekcji prążków. Nowoczesne optyczne systemy pomiarowe pozwalają w sposób szybki i dokładny digitalizować powierzchnie swobodne. Stanowią one alternatywę dla stykowych systemów pomiarowych. Literatura [1] Bradshaw B.: Non-Contact Surface Geometry Measurement Techniques. Trinity College, Dublin, 1998/1999. [2] Burek J, Bazan A, Płodzień M, Turek P.: Optyczna metoda rekonstrukcji geometrii koron zębów- Focus Variation. PAK 10/2013. [3] Burek J., Turek P.: Dokładność kształtu modelu szczęki dolnej wykonanego metodą technologii przyrostowej. Mechanik, 5-6/2012. [4] Chlebus E.: Mechatronika: Szybkie Prototypowanie. 2008. [5] Danzl R., Helmli F., Scherer S.: Focus Variation a Robust Technology for High Resolution Optical 3D Surface Metrology. Journal of Mechanical Engineering, s. 245-256, 2011. [6] Markowska O., Budzik G.: The analysis of the accuracy of bone defects implants in the numerical and physical reconstruction process. Kraków 2012. [7] Nather A.: Bone grafts and bone substitutes. World Scientific Publishing, 2005. [8] Wróbel I.: Inżynieria odwrotna jako metoda tworzenia cyfrowych modeli przedmiotów o skomplikowanych kształtach, Mechanik 3/2010. 130