Sisteme de Scanare cu Laser

Cuprins

1.Abstract………………………………………………………………………………3

2.Introducere……………………………………………………………………………3

3.Reconstituirea modelului color 3D…………………………………………………..4

4.Sistemul integrat de scanare…………………………………………………………10

5.Exemple de aplicații…………………………………………………………………12

6.Concluzii……………………………………………………………………………13

7.Referințe…………………………………………………………………………….14

Sisteme de scanare cu laser

Un sistem integrat pentru reconstituirea

modelului color pentru obiecte 3D generale

1.Abstract

Acest articol ne dezvăluie un sistem de scanare integrat pentru a construi modele color pentru diferite obiecte 3D.Scanner-ul laser este folosit pentru a digitaliza forma obiectului 3D.În timp ce se scanează suprafața întunecată a unui obiect,fasciculul laser cu o putere diferită este emis pe suprafața obiectului pentru a obține linii scanate adaptive ,și linia scanată cu o calitate bună este automat selectată pentru a imbunătați calitatea datei scanate.Rețelele triunghiulare sunt construite din puncte de date scanate și modelul suprafeței 3D și astfel modelul suprafeței obiectului 3D poate fi obținut.Apoi o cameră digitală este folosită pentru a capta imagini color a obiectului .O metodă de mapare a texturii este dezvoltată automat care înfașoară texturi ale imaginii pe rețelele triunghiulare pentru a forma modele de culori pe obiectul 3D.

Într-un final un sistem de scanare integrat este stabilit din combinația unui scanner laser și o cameră digitală.Folosind acest sistem,modelele color a obiectelor 3D testate sunt reconstituite și oferă rezultate eficiente .

I.Introducere

În ultimii ani,datorită cantității mici și a duratei de viața a produsului ,ingineria a aplicat în industria de design și în fabricații de produs.Metodele tradiționale de a capta forme ale obiectelor pot fi în general clasificate în două mari categorii:metoda de măsurare contactă și metoda de măsurare non-contactă[1,2].În metoda de măsurare contactă obiectul de măsurat este o probă,care este în contact direct între vârful instrumentului și suprafața obiectului.

Metoda de măsurare non-contactă este o metodă în curs de dezvoltare.Folosește lumina ca instrument principal în dobândirea formelor obiectelor.Atât cît și în laserul digital ,structura luminii este folosită pentru a capta diferite forme de date pentru obiecte.Din păcate,metodele de măsurare contacte și non-contacte pot doar achiziționa forme ale obiectelor 3D.Nicio culoare intrinsecă a obiectelor este indusă[3].Totuși ,modelul 3D fară culoare nu satisfice cerințele demonstrațiilor în termeni reali.O alta informație despre culoarea originală a texturii obiectului este că trebuie să se deformeze pe suprafața modelului 3D pentru a imbunatați aspectul.Acest proces se numește mapare a texturii.[4].În secțiunea 2 este introdusă abordarea pentru reconstituirea modelului color a obiectului 3D,în secțiunea 3 este descris sistemul de scanare integrat .În secțiunea 4 avem un exemplu de aplicație iar în secțiunea 5 sunt prezentate concluziile.

II.Reconstituirea modelului color al obiectului 3D

Un scanner laser tipic ,ca în figura 1,folosește o dioda laser care emite un fascicul pe suprafața obiectului și captează lumina reflectată prin două camere monochrome CCD,coordonatele suprafeței obiectului pot fi calculate folosind metoda de mapare a texturii.[5]

Dioda laser

Camera monocroma CCD

Culoarea obiectului

Figua 1:Scanner-ul laser cu 2 camere monochrome CCD și dioda laser.

Când dioda laser emite fasciculul laser pe partea colorată a suprafeței ,partea intunecată are o rată de reflexie redusă ce va absorbi lumina laserului și va afecta calitatea datei scanate .Pentru a avea o reflexie consistentă pe suprafețele obiectului ,culoarea alba sau roșie este împraștiata pe suprafața obiectului colorat.Totuși,culorile albe sau roșii nu s-ar fi împrastiat pe suprafața obiectului dacă astfel culoarea obiectului original nu s-ar fi schimbat.

În general suprafețele întuncate au nevoie de o putere mai mare a diodei laser iar suprafețele luminate având nevoie de o putere mai mică.

Pentru suprafața obiectului cu o rată de reflexie specificată ,puterea diodei laser trebuie ajustată la o valoare potrivită pentru a obține cea mai bună calitate a liniilor de date scanate.După cum vedem în tabelul 1,pentru măsurarea liniei scanate de fasciculul laser cu o putere diferită a diodei laser,imaginile captate de la camerele CCD sunt diferite și numarul de puncte de date pentru fiecare fascicul laser sunt de asemenea diferite.

Un proces de captare a liniei scanată adaptiv este implementat pentru a rezolva probleme induse de suprafețele întunecate.Presupunem că puterea diodei laser poate fi ajustată între Pmax și Pmin,unde Pmin este puterea minimă si Pmax este puterea maximă.Lasăm Pmin să fie puterea diodei laser inițială pentru fiecare linie scanată.Dacă numărul de puncte de date în linia scanată este mai mică atunci vom da o valoare de prag ,pe care procesul o va executa.De asemenea puterea de ordin ridicat induce zgomot în liniile de date scanate.Zgomotul poate fi distanța medie dintre punctele de linii scanate.Definiția pentru distanța medie ,pentru toate punctele poate fi scrisă ca:

Unde pj este al j-lea punct al vectorului pentru linia scanată i,si N este numărul de puncte de date pentru a i-lea linie scanată.Numărul punctelor de date vor crește odata cu creștera puterii diodei laser , și dj va deveni mai mic.Pe de altă parte zgomotul va crește de asemenea odata cu creșterea puterii diodei laser.Deci, distanța medie a punctelor de linie scanate are o valoare relativă minimă fiind considerată o putere optimă a diodei laser pentru suprafețele obiectului.Dupa cum observam în tabelul 1 ,când puterea laserului crește de la 125 % din Pmin,d are o valoare minimă locală.Pentru o putere optimă a diodei laser numărul de puncte de date vor crește pană la 111,4% de puncte din puterea minimă.

II.1Reconstituirea modelului

Dupa ce am obținut liniile scanate pe suprafața obiectului ,suprafețele modelului 3D pot fi reconstituite prin construcția unor rețele triunghiulare peste aceste linii scanate .Pentru toate liniile scanate a suprafeței obiectelor se presupune că liniile scanate sunt in aceeași direcție dar nu se intersectează una cu cealaltă.

În timp ce numărul de puncte de date în fiecare linie scanată sunt diferite ,rețelele triunghiulare pot fi construite în mai multe căi.Figura 2 ne arată cum sunt stabilite rețelele triunghiulare între cele două linii scanate adiacente.

II.2 Siluete de obiecte obținute din imagini digitale

Pentru a reconstitui modelul suprafeței a obiectului 3D,este folosită o cameră digitală care captează texturi ale imaginilor color pe suprafața obiectelor.Pentru a mapa texturile imaginilor pe suprafața modelului 3D,este necesară o legatură între texturile imaginilor 2D și rețele triunghiulare 3D.Siluetele obiectelor sunt folosite pentru a crește precizia coordonatelor texturilor .În fotografie dacă lumina de fundal este aplicată în spatele obiectelor,o parte din lumina de fundal va fi acoperită de obiect și de umbra siluetei obiectului care va fi produsă.Un aparat de fotografiat digital este folosit pentru a obține imagini de contrast ridicat.În plus,la imaginea cu contrast ridicat este aplicat un proces de expandare a contrastului imaginii.[6]Să presupunem că r este nivelul de gri al imaginii din imaginea originala ,iar s este nivelul de imbunatățire după procesul de expandare a imaginii.

Funcția de transformare a nivelului de gri T are forma după cum urmează:

s=T(r)

Efectul acestei transformări este de a produce o imagine cu contrast mai bun decât originalul. De exemplu dacă T(r ) este o funcție de pas dupa cum ne arată figura 3 T(r ) va produce o imagine cu două nivele.(imagine binară)

Figura 4 este un exemplu pentru siluete de obiecte la unghiuri de vizualizare diferite,utilizând metoda propusă.

II.3Metoda de mapare a texturii

Maparea texturii este o tehnică de sinteză a imaginii în care texturile imaginii sunt mapate pe suprafețele unui model 3D,și apoi suprafețele colore 3D sunt proiectate pe un ecran 2D pentru vizualizare.Procesul de mapare a texturii poate fi imparțit în două etape [7,8]ca în figura 5.

Primul pas poate fi numit parametrizare în care spațiul texturii 2D este mapat pe spațiul modelului 3D ,adică funcția de mapare este stabilită pentru a mapa o anumită parte a texturii de imagine pentru fiecare rețea triunghiulara.Al doilea pas este numit proiecție pentru observare ,în care spațiul modelului 3D este mapat pe suprafața ecranului.

Procesul de mapare a texturii este descris în felul următor.[9]In primul rând un aparat de fotografiat digital este situat la e(i=1…k)unghiul relativ fața de obiectul ținta este captat la fiecare poziție a unghiului în jurul obiectului ca în figura 6.

Deoarece unghiul de vizualizare maximă a unui aparat de fotografiat digital este mai puțin de 180 de grade,este nevoie de mai mult de două texturi ale imaginii pentru a acoperi întreaga suprafață a obiectului.Pentru fiecare textură a imaginii silueta este folosită ca mască pentru a elimina fundalul a fiecarei imagini.Apoi,transformarea proiecției între spațiul modelului 3D și spațiul texturii trebuie sa fie construit.Ecuația de transformare a proiecției poate fi scrisă ca:

Unde Mp este matricea de transformare.

Proiecția paralelă la unghiul e=0 este indicată in figurile 6(b) 6(c,)este gasit un dreptunghi de încadrare ,care conține toate rețelele triunghiulare în planul de proiecție,iar lațimea si înalțimea sunt notate cu W,H.

Presupunem că punctul de referința al proiecției de încadrare a dreptunghiului este(y[],=) și punctul de referința de încadrare a dreptunghiului este(0,0).

Ecuația de transformare poate fi scrisă ca:

unde Mc este matricea de transformare și (u,v) sunt coordonatele transferate.

Folosind aceste două transformari de coordonate ,texturile imaginii 2D și rețelele triunghiulare 3D cu diferite sisteme de coordonate sunt transformate într-un sistem de coordonate unificat.În figura 6(d) în jurul marginii obiectului se elimină rețelele triunghiulare,iar rezultatele finale al mapării texturii este prezentată în figura 6(e).

III.Sistemul de scanare integrat

Pe baza abordării propuse ,este dezvoltat un sistem integrat de scanare.Acest sistem este compus dintr-un cap de emisie al laserului ,un aparat foto digital ,un sistem de control al luminii și o etapă cu 4 grade de libertate.Softul de control este dezvoltat de Visual C++ și bibloteca ObjectARX Autocad.Programul Autocad este folosit ca motor grafic pentru a manipula date scanate și rețele triunghiulare,în timp ce pentru animația 3D ,3dsmax software-ul este folosit pentru a reconstitui culoarea modelului 3D și afișarea rezultatelor a imaginilor color.

Sistemul integrat de scanare dezvoltat este indicat în figura 7 și configurația de sistem este indicată în figura 8 .Procesul de reconstituire a culorii modelului 3D prin utilizarea sistemului integrat de scanare este descris pe scurt dupa cum urmează.

În primul rând obiectul este plasat pe o platformă de rotire pentru operația de scanare.Forma este digitizată de capul de emisie la fiecare poziție unghiulară predefinită.Când sunt digitizate suprafețe întunecate metoda de scanare adaptivă propusă este aplicata pentru a reduce zgomotul și de a crește calitatea datelor scăzute.

Dupa operația de scanare ,datele de pre-prelucrare,datele de reducere ,distribuirea datelor și netezirea[10] se va aplica de asemenea punctelor de date scanate și rețelelor triunghiulare 3D.

La captarea imaginilor color generale,luminile din planul apropiat sunt pornite și luminile din fundal sunt stinse.Atunci când captăm imagini cu contrast ridicat,luminile din planul apropiat sunt stinse și luminile din fundal sunt pornite.Pentru fiecare imagine cu contrast ridicat ,procesul de expandare a contrastului imaginii este aplicat pentru a obține silueta obiectului.În continuare silueta obiectului este utilizată ca mască pentru a elimina fundalurile complexe ale texturii,astfel că textura imaginii în interiorul siluetei obiectului este simplificată.

Într-un final mai multe imagini de culoarea obiectului sunt deformate pe rețele triunghiulare 3D pentru modelul de culoare.

Întraga metodă de reconstituie a culorii modelului 3D este aratată în figura 9 .

IV.Exemple de aplicații

O papușă este folosită pentru a testa și verifica procedura propusă pentru modele de reconstituire a culorii.Fotografia păpusii este indicată în figura 10(a).

În primul rând scanner-ul laser emite un fascicul pe suprafața obiectului și digitizează forme ale păpușii la 100 poziții unghiulare cu 3.6 grade.Când digitizăm suprafețele întunecate ale obiectului,se execută procesul de captare adaptivă.Dupa digitizare 27656 de puncte sunt obținute și liniile scanate sunt indicate în figura 10(b).

Operațiile de date pre-procesate sunt aplicate punctelor de date scanate și sunt stabilite rețelele triunghiulare.Modelul 3D care conține 29998 de rețele triunghiulare este indicat în figura 10(c).

Astfel camera digitală și sistemul de lumina sunt folosite pentru a capta patru culori a texturii imaginii la patru poziții unghiulare cu 90 de grade.În cele din urma culoarea texturii imaginii este împachetata pe rețele triunghiulare 3D prin tehnica de mapare a texturii propusă dupa cum arată figura 10(d).

Modelul final al păpușii este arătat în figura 10(e).

Concluzii

Această lucrare dezvoltă un sistem integrat de scanare prin reconstituire a culorii modelelor pentru diferite obiecte 3D.

În procesul de digitizare a formei obiectului,metoda de captare a liniei scanată propune de a îmbunatați calitatea punctelor de date pe suprafața inchisă a obiectului.

Camera digitală este de asemenea folosită pentru a capta texturi colore ale imaginii obiectului.Texturile imaginilor sunt înfasurate pe rețele triunghiulare 3D pentru a forma rapid modelul color 3D.

Un sistem de scanare este dezvoltat.Acesta este testat pentru a stabili modele color pentru obiecte 3D,în care se vor obține rezultate bune.Dezvoltat sistematic procedura de reconstituire a modelelor colore a obiectelor 3D generale pot fi aplicate pe larg în design de produs,multimedia,jocuri,animație etc.

Referințe

[1] Tamas Varady, Ralph R. Martin, and Jordan Cox, "Reverse engineering

of geometric models – an introduction," Computer·Aided Design,

voL29, no.4, 1997, pp.255·268.

[2] Bopaya Bidanda and Yasser A Hosni, "Reverse engineering and its

482

relevance to industrial engineering: a critical review," Computers &

Industrial Engineering, vo1.26, no.2, 1994, pp.343-348.

[3] Z. Q. Xu, S. H Ye, and G. Z. Fan, "Color 3d reverse engineering,"

Journal of Materials Processing Technology, voL129, no.1-3, 2002,

ppA95-499.

[4] Paul S. Heckbert, "Survey of texture mapping," IEEE Computer

Graphics and Applications, 1986, pp.56-67.

[5] Hong-Tzong Yau, ChlUl-Yan Chen, and Robert G. Wilhelm,

"Registration and integration of multiple laser scanned data fot reverse

engineering of complex 3D models," International Journal oj

Production Research, voL38, no.l, 200(), pp.269-285"

[6] Rafael C. Gonzalez and Richard E. Woods, Digital Image Processing,

1992, ppA84-486.

[7] Wolfgang Niem and Hellward Broszio, "Mapping texture from

multiple camera views onto 3D.object models for computer

animation," Proceedings of the In/ernalional Workshop on

Stereoscopic and Three Dimensional Imaging, 1995, Santorini, Greece,

pp.99-105.

[8] Wolfgang Niem, "Automatic reconstruction of 3D objects using a

mobile camera," Image and Vision Computing, voLl7, 1999, pp.125-

134.

[9] Tien-TlUlg ChWlg, Chao-Yaug Liao, and TZWlg-Kai Lai, "Automatic

shape reconstruction and texture mapping for 3D objects," in

Proceedings oj the 21" National Conference on Mech(I1lical

Engineering, CSME, 20M, pp.2973-2978. [lO]Pascai Volino and Nadia Magnenat Thalmann, "The SPHERIGON: a

simple polygon patch for smoothing quickly your polygonal meshes,"

Proceeding of Computer Animation 98,1998, pp.72-78.