Análisis de imágenes

 

ANÁLISIS DE IMÁGENES

José Joel González Barbosa

José Joel González Barbosa

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Reconstrucción tridimensional del interior de partes utilizando un fibroscopio

 

El objetivo de este proyecto es presentar un fibroscopio modificado para el escaneo en 3D del interior de partes con difícil acceso. La modificación consiste principalmente en la sustitución del sistema de iluminación original del fibroscopio por un sistema que proyecta una línea de luz que revela el perfil interior del objeto bajo estudio. La línea de luz se obtiene mediante un LED de potencia (PL) encerrado entre 2 capas y unido mediante una extensión a la punta del fibroscopio. La intensidad del PL es controlada de manera inalámbrica a través de un módulo con interfaz BlueTooth (BT) que se conecta a la computadora (PC). Imágenes del perfil interior del objeto son capturadas por una cámara (C1) conectada al ocular del fibroscopio mediante un video-acoplador (VC). Utilizando una serie de esas imágenes en diferentes secciones transversales, el sistema es capaz de capturar una nube de puntos que servirán más tarde para generar un escaneo 3D del objeto con exactitud sub-milimétrica.

Este trabajo también propone el uso de una combinación de filtros conocidos para eliminar las estructuras de panal de abeja producidas por el fibroscopio y el uso de anillos patrón para corregir los parámetros intrínsecos de la cámara conectada al fibroscopio y la trazabilidad metrológica del sistema. Varias mediciones del diámetro de anillos fueron comparadas contra su valor certificado para mejorar la exactitud del sistema. Como ejemplo de aplicación del sistema propuesto, se llevó a cabo un escaneo 3D del interior del conducto de un refrigerador (RD). Este escaneo incluye la evaluación de la exactitud mediante la comparación de las mediciones del sistema contra una máquina de medición por coordenadas (CMM).

El sistema descrito es capaz de escanear en 3D el interior de los objetos con perfiles uniformes y no uniformes de 20 a 60 mm en dimensiones transversales. La profundidad alcanzada es de 1000 mm si el material de las paredes del objeto es translúcido y permite la detección de la potencia de luz LED desde el exterior a través de la pared mediante una cámara (C2). La profundidad se mantiene si se utiliza la escala de una CMM u otro sistema de traslación con tal alcance; si esto no es posible, se propone el uso de una escala magnética (MS) que reduce la profundidad de trabajo a 170 mm.

El error de medición del sistema es de alrededor de ± 0.15 mm en el escaneo 3D de las secciones transversales 2D y ± 1.3 mm en posición utilizando una escala magnética, ± 0.5 mm usando una cámara CCD (C2) y un valor dependiente de la exactitud de posicionamiento de la escala del sistema de traslación o CMM utilizados.

Finalmente este trabajo realiza una caracterización del sistema propuesto mediante un análisis de los factores que afectan la incertidumbre de medición.

diagrama arreglo experimental icasio

Figura 1. Diagrama del arreglo experimental (Icasio, 2014)

(Icasio, 2014) Octavio Icasio-Hernández and José-Joel Gonzalez-Barbosa and Juan B Hurtado-Ramos and Miguel Viliesid-Alonso. 3D reconstruction of hollow parts analyzing images acquired by a fiberscope. Measurement Science and Technology. 25 (7). 2014.6841843

Proyectos propuestos

Escaneo tridimensional usando un videoscopio (Tema de tesis de maestría). El fibroscopio presente características muy particulares en la imagen. En este proyecto el estudiante usará un videoscopio para la adquisición de imágenes y utilizará un láser para generar la franja de luz usada para el escaneo. Se integrará un sistema de posicionamiento que permita determinar la posición del sistema de visión activo dentro del interior del objeto a escanear, con el objetivo de conocer la tercera coordenada.

Influencia de factores que afectan la calibración (Tema de tesis de doctorado). En este tema de tesis se analizará el sistema de escaneo utilizando el fibroscopio y el videoscopio. El objetivo es encontrar las etapas y parámetros más sensibles en la calibración y escaneo, con el objetivo de proponer un procedimiento de calibración y escaneo adaptado al sistema propuesto.

Medición de roll, yaw y pitch de la punta de un boroscopio y posicionamiento (Tema de tesis de doctorado). Hasta ahora los esfuerzos están orientados a dimensionar el ducto a diferentes profundidades. En este proyecto se propone dimensionar el ducto a diferentes profundidades y calcular la profundidad con el propósito de recuperar la coordenada en “Z”. Por otro lado, se ha considerado que el sistema de escaneo y el ducto están perfectamente alineados, calcular el roll, yaw y pitch nos permitirán corregir los problemas de la no alineación.

Escaneo 3D Panorámico.

Un sistema catadióptrico consiste de espejos que tienen la forma de una superficie cónica de revolución, es decir, paraboloides (figura 1(a)), elipsoides, hiperboloides o esferas; y una cámara digital es utilizada para adquirir la imagen reflejada por estos (figura 1(b)). Una ventaja de los sistemas catadióptricos es la posibilidad de tener un campo de visión panorámico de 360o  en una sola imagen. Mediante la calibración podemos obtener las dimensiones de todo un ambiente o de objetos presentes en la imagen.

espejo parabolicoimagen panoramica

Figura 1. (a) Espejo parabólico. (b) Imagen panorámica captada usando una cámara catadióptrica.

La figura 2, muestra el diagrama experimental cámara-proyector catadióptrico. El sistema está formado por dos módulos. El primer módulo consiste en una cámara catadióptrica compuesta por una cámara CCD y un espejo parabólico, este módulo permite adquirir imágenes panorámicas, el segundo módulo consta de un proyector de luz y un espejo parabólico que se utiliza para generar la proyección de patrones sobre el objeto que se desea escanear. El campo de visión del sistema de proyección es de 360 grados.

arreglo experimental

Figura 2. Diagrama del arreglo experimental.

El escaneo panorámico tridimensional lo hemos abordado de dos perspectivas: Geométrica (Córdoba, 2014), y por perfilometría (Almaraz, 2016).

La mayoría de las técnicas estudiadas utilizan un enfoque geométrico, sin embargo el escaneo denso es muy tardado ya que requiere de muchos puntos (pixeles) o imágenes tanto para la calibración como para el escaneo. El trabajo presentado en (Córdoba, 2014) tiene dos aportaciones: calibración y escaneo 3D. Durante la calibración se utilizó un plano que contenía un patrón de calibración impreso y un patrón de calibración proyectado por el sistema PM2-proyector (ver Figura 3). El patrón impreso se usó para calibrar el sistema cámara-PM1, mientras que el patrón proyectado se utilizó para calibrar PM2-proyector y para calcular la matriz de rotación y traslación entre los espejos PM1 y PM2. Durante el escaneo 3D se proyectaron patrones con puntos de colores aleatorios para encontrar correspondencias entre la imagen proyectada y la imagen adquirida mediante las restricciones de cónicas epipolares.

imagen del plano

Figura 3. Imagen del plano de calibración que contiene dos patrones tipo tablero de ajedrez, el patrón impreso se utiliza para calibrar la cámara panorámica y el patrón proyectado para calibrar el sistema de proyección catadióptrico.

Los sistemas perfilométricos que utilizan la proyección de franjas, son relativamente antiguos y han sido muy estudiados, existen numerosas técnicas para el procesamiento de las imágenes, desde Takeda (Takeda, 1982) que utiliza transformada de Fourier y adquiere sólo una imagen, pasando por algoritmos que procesan varias imágenes que utilizan franjas con cierto desfase siendo estos un poco más precisos aunque su procesamiento necesita más tiempo (Gorthi, 2010). La ventaja es que no necesitamos una superficie de referencia al momento de reconstruir.

imagen ilustrativa

Figura 2. Imagen ilustrativa del método de Fourier que muestra la imagen de franjas proyectadas, el espectro de Fourier, la fase envuelta y la fase desenvuelta obtenida finalmente.

Actualmente estamos desarrollando técnicas de perfilometría por proyección de franjas a un sistema de visión panorámico del tipo catadióptrico. Este consiste en un par de espejos parabólicos colocados a espaldas uno del otro, un proyector  y una cámara digital, alrededor de estos se coloca un cilindro de dimensión conocida (ver figura 3). Aprovechando la simetría del sistema, es posible escanear el interior del cilindro y obtener la forma de los objetos que se encuentren sobre su superficie. Actualmente estudiamos la estructura de franjas más adecuada para lograr un escaneo 3D denso del ambiente, conocer los parámetros del sistema, también observar si todos los algoritmos existentes de perfilometría son aplicables en el arreglo experimental.

Proyectos propuestos.

En este proyecto se han presentado avances significativos. Sin embargo existen áreas de oportunidad que hemos identificado. Los temas que se pueden desarrollar dentro de este proyecto son:

Técnicas de perfilometría panorámica (Tema de tesis de maestría). Se han revisado las técnicas de Fourier (Takeda, 1982), desplazamiento de fases (Creath, 1988 ), y de desenvolvimiento temporal ( Saldner, 1997). En este trabajo, el estudiante deberá implementar otras técnicas, como transformada wavelet, transformada de Fourier ventaneada, etc. y estudiar cuál de ellas da mejores resultados. Igualmente deberá determinar las características estáticas del sistema tales como exactitud, fidelidad, sensibilidad, linealidad, resolución.

Calibración de cámaras catadióptricas (Tema de tesis de doctorado). Actualmente, las cámaras catadióptricas son calibradas utilizando patrones de calibración diseñados para cámaras convencionales, igualmente la metodología es muy parecida a la utilizada en las cámaras convencionales, el modelo de formación de la imagen es la parte que ha sido adaptado. Sin embargo, debido a la forma particular en que la imagen es capturada se deben desarrollar tanto patrones como metodologías de calibración propias para este tipo de cámaras.

Miniaturizar el sistema (Tema de tesis de maestría). En este trabajo se propone al estudiante disminuir a un 10% las dimensiones del sistema experimental actual. Para lograrlo, el estudiante deberá trabajar en el proceso de generación de franjas y el procesamiento de las imágenes deberá hacerse en un sistema embebido.

Proyectar sobre otras superficies no sólo cilindros (Tema de tesis de maestría).Actualmente el sistema está adaptado para escaneo 3D sobre superficies cilíndricas. En esta propuesta, el estudiante deberá desarrollar el modelo matemático para poder escanear sobre cualquier superficie e implementarlo.

Girar espejos planos para simular un espejo cónico (Tema de tesis de maestría). Actualmente el sistema experimental usa espejos de revolución. Sin embargo es compleja la adquisición de espejos de revolución con las características geométricas adecuadas. Por otro lado el mismo efecto geométrico puede generarse con espejos más fáciles adquisición. El trabajo estará orientado en la  geometría cónica de espejos a partir de la rotación de espejos planos.

(Córdoba, 2014) Córdova-Esparza, D.-M., Gonzalez-Barbosa, J.-J., Hurtado-Ramos, J.-B., Ornelas-Rodriguez, F.-J. A panoramic 3D reconstruction system based on the projection of based on the projection of patterns. International Journal of Advanced Robotic Systems, 11 (1), art. no. 55. 2014.

(Almaraz, 2016) Almaraz-Cabral, C.-C., Gonzalez-Barbosa, J.-J., Villa, J., Hurtado-Ramos, J.-B., Ornelas-Rodriguez, F.-J., Córdova-Esparza, D.-M. Fringe projection profilometry for panoramic 3D reconstruction. Optics and Lasers in Engineering, 78, pp. 106-112. 2016.

(Takeda, 1982) Takeda, Mitsuo, Ina, Hideki, Kobayashi, Seiji. Fourier-Transform Method Of Fringe-Pattern Analysis For Computer-Based Topography And Inteferometry.  Journal of the Optical Society of America, 72 (1), pp. 156-160. 1982

(Gorthi, 2010) S.S.Gorthi and P.Rastogi. Fringe projection techniques : Whither we are?.  Opt.LasersEng.,48(2):133–140. 2010.

(Creath,1998) Creath, K.  Phase-measurement interferometry techniques. Progress in optics, 26(26), 349-393, 1998.

(Saldner,1997) Saldner, H. O., & Huntley, J. M. Temporal phase unwrapping: application to surface profiling of discontinuous objects. Applied optics, 36(13), 2770-2775, 1997.

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