CC BY
11УДК 658.512.2: 004.93'1
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ РЕВЕРС-ИНЖИНИРИНГА
Селищев Д.Н., магистрант, направление подготовки 09.06.01 Информатика и вычислительная техника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: disel@yandex.ru
Научный руководитель: Сергеев А.И., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры систем автоматизации производства, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: alexandr_sergeew@mail.ru
Аннотация. В статье рассматривается автоматизация процесса трёхмерного сканирования с использованием разрабатываемого устройства, имеющего источник линейной подсветки и обеспечивающего перемещение камеры относительно объекта по трём степеням свободы. Рассмотрены проблемы получения координаты глубины по двумерной проекции. Предложен способ организации автономной работы устройства с самостоятельным добавлением в очередь заданий на перемещение поворотной платформы с целью уточнения плохо отсканированных участков поверхности на основе анализа информации, получаемой в процессе сканирования.
Ключевые слова: трёхмерное сканирование, автоматизация сканирования, 3D-сканер, центральная трёхточечная проекция.
AUTOMATION OF DESIGN ON THE BASIS OF REVERSE ENGINEERING
Selishchev D.N., master student, training direction 09.06.01 Informatics and computer engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: disel@yandex.ru
Scientific adviser: Sergeev A.I., Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Production Automation Systems, Orenburg State University, Orenburg e-mail: alexandr_sergeew@mail.ru
Abstract. The article discusses the automation of the three-dimensional scanning process using the developed device, which has a source of linear illumination and provides camera movement relative to the object in three degrees offreedom. The problems of obtaining the depth coordinates for a two-dimensional projection are considered. A method of organizing the autonomous operation of the device with an independent addition to the queue of tasks for moving the turntable in order to clarify poorly scanned surface areas based on the analysis of information obtained during the scanning process has been proposed.
Keywords: three-dimensional scanning; scanning automation, 3D-scanner; central three-point projection
Автоматизация процесса 3D-сканирования заключается в изменении положения камеры и источника излучения относительно исследуемого объекта. В качестве схемы построения сканера рассматривается конструкция с поворотным столом и модулем камеры, расположенным на подвижной раме [4], поскольку в этом варианте обеспечивается три степени свободы перемещения камеры относительно исследуемого объекта.
Для работы с устройством используется прикладное программное обеспечение, выполняемое на персональном компьютере под управлением операционной системы Windows. Для взаимодействия с управляющей прикладной программой устройство имеет основной контроллер, осуществляющий обмен данными через интерфейс USB, передачу изображения с модуля камеры, а также управление
контроллерами приводов двигателей и лазерной подсветки.
Поскольку недостоверная информация о положении узлов перемещения камеры может внести искажения в расчёты, на данном этапе решено было отказаться от её использования, опираясь только на минимально необходимый набор сведений. К таковым относятся: изображение, полученное с модуля камеры, калибровочные листы для вертикальной поверхности и поворотного стола с известными натуральными размерами маркеров и расстояниями между ними. За начало координат принимается центральная точка поворотной платформы (рисунок 1, а).
В зависимости от угла наклона камеры вертикальная плоскость и поворотная платформа будут спроецированы на матрицу оптического модуля
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
по-разному и занимать разные части экрана. Для упрощения поиска маркеров можно использовать приближённое значение угла наклона камеры, определяемого по узлам механизации. Наиболее вероятно, что центральная точка будет перекрыта
исследуемым объектом, поэтому её координаты вычисляются через метки, расположенные по границе поворотной платформы. Каждая метка имеет уникальное начертание, что позволяет однозначно определить угол поворота.
а)
б)
Рисунок 1. а) распознанные основные и вспомогательные маркеры на изображении, полученном с оптического модуля; б) совмещённые с последовательных кадров следы от линейного источника света на сканируемом объекте
Задача определения координат камеры сводится к расчёту трёхмерных координат известных точек по двумерной проекции. Следует принять во внимание, что при обработке изображения приходится иметь дело не с аксонометрией, а с центральной перспективной проекцией. Также необходимо учитывать геометрические искажения оптического модуля, для этого выполняется построение профиля для каждой используемой модели оптического модуля [1, 5].
При сканировании объекта используется источник линейной подсветки, который при перемещении должен подсвечивать поворотную платформу и вертикальную стенку с маркерами. След от линейного источника на объекте (рисунок 1, б) - это одна из искомых линий сечения поверхности объекта плоскостью света. Сервопривод источника подсветки должен иметь достаточно малый шаг для уменьшения дискретности сетки.
Определение параметров плоскости луча подсветки рассчитывается по линиям пересечения этой плоскости с взаимно перпендикулярными плоскостями - поворотной платформой и вертикальной стенкой. Теперь для каждой точки следа подсветки на объекте рассчитываются точки поверхности как пересечение плоскости и линии, соответствующей пикселю изображения с учётом компенсации оптических искажений. Проведя серию снимков с одного и того же ракурса, перемещая источник подсветки, вычисляем множество точек, принадлежащих поверхности исследуемого объекта [2, с. 330; 3, с. 196]. Обычно на этом данный этап сканирования
завершается, и оператор переносит камеру или поворачивает платформу и вновь запускает процесс получения нового множества точек поверхности с нового ракурса. Изменение ракурса определяется оператором исходя из его субъективных решений. Нами предлагается определить очередное задание на сканирование на основании полученной ранее информации об объекте.
Рассмотрим изображение следа плоскости подсветки. Ввиду дискретности изображения след представляется не непрерывной кривой, а набором дискретных точек. Угловые расстояния между соседними пикселями одинаковы (без учёта коррекции искажений). В действительности расстояние в пространстве между двумя соседними точками на разных участках следа будет отличаться (рисунок 2).
Проведя статистическую обработку полученных данных, можно выделить точки поверхности, отсканированные с разной плотностью. Выделив границы таких участков, вычисляются углы поворота, на который нужно повернуть платформу так, чтобы набор точек с меньшей плотностью находился в области получения лучшей плотности сканирования. Эти углы группируются и добавляются в очередь на сканирование, и при следующей итерации приложение, управляющее устройством, поворачивает платформу на заданный угол. После получения нового множества точек та часть из них, которая была ранее отсканирована с меньшим качеством, получит уточнение, по итогам обработки будут добавлены новые углы в очередь заданий.
Рисунок 2. Точки, проекции которых находятся на одинаковом расстоянии (а) фактически могут находиться на различном удалении от камеры (б)
Таким образом, приложение, управляющее сканером трёхмерной поверхности, может самостоятельно без участия оператора просканировать весь объект, осуществляя перемещение узлов механи-
зации на основании информации об исследуемой поверхности, полученной непосредственно в процессе сканирования.
Литература
1. Lens correction model [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://wiki.panotools.org/Lens_cor-rection_model (дата обращения: 22.04.2019).
2. Красильников Н. Н. Определение координаты глубины в методах 3D сканирования: Тезисы докладов IX Международной конференции «Прикладная оптика - 2010», г. Санкт-Петербург, октябрь 2010 г. -С. 328-331.
3. Роджерс Д., Адамс Дж. Математические основы машинной графики: Пер. с агл. - М.: Мир, 2001. -604 с.
4. Селищев Д. Н. Выбор конструкции аппаратной части 3D сканера // Colloquium-journal. - 2019. -Ч. 1. - № 2. - С. 46-49.
5. Цифровая фотограмметрия и бесконтактные измерения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wiki.technicalvision.ru/index.php/Цифровая_фотограмметрия_и_бесконтактные_измерения (дата обращения: 22.04.2019).
