Positioning system for 3D scans inside objects

Sistema de posicionamiento para escaneos 3D en el interior de objetos

En este trabajo presentamos un sistema de posicionamiento de visión activa para el escaneo 3D del interior de piezas. El diseño del sistema propuesto consta de dos módulos: un sistema de dimensionamiento 2D de visión activa, y un sistema que posiciona el módulo de visión activa. El sistema de posicionamiento es capaz de determinar la profundidad del sistema de dimensionamiento 2D de visión activa en el interior del objeto a escanear usando varios sensores. Las principales contribuciones de este trabajo son la caracterización del sistema de dimensionamiento 2D, y el desarrollo de algoritmos de posicionamiento de la luz activa con énfasis en el modelado y fusión de sensores. El sistema puede utilizarse como un sistema de dimensionamiento en aplicaciones industriales como la industria metal mecánica, la aeronáutica, la medicina, en el control de calidad y en áreas de visión por computadora.

Palabras clave: Estimación de la posición, Procesamiento de imágenes, Fusión de datos, Modelado sensorial

Introducción

En este trabajo presentamos una propuesta de un sistema de posicionamiento de luz activa para el escaneo 3D del interior de piezas industriales con gran utilidad en diferentes tipos de industria como la metal-mecánica, la aeronáutica, la militar y la medicina que requieren constantemente la medición de dimensiones internas de la pieza bajo inspección. Como ejemplos de aplicación podemos mencionar la medición del interior del cilindro maestro que forma parte del sistema de frenado de los autos, el escaneo 3D del interior del cuerpo humano, la medición en el interior de tuberías, la medición del interior de botellas hechas de plástico, entre otros (ver Figura 1). El presente trabajo propone el uso de un sistema de medición capaz de obtener la posición de la luz activa para poder dimensionar el interior del objeto, este sistema consta de dos módulos: un sistema de dimensionamiento 2D de visión activa, y un sistema de posicionamiento que calcula la profundidad del sistema de dimensionamiento 2D de visión activa. La profundidad es calculada por la información proveniente de varios sensores de forma independiente los cuales son fusionados para obtener una medición de mayor precisión y exactitud. Figura 1: a) Anillo patrón. b) Cilindro maestro. c) Flecha de velocidad constante. d) Parte de tren de aterrizaje para aviones. e) Botellas de plástico. f) Tubos. g) Rodamientos para motor. h) Ducto de refrigerador.

El sistema de dimensionamiento del interior de piezas con difícil acceso está basado en un fibroscopio modificado. La modificación consiste en la sustitución del sistema de iluminación original del fibroscopio por un sistema que proyecta una línea de luz. Esta línea de luz revela una sección transversal del interior del objeto bajo estudio. La línea de luz se obtiene mediante un LED de potencia encerrado entre 2 placas y unido por una extensión a la punta del fibroscopio (ver Figura 2 a y b). Las imágenes de diferentes secciones transversales del objeto son capturadas por una cámara conectada al ocular del fibroscopio por medio de un video acoplador (ver Figura 2 c).

Figura 2: Sistema de visión activa para el dimensionamiento del interior de objetos. a) y b) Generación de la línea de luz, c) Cámara conectada al ocular del fibroscopio por medio de un video acoplador. El sistema que determina la profundidad de la visión activa, está conformado por un sistema de visión, un sensor magnético y un odómetro. El sistema de visión consta de una cámara y de un patrón de referencia pegado en las placas del sistema de iluminación, unidos al sistema de guiado del fibroscopio que componen al sistema de visión activa. El patrón está constituido por una matriz de 8 columnas de círculos y 8 renglones de círculos de color blanco con fondo negro. La cámara es del tipo endoscopio digital flexible de 7 mm de diámetro y una distancia de trabajo de 150 mm, captura imágenes con una resolución de 640x480 pixeles. El sensor magnético funciona como un potenciómetro cuyo valor de resistencia está relacionado con el valor de la posición, este puede adherirse a la pieza bajo medición, la lectura del sensor magnético se realiza mediante un módulo Bluetooth. El odómetro se coloca en forma paralela a la cámara y se desplaza en dirección al eje óptico de la cámara. Nuestra configuración del sistema está diseñado para una distancia óptima de 150 mm de profundidad. La principal aportación de este trabajo está centrada en el módulo de posicionamiento del sistema de dimensionamiento. La contribución de este módulo es la adaptación de un sistema de visión junto con la integración de sensores de desplazamiento lineal de bajo costo y fácil adaptación; un sensor magnético y un odómetro que es desarrollado por nosotros, para calcular el posicionamiento del sistema. En particular, el enfoque consiste en fusionar las mediciones provenientes de los sensores con el fin de lograr estimaciones del posicionamiento del sistema más exactas, el cálculo de la posición es formulada utilizando técnicas de estimación como los filtros FK y FP que modelan el comportamiento lineal del sistema, ambos métodos han sido implementados con el propósito de reducir el error de la estimación resultante. La novedad de este trabajo es el desarrollo de un método de posicionamiento para el sistema de visión activa para la mejora del dimensionamiento de objetos.

Estado del arte

El sistema de escaneo tridimensional presentado está compuesto por un módulo de dimensionamiento de visión activa y un módulo de posicionamiento. El módulo de visión activa consta de un fibroscopio y un generador de luz. El módulo de posicionamiento está formado por un sistema de visión, un sensor magnético y un odómetro. La aplicación del sistema de medición se basa en la determinación de la profundidad del sistema de dimensionamiento 2D de visión activa, para poder dimensionar el interior del objeto con este sistema, cada componente ó todo el sistema de visión debe ser calibrado. Son pocos los artículos que especifican métodos particulares para calibrar una cámara conectada a un fibroscopio utilizada como parte del sistema de escaneo y que proponen un sistema de posicionamiento de luz activa con varios sensores para el dimensionamiento de objetos, en esta sección presentamos algunos trabajos comparativos con el presente trabajo.

2.1 Visión Activa

Los artículos que describen la calibración de la cámara conectada al ocular de un endoscopio los podemos dividir en dos grupos: los que se basan en la técnica propuesta por [1] como [2, 3, 4], y los que realizan la calibración considerando una lente de pescado (lente fish-eye) con un ángulo de visión superior a los 45 grados como los propuestos por [5], [6], [7] y [8]. El trabajo presentado por [9] consta de un sistema catadióptrico formado por un endoscopio y un espejo esférico. Los autores calibran el sistema de dos formas: usando el modelo pinhole presentado en [1] donde la distorsión radial modela la curvatura del espejo y proponen un modelo propio para el sistema.

Varias de las publicaciones para el escaneo 3D de piezas huecas utilizando endoscopios rígidos o flexibles se encuentran en el campo de la medicina, por ejemplo [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], y [19] utilizan piezas de referencia para validar los escaneos 3D en el interior del cuerpo humano, por lo que bien pudieran ser utilizadas en el sector industrial. Los trabajos que utilizan endoscopios rígidos o flexibles para escaneos 3D de utilidad en la industria son: [20], [21], [22], [23], [24], y [25]. En [20] se desarrolló un robot para inspeccionar tuberías con diámetros entre 20 cm y 50 cm, su sistema emite luz estructurada para escanear tridimensionalmente el interior de las tuberías. En [21] se menciona que la mayoría de los trabajos dedicados a escaneos 3D a través de endoscopios han sido enfocados a patentes, el método de calibración de la cámara descrito es similar a nuestro trabajo, incluso la manera de comprobar la exactitud del sistema, ya que sigue la ideología de nuestro trabajo usando piezas de referencia. En [22] se utiliza un videoscopio y un escáner láser para realizar los escaneos 3D, la manera de comprobar la exactitud es con piezas de referencia y su trabajo está enfocado al área médica.

De acuerdo con [23], existen pocas publicaciones que describen el escaneo 3D de piezas huecas a partir de imágenes adquiridas con fibroscopios monoculares. Los trabajos [26] y [27], al igual que nosotros, utilizan un fibroscopio y escanean en 2D secciones transversales que luego posicionan mediante otro sistema. Sin embargo, [26] y [27] se basan en un enfoque de iluminación activa utilizando un espejo cónico para proyectar un rayo láser en forma de anillo sobre la superficie interior de la tráquea con el _n de encontrar estenosis. En el trabajo de [10] al igual que nosotros, proyectan un haz de luz para resaltar la superficie a medir, para ello utilizan un galvanómetro con el fin de resaltar diferentes zonas en el interior del órgano. Este trabajo encuentra también la relación angular entre la cámara y el láser con el _n de calcular coordenadas 3D. Para lograr el escaneo 3D, [16], proyecta un láser de color verde con el fin de triangular haciendo uso del láser y la cámara. [19] desarrolló su propio escáner endoscópico, su trabajo al igual que el nuestro proyecta uno o más anillos en el interior a escanear, con dichos anillos y una lente catadióptrica conectada a la cámara puede capturar puntos en 3D. En [23] el escaneo 3D es a partir de la extracción de puntos característicos de las imágenes y al igual que en este trabajo filtran las estructuras de panal de abeja para mejorar la calibración de la cámara y los escaneos 3D. [24] desarrollaron un sistema para inspeccionar barrenos que utiliza un endoscopio rígido y un proyector láser que proyecta un patrón circular. El sistema es guiado por un brazo robótico e inspecciona diámetros de barrenos entre 4 mm y 50 mm con una profundidad de 100 mm. [25] presentan una técnica conocida como Tomografía de Coherencia Óptica (OCT) para el escaneo 3D, también utilizaron un espejo cónico para la iluminación. Esta técnica no incluye componentes electro-mecánicos en la punta de la sonda. Dos revisiones que tratan el escaneo 3D utilizando endoscopios y análisis de imágenes tanto en el área médica como la industrial son presentados en [28] y [29]. Ninguna de estas revisiones presenta el diseño de un sistema de posicionamiento similar a nuestro trabajo, por lo que se puede considerar a nuestro sistema como innovador tomando en cuenta el sistema de iluminación propuesto, las metodologías para calibrar el sistema, la integración de los sensores y la forma de calcular el posicionamiento de la luz activa y evaluar los errores de medición y su incertidumbre, donde la principal aportación es el desarrollo del sistema de posicionamiento.

La Tabla 1 muestra las principales características que presenta nuestro sistema para escanear el interior de piezas comparado con otros sistemas. Los artículos presentados en esta tabla utilizan luz estructurada con uno o varios planos, o proyectan luz con formas conocidas. Los trabajos que no usan luz estructurada, [23], detectan características en la imagen que son seguidas mientras el sistema de visión calibrado se desplaza de manera controlada, usando el método de factorización las características seguidas son escaneadas tridimensionalmente. La mayoría de los trabajos usan una referencia con el propósito de transformar las unidades de pixeles a unidades métricas. Pocos son los trabajos que hacen un análisis del error y de las incertidumbres del sistema de medición.

2.2 General guidelines

Some general guidelines that should be followed in your manuscripts are:

• Avoid hyphenation at the end of a line.

• Symbols denoting vectors and matrices should be indicated in bold type. Scalar variable names should normally be expressed using italics.

• Use decimal points (not commas); use a space for thousands (10 000 and above).

• Follow internationally accepted rules and conventions. In particular use the international system of units (SI). If other quantities are mentioned, give their equivalent in SI.

2.3 Tables, figures, lists and equations

Please insert tables as editable text and not as images. Tables should be placed next to the relevant text in the article. Number tables consecutively in accordance with their appearance in the text (table 1, table 2, etc.) and place any table notes below the table body. Be sparing in the use of tables and ensure that the data presented in them do not duplicate results described elsewhere in the article.

Thickness	3.175 mm
Young Modulus	12.74 MPa
Poisson coefficient	0.25
Density	1107 kg/m3

Table 1: Material properties

Graphics may be inserted directly in the document and positioned as they should appear in the final manuscript.

Figure 1. Scipedia logo.

Number the figures according to their sequence in the text (figure 1, figure 2, etc.). Ensure that each illustration has a caption. A caption should comprise a brief title. Keep text in the illustrations themselves to a minimum but explain all symbols and abbreviations used. Try to keep the resolution of the figures to a minimum of 300 dpi. If a finer resolution is required, the figure can be inserted as supplementary material

For tabular summations that do not deserve to be presented as a table, lists are often used. Lists may be either numbered or bulleted. Below you see examples of both.

1. The first entry in this list

2. The second entry

2.1. A subentry

3. The last entry

• A bulleted list item

• Another one

You may choose to number equations for easy referencing. In that case they must be numbered consecutively with Arabic numerals in parentheses on the right hand side of the page. Below is an example of formulae that should be referenced as eq. (1).

${\nabla }^{2}\phi =0$

(1)

2.4 Supplementary material

Supplementary material can be inserted to support and enhance your article. This includes video material, animation sequences, background datasets, computational models, sound clips and more. In order to ensure that your material is directly usable, please provide the files with a preferred maximum size of 50 MB. Please supply a concise and descriptive caption for each file.

3 Bibliography

Citations in text will follow a citation-sequence system (i.e. sources are numbered by order of reference so that the first reference cited in the document is [1], the second [2], and so on) with the number of the reference in square brackets. Once a source has been cited, the same number is used in all subsequent references. If the numbers are not in a continuous sequence, use commas (with no spaces) between numbers. If you have more than two numbers in a continuous sequence, use the first and last number of the sequence joined by a hyphen (e.g. [1, 3] or [2-4]).

You should ensure that all references are cited in the text and that the reference list. References should preferably refer to documents published in Scipedia. Unpublished results should not be included in the reference list, but can be mentioned in the text. The reference data must be updated once publication is ready. Complete bibliographic information for all cited references must be given following the standards in the field (IEEE and ISO 690 standards are recommended). If possible, a hyperlink to the referenced publication should be given. See examples for Scipedia’s articles [1], other publication articles [2], books [3], book chapter [4], conference proceedings [5], and online documents [6], shown in references section below.

4 Acknowledgments

Acknowledgments should be inserted at the end of the document, before the references section.

5 References

[1] Author, A. and Author, B. (Year) Title of the article. Title of the Publication. Article code. Available: http://www.scipedia.com/ucode.

[2] Author, A. and Author, B. (Year) Title of the article. Title of the Publication. Volume number, first page-last page.

[3] Author, C. (Year). Title of work: Subtitle (edition.). Volume(s). Place of publication: Publisher.

[4] Author of Part, D. (Year). Title of chapter or part. In A. Editor & B. Editor (Eds.), Title: Subtitle of book (edition, inclusive page numbers). Place of publication: Publisher.

[5] Author, E. (Year, Month date). Title of the article. In A. Editor, B. Editor, and C. Editor. Title of published proceedings. Paper presented at title of conference, Volume number, first page-last page. Place of publication.

[6] Institution or author. Title of the document. Year. [Online] (Date consulted: day, month and year). Available: http://www.scipedia.com/document.pdf. [Accessed day, month and year].