Aplikace osvětlovacího modelu v systému plánování pozic senzoru

Application of a reflectance model to the sensor planning system

conference paper

en

This study describes a new sensor planning system for the automatic generation of scanning positions based on a computer model of the part for digitization of sheet metal parts. The focus of this paper is in the application of a reflectance model into this sensor planning system. Optical 3D scanners and industrial robots are used more often for inspection of sheet metal parts in serial-line production. Measuring positions for accurate and fast digitization of a part need to be prepared as the manufacturing of the new part begins. Planning of such positions is usually done manually by positioning of the industrial robot and saving the positions. The planning of positions proposed by this system is done automatically. A methodology of sensor planning consists of positions planning, their simulation for true visibility of the part elements using a reflectance model, and a simulation of the positions for robot reachability. The entire methodology is implemented as a plug-in for the Rhinoceros software. This study is focused on digitization of sheet metal parts that are characterized by specular surfaces. The system is designed for and tested with a stereo camera fringe projection 3D scanner, ATOS Triple Scan (GOM GmbH). Compared to previous studies in the field of automated sensor planning, this study adds in the simulation phase the use of a reflectance model. The Nayar model is used as a reflectance model. This model uses three components of reflection: diffuse, specular lobe and specular spike. This paper describes the experimental determination of the Nayar model parameters and also determination of limit gray values (from scanner camera images) for correct decoding of fringes and thus correct scanning of a sheet metal (steel) part. For each sensor position an exposure time for scanning is determined based on simulation. Results of the scanning that were obtained using an ATOS Triple Scan 3D scanner and a KUKA KR 60 HA industrial robot were compared to the simulation. The comparison based on the correspondence of the polygons area acquired in each sensor position (in simulation and in scanning) shows that in the performed measurements the median of differences between simulation and scanning is around 16%.

Tato studie popisuje nový systém plánování pozic pro automatický návrh skenovacích pozic založených na počítačovém modelu dílu pro digitalizaci plechových dílů. Zaměření tohoto článku je na aplikaci osvětlovacího modelu do systému plánování pozic. Optické 3D skenery a průmyslové roboty jsou stále častěji používány pro inspekci plechových dílů v sériové výrobě. Měřicí pozice pro přesnou a rychlou digitalizaci dílu musí být připraveny s jeho začátkem výroby. Příprava takových pozic je většinou prováděna manuálně pozicováním průmyslového robota a ukládáním těchto pozic. Příprava pozic navržená v tomto systému je řešena automaticky. Metodika přípravy pozic senzoru sestává ze samotné přípravy pozic, z jejich simulace na skutečnou viditelnost měřeného dílu s využitím osvětlovacího modelu a ze simulace dostupnosti robota. Celá metodika je implementována jako plugin pro software Rhinoceros. Tato studie je zaměřena na digitalizaci plechových dílů, které jsou charakterizovány lesklými povrchy. Celý systém je navržen a testován s dvoukamerovým 3D skenerem s proužkovou projekcí, ATOS Triple Scan (GOM GmbH). Oproti předchozím studiím v oblasti automatizovaného návrhu pozic přidává tato studie do fáze simulace použití osvětlovacího modelu. Jako osvětlovací model je použit Nayarův osvětlovací model. Tento model využívá tří komponent odlesku: difuzní, lesklý lalok a lesklý hrot. Tento článek popisuje experimentální určení parametrů Nayarova modelu a také stanovení limitních hodnot šedé (ze snímků kamer 3D skeneru) pro korektní dekódování proužků a tedy korektní skenování plechového (ocelového) dílu. Pro každou pozici skeneru je také na základě simulace stanoven expoziční čas skenování. Výsledky skenování, které byly získány pomocí 3D skeneru ATOS Triple Scan a průmyslového robotu KUKA KR 60 HA, byly porovnány se simulací. Porovnání, založené na shodě plochy polygonů, které byly zaznamenány v jednotlivých pozicích skeneru (v simulaci a ve skenování), ukazuje, že v provedených měřeních je medián rozdílu mezi simulací a skenováním okolo 16%.

This study describes a new sensor planning system for the automatic generation of scanning positions based on a computer model of the part for digitization of sheet metal parts. The focus of this paper is in the application of a reflectance model into this sensor planning system. Optical 3D scanners and industrial robots are used more often for inspection of sheet metal parts in serial-line production. Measuring positions for accurate and fast digitization of a part need to be prepared as the manufacturing of the new part begins. Planning of such positions is usually done manually by positioning of the industrial robot and saving the positions. The planning of positions proposed by this system is done automatically. A methodology of sensor planning consists of positions planning, their simulation for true visibility of the part elements using a reflectance model, and a simulation of the positions for robot reachability. The entire methodology is implemented as a plug-in for the Rhinoceros software. This study is focused on digitization of sheet metal parts that are characterized by specular surfaces. The system is designed for and tested with a stereo camera fringe projection 3D scanner, ATOS Triple Scan (GOM GmbH). Compared to previous studies in the field of automated sensor planning, this study adds in the simulation phase the use of a reflectance model. The Nayar model is used as a reflectance model. This model uses three components of reflection: diffuse, specular lobe and specular spike. This paper describes the experimental determination of the Nayar model parameters and also determination of limit gray values (from scanner camera images) for correct decoding of fringes and thus correct scanning of a sheet metal (steel) part. For each sensor position an exposure time for scanning is determined based on simulation. Results of the scanning that were obtained using an ATOS Triple Scan 3D scanner and a KUKA KR 60 HA industrial robot were compared to the simulation. The comparison based on the correspondence of the polygons area acquired in each sensor position (in simulation and in scanning) shows that in the performed measurements the median of differences between simulation and scanning is around 16%.

plánování pozic senzoru, 3D skenování, automatizace, osvětlovací model, plechové díly, automobilní průmysl, proužková projekce, průmyslový robot

sensor planning, 3D scanning, automation, reflectance model, sheet metal parts, automotive industry, fringe projection, industrial robot

2015

24.06.2015

SPIE

Munich, Germany

9781628416909

0277-786X

PROCEEDINGS OF SPIE - Automated Visual Inspection and Machine Vision

9530

953005-1–953005-13

13