Sistema automatico di acquisizione e modellazione 3D a basso costo

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1 Sistema automatico di acquisizione e modellazione 3D a basso costo Titolo progetto Unità di Brescia Sviluppo, realizzazione e caratterizzazione metrologica di digitalizzatore a basso costo basato su proiezione di singolo pattern a frange di luce non coerente. Responsabile Scientifico UdR: Prof. Giovanna Sansoni Oggetto: Report di attività di acquisizione dati da rendere disponibili ai partner di progetto, come concordato nella riunione di chiusura della FASE 4, del 7 Luglio 2005 Data di stesura: 31 Agosto 2005 Estensore: Ing. Marco Trebeschi - 1 -

2 1. Introduzione In questo documento vengono presentate (i) la procedura sperimentale seguita per acquisire le nuvole di punti dell oggetto presentato in Figura 1, che è stato scelto come target di misura del sensore sviluppato dall UdR di Brescia, e come benchmark per i partner di progetto e (ii) l organizzazione dei dati di misura. Figura 1: Oggetto scelto come target di misura e benchmark per i partner (240mm X150mm X160mm (alt X larg X prof)

3 2. La procedura di acquisizione Per l acquisizione delle viste della testa del manichino abbiamo configurato il sistema di misura utilizzando il Set-up 1 descritto all interno del report di attività di Fase 4, e mostrato in Figura 2; i parametri geometrici di tale Set-up sono i seguenti: stand-off L=850 mm; base-line d=240 mm; field of view: FW=220 mm, FH=200 mm; z range: 40mm. Figura 2 - Il sistema di acquisizione. Il dispositivo è stato calibrato servendosi della procedura descritta nella relazione conclusiva del I anno di attività che, nel caso della telecamera, tiene conto delle distorsioni radiale e tangenziali e richiede la stima di 16 parametri, mentre per il proiettore si basa su una versione semplificata del modello pinhole, che necessita della stima di 7 parametri. I risultati ottenuti dalla procedure di calibrazione relativa al set-up considerato sono riportati in Figura 3 per la telecamera e in Figura 4 per il proiettore

4 Figura 3 - Parametri del modello della telecamera. Figura 4 - Parametri del modello del proiettore

5 Una volta calibrato lo strumento, si è proceduto con l acquisizione di 13 diverse viste, la cui unione permette di ottenere l intera superficie della testa. In particolare si mostra in Figura 5 una fase dell acquisizione della vista B da parte dello strumento. Tale numero di viste ci sembra che sia un buon compromesso tra l esigenza, da un lato, di ottenere una copertura completa della testa minimizzando il numero di viste (e quindi la mole di dati da elaborare) e la necessità, dall altro lato, di disporre di un sufficiente margine di sovrapposizione tra viste adiacenti per semplificare la fase di allineamento delle nuvole di punti. Figura 5 Acquisizione della vista B. Le viste sono state identificate con le lettere maiuscole dell alfabeto dalla A alla O. Per ciascuna vista riportiamo di seguito, dalla Figura 6 alla Figura 18, l immagine ripresa dalla telecamera e la corrispondente nuvola di punti. Si noti che le prime 8 viste (dalla A alla H) compiono un giro completo attorno alla testa, coprendo un range che va all incirca dal mento fino a metà della fronte. L acquisizione delle ultime 5 viste (dalla I alla O) ha quindi avuto sostanzialmente lo scopo di chiudere i buchi rimanenti, ossia la gola e la calotta cranica

6 UNIVERSITA' DI BRESCIA - FACOLTA' DI INGEGNERIA Figura 6 Vista A. Figura 7 Vista B. Figura 8 Vista C. -6-

7 UNIVERSITA' DI BRESCIA - FACOLTA' DI INGEGNERIA Figura 9 Vista D. Figura 10 - Vista E. Figura 11 - Vista F. -7-

8 UNIVERSITA' DI BRESCIA - FACOLTA' DI INGEGNERIA Figura 12 - Vista G. Figura 13 - Vista H. Figura 14 - Vista I. -8-

9 UNIVERSITA' DI BRESCIA - FACOLTA' DI INGEGNERIA Figura 15 - Vista L. Figura 16 - Vista M. Figura 17 - Vista N. -9-

10 Figura 18 - Vista O. Le viste hanno successivamente subito un editing molto ridotto, volto, specialmente nelle nuvole di punti dalla I alla O, ad eliminare le porzioni ridondanti nelle zone di sovrapposizione, avendo comunque cura di mantenere un margine di sovrapposizione sufficiente per giungere ad un corretto allineamento. Per completezza vengono comunque forniti ambedue i set di dati, la cui organizzazione viene mostrata in Figura 19 e in Figura 20. Figura 19 - Organizzazione dei dati non editati

11 Figura 20 - Organizzazione dei dati editati. Ogni riga di un file.rot è costituita da sei colonne, delimitate da spazi, e rappresenta le informazioni di posizione (x, y, z) e di colore (RGB) di un singolo punto misurato secondo il seguente schema: x y z R G B. I file.rot sono in formato ASCII e sono visualizzabili con qualsiasi editor di testo (Blocco Note, Crimson Editor, )

12 3. La procedura di allineamento Al solo scopo di verificare la qualità dei dati acquisiti e la loro consistenza agli effetti dell allineamento, abbiamo eseguito l intera procedura di registrazione utilizzando il tool IMAlign presente nell ambiente software PolyWorks. A tal fine, sulla superficie dell oggetto sono stati disegnati dei marker, visibili nelle figure precenti. Tale controllo è stato eseguito solo sulle nuvole di punti contenute nel direttorio Dati_Editati. La vista A è stata scelta come vista di riferimento ed è stata bloccata (locked), ossia si è imposto al software di non modificare la sua matrice di rototraslazione. A questo punto si è proceduto allineando manualmente, una alla volta, ciascuna delle rimanenti nuvole di punti mediante la procedura Align N Point Pairs fornita da IMAlign: essa computa la trasformazione di allineamento a partire da almeno tre coppie di punti messe in corrispondenza tra la vista da allineare e la vista o le viste di riferimento. La selezione di tali coppie di punti corrispondenti viene effettuata interattivamente dall utente: il software infatti suddivide la finestra di rendering 3D in due porzioni, mostrando nell area di destra la vista da allineare e nell area di sinistra tutte le altre nuvole di punti visibili; cliccando alternativamente nella parte di sinistra e in quella di destra della finestra l utente può, a questo punto, mettere in corrispondenza tre o più coppie di punti. Riportiamo di seguito, dalla Figura 21 alla Figura 32, tutte le fasi di questa prima procedura di allineamento manuale; in ogni immagine è riprodotta la schermata di allineamento interattivo visualizzata da IMAlign e sono visibili le coppie di punti corrispondenti da noi selezionate

13 Figura 21 Allineamento della vista B con la vista A. Figura 22 Allineamento della vista C con la vista B

14 Figura 23 Allineamento della vista D con la vista C. Figura 24 Allineamento della vista E con la vista D

15 Figura 25 Allineamento della vista F con la vista E. Figura 26 Allineamento della vista G con la vista F

16 Figura 27 Allineamento della vista H con le viste G e A. Figura 28 Allineamento della vista I con la vista A

17 Figura 29 Allineamento della vista L con la vista E. Figura 30 Allineamento della vista M con la vista A

18 Figura 31 Allineamento della vista N con le viste C e L. Figura 32 Allineamento della vista O con le viste G e M

19 A questo punto è stato possibile applicare la procedura automatica di allineamento di IMAlign, basata su algoritmo iterativo (Figura 33). I risultati ottenuti sono riportati in Figura 34, mentre la Figura 35 mostra gli istogrammi degli errori di allineamento per le viste dalla B alla O (si ricorda che la vista A è locked). Figura 33 Parametri di ingresso per la procedura iterativa di allineamento delle viste. Figura 34 Risultati della procedura di allineamento iterativo delle viste

20 Figura 35 Istogrammi degli errori di allineamento delle immagini. La Figura 36 mostra il risultato dell allineamento ottenuto a seguito della procedura precedentemente esposta. Figura 36 Allineamento delle nuvole di punti

21 In Figura 37 viene riportata l organizzazione dei dati a valle dell allineamento: i valori contenuti nei file.rot sono quelli ottenuti a partire dai dati in Figura 20, a valle dell applicazione delle matrici di rototraslazione stimate nella fase di allineamento. Figura 37 L interfaccia di importazione dei file.rot in ambiente IMAlign di PolyWorks

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