Измерительный проектор (упрощ)

Здравствуйте!
Реализовал на коленках прототип https://docs.google.com/document/d/14gijbwUN-qo-uyDz_BTuxhSgBGZDOsByBWLGjh1W_MI/edit?usp=sharing измерительного проектора невысокой точности, но при планировании перехода в мелкую серию столкнулся с некоторыми вопросами, разрешить которые могли бы мне помочь уважаемые гуру этого форума. Понимаю, что немного не в тему, но общего тоже очень много. К тому же реальная помощь может вылиться в реальную оплату с моей стороны.
Все подробности доступны по ссылке, здесь же пока модератор не осадит, изложу кратко:

1. Суть прибора: создаем тень от детали на предметном столе 200х150 мм, пытаясь приблизить её к прямоугольной проекции, фотографируем результат, распознаем результат и вычисляем дефекты детали (последнее делается программно, вне прибора и вне этой темы).
2. Проблемы: габариты конструкции, неравномерность засветки экрана, непараллельность светового потока от источника света. Кроме габаритов остальное в прототипе кое-как решено (программно).

Прототип без кожухов



Фото результата

от: sulimova08

неравномерность засветки экрана, непараллельность светового потока от источника света.

гуглите "параболическое зеркало свойства" и будет вам щастье!!

[quot]неравномерность засветки экрана, непараллельность светового потока от источника света[/quot]может решить применение форматной пленочной линзы Френеля между компактным источником света и матовым экраном.

Далее, очень хорошей равномерностью и регулируемой яркостью обладают современные LCD-мониторы, которые можно применить как плоский источник света. Наверное, только потребуется защитить монитор матовым полупрозрачным стеклом.

Ещё можно подумать о применении такой схемы, как графопроектор, overhead projector, где уже есть всё для равномерной освещенности просветного экрана. И увеличение высоты зеркала с объективом и дистанции до проецируемого изображения увеличит точность измерений.

от:impulsite.ru
может решить применение форматной пленочной линзы Френеля между компактным источником света и матовым экраном.

Подробнее

Надо пояснить: линза Френеля и источник света находятся ПОД предметным столиком. Камера - сверху. Когда источник света находится в фокусе линзы, то из неё свет выходит параллельным пучком, как в коллиматоре.

Т.е. камера фиксирует силуэты деталей на равномерном белом фоне. Чем больше расстояние между камерой и деталями, тем меньше перспективные искажения контуров деталей, имеющих заметную толщину/высоту над предметным столиком.
Можно использовать зеркало под углом 45° НАД предметным столиком , как в графопроекторе, чтобы уменьшить высоту установки и для удобства пользования камерой.

оптическая схема графопроектора

Ещё пригодна для проекции непрозрачных деталей оптическая схема эпидиаскопа.

Лабораторная работа №1. Статическая проекция. Эпипроекторы, диапроекторы, графопроекторы: http://www.СТУДФИЛЕС.ru/preview/2378323/ - замените СТУДФИЛЕС латинскими буквами: studfiles

от: Qazar
гуглите "параболическое зеркало свойства" и будет вам щастье!!

Ув. Qazar, спасибо за ответ! К сожалению, форум убил мою ссылку на подробности, поэтому восстанавливаю её https://docs.google.com/document/d/14gijbwUN-qo-uyDz_BTuxhSgBGZDOsByBWLGjh1W_MI/edit?usp=sharing и суть повторю здесь.

Порекомендованного вами щастья я немного уже пытался добыть.

Зеркало, которое даст такую (Д 200мм) площадь засветки, стоит дорого (говорю со слов инженера из магазина Интеллект-Фото) и не запараллелит все лучи от источника (только отраженные от него, а остальные придется отсеивать, что тоже недешево).




Я пытался использовать вместо него большой студийный рефлектор, но размеры в высоту вышли почти те же, а параллельности прибавилось мало. И даже соты больше помех внесли, чем помощи.

Ув. impulsite.ru, спасибо за ваш ответ.
Он потребует от меня некоторых размышлений и экспериментов, но есть ощущение, что Вы таки направили меня по правильному пути. Если смогу получить более толковый результат, чем есть сейчас, то, как я и обещал, будет не только спасибо ;) .

По поводу матрицы LCD - был у меня такой эксперимент:



Видно, что если камера снимает не проекцию, а деталь, то плоский источник света не откажется в некоторых местах и саму деталь слегка подсветить (а если деталь бликовать умеет, то и вовсе кошмар). Это сильно не понравится алгоритму, который потом будет бинаризовать изображение. А следующему алгоритму (анализ и сопоставление контуров) дико не понравится дуга слева, выпуклость которой зависит от того, куда именно относительно камеры оператор поместит деталь. Конечно, камеру можно многомегапиксельную применить и унести высоко наверх, но мы сейчас как раз за габариты боремся.

Может, можно для засветки приспособить систему планшетного сканера с дополнительными сотами на лампе? Яркий равномерный источник с почти параллельным пучком в одной плоскости. Очевидные потери только в скорости получения снимка.

мда, задачка еще та...
насчет параболы- вам не нужно дорогое оптическое зеркало от телескопа, достаточно будет хорошей фольги вдавленной в параболическую форму (деревяшку можно выбрать на станке ЧПУ). источник той же фольгой экранируется с любой стороны...
студийный рефлектор, думается мне, не совсем парабола, очень жесткие тени на морде тоже мало кому нужны.
ну и линзу френеля попробовать можно.
и тут еще спросите:
http://www.astronomy.ru/forum/index.php/board,7.0.html

от: sulimova08
плоский источник света не откажется в некоторых местах и саму деталь слегка подсветить (а если деталь бликовать умеет, то и вовсе кошмар).

замечание верное. Предложенное решение - традиционное и потому имеет недостатки. Возвращаясь к вашему способу освещения, могу предложить применение односторонних (это чтобы не было двоения контуров предметов) зеркал для уменьшения габарита осветителя в три раза:





Правда, "горячее" пятно по центру изображения останется и прочие недостатки, уже перечисленные вами.

Если на фото https://39c2ae838419359b76773d3957f38cf545fc7e16.googledrive.com/host/0B5iuPoZru3l7Y1l1amxOWUlzRm8/20151027_075522.jpg
высота источника света допустимая, то 2 зеркала позволят в три раза увеличить дистанцию освещения (оптическое расстояние между осветителем и предметами) при сохранении приемлемых габаритов установки. Это уменьшит искажения контуров деталей, хорошо видимых на фото https://39c2ae838419359b76773d3957f38cf545fc7e16.googledrive.com/host/0B5iuPoZru3l7Y1l1amxOWUlzRm8/DSC_0015.JPG
Т.е. чем дальше точечный источник света от предметного столика, тем тень предмета ближе к её реальным/чертёжным размерам.
Также это должно увеличить диаметр "горячего пятна" которое вы замечали на фотографиях, когда центр ярче, чем периферия столика. Увеличение оптического расстояния, при некоторых условиях может помочь программным способом скорректировать неравномерность белого поля картинки. Примерно так, как корректируется виньетирование в фотошопе. В вашей задаче нужно только на изображение налагать слой, компенсирующий фоновую яркость предметного столика.
Или же можно непосредственно над или под предметным столиком, положить нейтральный "центральный светофильтр", "Center Filter", который имеет распределение плотности от центра к краям обратно распределению яркости светового поля. Такой "центральный светофильтр" при пустяшной стоимости изготовления может сэкономить время машинной обработки изображений.
Инверсную (т.е. в негативе) картинку белого поля предметного столика распечатать на прозрачной плёнке - один из множества способов получения центрального фильтра с учетом всех неравномерностей яркости предметного столика. На рисунке выше пример таких центральных фильтров.

PS: некоторые фотокамеры имеют опцию "вычитания пыли" на матрице. Сначала делается снимок пыли, для этого камера нацеливается на белый равномерный фон. Затем при включенной опции этот снимок автоматически применяется ко всем снимкам. В вашем случае снимком пыли может служить снимок предметного столика с "горячим" пятном. Не уверен, что это сработает на 100%, но как возможный вариант надо рассмотреть и проверить.

от: sulimova08
дико не понравится дуга слева, выпуклость которой зависит от того...

От этого не застрахована и первая схема осветителя. С той лишь разницей, что в втором случае это дуга контура детали, а в первом - дуга тени детали.

Ещё одно решение может уменьшить геометрические искажения. Это применение 2, 4 или 6 точечных источников света по вашей изначальной схеме НАД предметным столиком и последовательная экспозиция с первого по 2-й или 4-й (или по 6-й) источник света с получением 2, 4 или 6 картинок и последующей их сшивкой программно.
Такой способ не исключает применение программных центральных светофильтров для каждого точечного источника света.
На каком количестве источников света остановиться - зависит от требуемой точности измерения ваших изделий и требует просчитывания затрат и возможностей по каждому варианту.

от:DanGog
Может, можно для засветки приспособить систему планшетного сканера с дополнительными сотами на лампе? Яркий равномерный источник с почти параллельным пучком в одной плоскости. Очевидные потери только в скорости получения снимка.

Подробнее

Пробовал планшетный сканер, но без сот. Вы полностью правы, только не упомянули проблемы глубины и бликов. Глубины сканирования едва хватает на самую крупную деталь, а вот блики от деталей настолько непредсказуемы, что никакие манипуляции с экраном (белый, черный, нет экрана) не приводят к устойчивому распознаванию контура. Ситуацию с бестеневой съёмкой дополнительно ухудшает тот факт, что на детали может быть надпись, сделанная маркером или наклейка от производителя.

Требования по скорости у проекта тоже имеются: до 1 секунды на распознавание(текущий стенд даже с применением телефона вместо ПК дает 5 распознаваний в секунду), что с дешевыми сканерами (одна только съёмка от 3 сек) недостижимо.

Итого у меня получается следующий план:
1. Френель. Заказал (заменить ae на сами знаете что) http://ru.ae.com/item/200-170mmF150mm-diy-projector-fresnel-lens-optical-lens/1710680584.html (цена за доставку кусается, но заказчик не против), через неделю надену перчатки и буду пробовать. Фокус 150 мм меня устраивает, да и питч невелик.
2. Если 1 вариант даст несовместимые с жизнью искажения, начинается эпоха Плоских (и не очень) Зеркал, Светофильтров и Юстировщиков.
3. Весы (взвешивать деталь), многокадрие, программные алгоритмы светофильтации (которых нет у веб-камеры) оставим пока в кустах. Перерыл почти весь интернет, но так и не нашел фотоматрицу размером А5 и зерном около миллиметра, видимо нет спроса на них.

Тыц.

Ещё один вариант уменьшения габаритов и улучшения яркости фонового освещения, надеюсь, идея понятна из рисунка.

Светодиод светит через полупрозрачное зеркало (в качестве которого может и обычное стекло послужить). Свет падает на детали, лежащие на прозрачном предметном столике, и падает на световозвращающий экран позади деталей, отражается и полупрозрачным зеркалом направляется в сторону камеры. При условии равенства оптических расстояния между точечным осветителем (проектором) - детали и расстояния "детали - камера" получается бестеневое изображение. Если камера чуть дальше, чем проектор, то камера будет видеть контур тени вокруг деталей. Это можно использовать для съемки и измерений. Во всех случаях световозвращающий экран дает значительно большую яркость фона, чем яркость деталей, что позволяет отфильтровать изображения предметов от фона.




такая схема освещения применялась в системах фронтпроекции для комбинированных фото и киносъёмок под названием "Nordic".
Главное в этой оптической схеме - это световозвращающий экран. Сейчас это может быть покрытие из световозвращающей краски, используемой для дорожных знаков или световозвращающая пленка. За счёт световозвращателя и большой яркости фона можно получить силуэтное изображение деталей.
А неизбежные блики на боковых поверхностях предметов хорошо давятся поляризационными светофильтрами.

от: sulimova08
Пробовал планшетный сканер...

Я имел виду такую систему: лампа от сканера с сотами для параллельности пучка света подсвечиает снизу прозрачный столик, на котором лежит предмет. Над предметом расположен полупрозрачный экран, проекцию на который сверху снимает фотокамера. Длительность выдержки такая, чтобы лампа успела проехать от края до края столика, засветив параллельным пучком света всю предметную зону. Поскольку между экраном и фотокамерой класть ничего не надо, эту зону можно полностью затенить. Геометрические искажения будут зависеть от степени параллельности пучка света, то есть от размеров сотовой насадки на лампу.

Другой вариант подсветки.
Источник - диод от лазерного уровня с цилиндрической линзой, дает расходящийся широким углом и при этом очень узкий пучок света практически от точечного источника. Если в плоскости пучка поставить узкую и длинную выпуклую линзу, вроде тех, что в классических лазерных принтерах, и расположить лазер в ее фокусе, можно получить параллельный пучок лазерного луча шириной, равной ширине линзы. Наверное, подходящую линзу необходимой длины и фокусного расстояния можно изготовить из листового оргстекла толщиной несколько миллиметров. Перемещающаяся каретка с таким излучателем даст возможность получить тень от предмета с минимумом геометрических искажений. Но, опять же, не одномоментно, а в результате сканирования.

Идея со световозвратом хороша, но до тех пор, пока на детали не окажется наклейки с теми же свойствами, что и экран. Сдается мне, аппаратные фильтры не помогут избавиться от "дырки" в детали. Если только высокоточный дальномер в стенд не добавить :D . Но тогда стоимость конструкции приблизится к оригиналу (не упрощ.).

Сканер пока оставим. Слишком лабораторно получается. У нас есть только секунда. Даже если время на сканирование уложилось бы в нее, то доп. позиционирование экрана над деталью + время на успокоение конструкции отнимет еще несколько секунд.
Лазерное сканирование не требует расположения экрана сверху и при мозговом штурме рассматривалось, но опять же механика: длительное время + излишняя сложность + недолговечность конструкции.

Пока что уповаю на линзы. Обычные лупы, что привезены в Россию, как-то пугают сильнее али - непонятно, какой у них фокус (может те же 300+ мм, а хочется ведь без зеркал) и питч. Как придут - отпишусь, что из этого вышло.

от: sulimova08
Идея со световозвратом хороша, но до тех пор, пока на детали не окажется наклейки с теми же свойствами, что и экран.

Предупреждать надо! (с).
Думаю, обучить оператора класть деталь с наклейкой на другую сторону, чтобы не отсвечивала, проще, чем дрессировать медведя кататься на велосипеде.

Предупреждаю :-)
Деталь непрозрачная, но это максимум, что можно добиться от заказчика.
Никто не гарантирует бОльшего (например, наличие наклейки сразу со всех сторон вполне вероятно).

Да хороший приборчик получился, медицинский еще бы прибор придумали, чтобы человеческие рецепторы увеличить, да и многие заболевания излечивать

Может сделать многоточечный источник света из светодиодов с малым углом и ещё соты мелкие перед ними поставить