Fotoğraf, en geniş anlamı ile 3 boyutlu dünyayı 2 boyutlu resimlere dönüştürme işlemidir. Ne yazık ki bu dönüşüm işlemini tamamiyle yapmak olası değildir. Derinlik gibi bazı bilgilerin kaybolması söz konusudur. 3 boyutlu tarama işlemi yukarıdaki dönüşüm işleminin tersi olarak düşünülebilir. 2 boyutlu fotoğraflar yardımı ile 3 boyutlu görüntü elde edilmesi işlemidir. Fotoğraflama işleminde bazı bilgilerin kaybolmasından ötürü 3 boyutlu görüntü oluşturmak için 1’den fazla çekim yapmak gereklidir. Bu şekilde daha fazla bilgi edinilerek işlem daha iyi hale getirilir. 3D optik taramada kullanılan hem fotogrametri hem de topogrametri metodları, 3 boyutlu cisimlerin 2 boyutlu fotoğraflarının çekilmesi ve bu fotoğrafların bilgisayar ortamında tekrar 3 boyutlu hale döndürülmesi işlemini gerçekleştirir.

3 boyutlu topogrometrik ölçüm 3. boyutta görüntü işlemede fotogrametri ve stereometri kadar iyi bir yöntemdir. Tüm teknikler optik üçgenleme (optical triangulation) prensibini temel alır. Kelime anlamı belli sayıda noktanın konumunu kesin olarak tespit edebilmek için, bu noktaları tepe olarak kabul ederek bir alanı üçgenlere bölme işi olan “triangulation” tüm 3 boyutlu ölçme/tarama tekniklerinin kullandığı yöntemdir. Çok çeşitli uygulama alanları olan üçgenleme prensibi haritacılıktan GPS ile konum belirlemeye kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Bu prensiple, matematiksel olarak uzayda kesişen doğruların yardımı ile noktanın bulunduğu yer hassas olarak elde edilir.

3D taramada, cisim, bir veya daha fazla kamera ile 2 boyutta taranır. Sonra 3 boyutlu koordinat sistemine aktarılır. Bilgisayar yardımı ile cismin referansları veya yüzeylerinin ve formlarının nokta bulutu şeklinde ölçümlendirilmesi mümkündür. Optik ölçüm (metrology) aktif ve pasif metodlar olmak üzere farklılık gösterir.

Aktif metodlar

Optik üçgenleme (Optical Triangulation): Bir lazer pointer ve optik dedektör üçgensel bir yapıda düzenlenir, sonuç olarak üçgensel dayanak noktası olarak adlandırılan, üzerine lazerle ışık düşürülen noktanın uzaklığı dedektör tarafından belirlenir. (Şekil 1.a)

Işık kesiti (light section) teknikleri:Işık kesiti tekniği, optik üçgenlemenin geliştirilmiş halidir. Bu teknikte cismin üzerine düşürülen bir çizgi ve optik dedektör yardımı ile cismin 3 boyutlu profili düzlemde elde edilir. (Şekil 1.b)

Fringe izdüşümü (fringe projection) teknikleri:Fringe izdüşümü tekniği ışık kesiti tekniğinin gelişmiş halidir. Bu yöntemde ışık kesitleri cismin yüzeyine düşürülerek ve bir ya da daha fazla kamera yardımı ile bilgisayar ortamına aktarılarak 3 boyutlu yüzey bilgisi elde edilir. (Şekil 1.c)

Pasif metodlar

Stereometri: Ölçümü yapılacak olan cismin yüzeyi üzerine herhangi bir ışık kesiti (fringe) düşürülmez. Bunun yerine cismin 3 boyutlu yüzeyi, iki kameradan alınan üst üste binen görüntülerden hesaplanarak elde edilir. (Şekil 2.a)

Fotogrametri: Bu yöntemde taranan obje bir kamera ile farklı açılardan görüntülenip üzerindeki indexmark’lar yardımı ile bilgisayar ortamında 3 boyutlu nokta bulutu halinde elde edilir. (Şekil 2.b)

3 boyutlu optik ölçüm tekniklerinde topogrometrik metodun yapılı aydınlatma tekniği esnekliği ve güvenilirliği bakımından göze çarpmaktadır. Topogrometrik 3D sistemi güçlü bir ışık kaynağı ile cismin üzerine farklı dokusal özellikleri olan fringe’ler düşürür. Cismin yüzeyi üzerinde bu kodlanmış yapılı ışıklar, cismin şeklinin karakteristik özellikleri doğrultusunda deformasyona uğrar. Yüksek çözünürlükteki bir kamera sistemi ile bu deformasyon bilgileri alınır. Bu kamera sistemi projeksiyon sistemi ile özel bir açı yapacak şekilde yönlendirilmiştir. Bu açıya üçgenleme (triangulation) açısı denir. Cismin üzerine düşürülen fringe’lerin deformasyon bilgileri analiz edilerek 1 milyona kadar noktanın 3D koordinatları birkaç saniye içerisinde elde edilmiş olur. (Şekil 3 a,b)

Referanslar:

Defne Mühendislik 2005 ve 20010 yılları arasında bu teknik makaleleri hem farkılı sektör dergilerinde hemde kendi web sitesinde yapınlamıştır.

Arşiv

The post 3D Optik - Lazer Taramanın Temel Prensibi first appeared on Defne Mühendislik Ürün Tasarım, Geliştirme & Geriye Dönük Mühendislik Hizmetleri.

The post 3 Boyutlu Tarama Sistemleri ve Kullanım Alanları first appeared on Defne Mühendislik Ürün Tasarım, Geliştirme & Geriye Dönük Mühendislik Hizmetleri.

Defne Mühendislik Ltd. Şti. altı yılı aşkındır ölçümlendirme, geriye dönük mühendislik ve ürün geliştirme konularında projeler yapmaktadır. 3 boyutlu ölçümlendirme sistemlerinin kullanım alanları, hassasiyetleri kapasiteleri konusunda edindiği tecrübeler sonucunda çok küçük ve çok büyük ölçekli parçalar ve detay geometrilerinin ölçüm ve methodolojisi konusunda uzmanlaşmıştır. Bu çalışma küçük ölçekli (0,01 – 0,05 mm) detayların ölçüm teknikleri ve kontrolu konusunda teknik detaylar sunmaktadır.  Günümüzde aydınlatma, savunma ve medikal sektörde bu detaylar gerek üretimin kontrolu gerekse yeni tasarımların geliştirilmesi için önemli bir aşamadır.

Optik tarama sistemlerinden olan ızgara projeksiyon yöntemi kullanan ölçüm sistemleri kamera ve projeksiyon grubundan oluşur. Bu sistemler ölçümü yapılacak olan ürünün üzerine ızgara gölgesi düşürerek sistemin üzerinde bulunan kamera veya kameralar tarafından izlenerek 2 boyutlu görüntüleri 3 boyutlu nokta bulutu datasına dönüştürürler. (Şekil 1)

2 boyutlu resimlerin 3 boyutlu ölçüm noktalarına dönüştürülmesi için faz farklı (phase difference) algoritması kullanılır. Bu algoritma keskin kenar ve kademe geçişlerinde oluşacak hataların giderilebilmesi, bu tip bölgelerin daha net alınabilmesi için farklı algoritmalar kullanarak resim işleme (image prosesing) yöntemi ile 3 boyutlu veriler oluşturulmaktadır. Yapılan matemetiksel yaklaşım gerek düz yüzeylerde gerekse kademe geçişlerinde daha düz veya keskin bir geçişi sağlamak için matemetiksel yaklaşımlar ile yuvarlatmalara neden olur. Bu yuvarlatmalar sistemlerin gürültü seviyesi olarak tamınlanan bir parametre ile tanımlanır. Gürültü seviyesi ızgara  projeksiyon ölçüm sistemlerinde 10-50 µm (0.01-0.05 mm) olarak verilmektedir. Şekil 2.

Bir ürünün 3 boyutlu datalarının bilgisayar ortamına alınabilmesi için birden fazla konumda kamera görüntüsü alınması gerekmektedir. Ürünün ölçülemeyen arkada kalan bölgelerin ve tüm özelliklerinin  alınabilmesi için görüntü sayısı 3 ila 100 arası olabilmektedir. Ölçüm için tek bir açıdan alınacak veri sistemin gerçek uygulamada vereceği değerleri yansıtmayacaktır. Alınan her bir ölçüm ve bunların birleştirilmesi oluşacak hataların birleşmesine ve birikmesine neden olmaktadır. Izgara projeksiyon sistemlerinin ölçüm ve kalibrasyon hassasiyetleri ve standartları 2002-2008 ve 2011 yıllarında çıkan VDI/VDE Guideline 2634 part1 ve 3 standartları ile tanımlanmıştır. Bu standartlarda gürültü, hassasiyet ve kalibrasyon konularında her sisteme uygulanabilecek ölçüm yöntemi ve değerlerin tanımlamaları yapılmıştır. Bu standartlarda kaç farklı açıdan nasıl ölçüm alınması gerektiği belirtilmektedir. Bu standartlardan farklı olarak sistemlerden farklı matematik algoritmaları veya ızgara düşürme yöntemleri ile daha verimli sonuçların alınabilmesi üzerine çeşitli bilimsel çalışmalar yapılmaktadır. (Referans: 1 – 2 – 3).

3 boyutlu ölçüm sistemlerinin gerçek uygulamalarda gösterdikleri performansı gerek hassasiyet gerekse detay geometrilerinin elde edilebilmesi için birkaç test çalışması yapıldı. Optik ölçüm sistemi Steinbichler firmasının COMET 5 4Mp lik sistemi kullanılmıştır. Bu sistemin yazılımında kullanıcının kontrolünde olan parametrelerin denenmesi sonucunda ürüne uygun parametreler tanımlanmıştır. Kullanılan test parçası üzerinde 10, 50 ve 100 µm (0.01, 0.05 ve 0.1 mm) lik detaylar olacak şekilde hazırlanmıştır. Şekil 3. Bu parça 3 farklı açıdan ölçümlendirilmiştir. Alınan ölçümlerin birleştirilmeleri sonucunda elde edilen nokta bulutu diüer ölçüm yöntemleri ile karşılaştırılmıştır.

Ölçüm sonucunda elde edilen nokta bulutu datası Şekil 4’de gösterilmiştir. Ölçümde 3 farklı kademe net olarak gözükmektedir. Kademelerin Detay parça ölçümü amacı ile işlem yapıldığından parça üzerinde özel bir solüsyon ile temizlenmiş üzerine herhangi boya veya başka bir işlem yapılmamıştır. birbirlerine geçiş bölgeleri tam olarak elde edilebilmiştir. Parça üzerinde fiziksel olarak yer alan 3 kademe de ölçüm sonucunda net olarak alınabilmiştir.

Şekil 4: Izgara projeksiyon yöntemi ile elde edilen nokta bulutu datası

Elde edilen data üzerinde sıfır yani referans bölgesi işaretlenerek seçilmiştir. Şekil 5

Şekil 5 : Referans bölgesi

Referans bölgesine düzlemsel bir geometri (plane) tanımlanmıştır. Tanımlanan plane in ortalama hatası 0.0003 olarak gözrülmektedir. Şekil 6
Şekil 6: referans bölge düzlem tanımlaması
Refrans düzlemden itibaren kademelerin tekil olarak ölçüm

değerleri alınmıştır. 0.01, 0.05 ve 0.1 mm lik kademelerin vermiş oldukları ölçüm değerleri ekteki Şekil 7 da görülmektedir. Alınan ölçüler referans düzleme olan uzaklıklar olup noktalar rastlantısal olarak seçilmiştir. Tekil noktların hata miktarları detaylı olarak görülebilmektedir.

Şekil 7 :  Kademelerin ölçüm sonuçları

Elde edilen ölçüm sonucunun matematiksel (CAD) model ile karşılaştırılması sonucunda bölgesel ve genel hatalar Şekil 8 de gösteilmiştir. Maksimum bölgesel hata -0.004 mm olarak 0.1 mm lik bölgede gözükmektedir. Diğer bölgelerdeki hatalar -0.002 mm ortalamasındadır.

Şekil 8:  CAD model ile karşılaştırma sonucunda elde edilen bölgesel ve genel hatalar
Bu hataların bir rapor olarak haline getirdigimizde Şekil 9 daki sonuçlar görülmektedir.

Şekil 9 : Kalite kontrol raporu

Test parçasının ölçüm sonuçlarını kontrol ve doğrulamak amacıyla farklı ölçüm sistemleri ile elde edilen değerlerin kontrolu yapılmıştır. 2 farklı sistem ile yapılan ölçümlerden birincisi optik ölçüm (video measuring) olarak tanımlanan Nikon VMA-2520 video ölçüm sistemi ile yapılmıştır. Bu sistem prensip olarak ürüne dokunmadan alınan video görüntüsünü netleştirerek mesafe ölçümü yapmaktadır. İkinci kontrol ölçüm sistemi ise CMM (koordinat ölçüm makinası) kullanılmıştır. Ürünün üzerinde dokunarak ölçümler alınmıştır. Her iki sistem de noktasal ölçüm yöntemi tercih edilmiştir. Yani ürünün referans olarak kabul edilen “sıfır” seviyesi düzlem olarak tanıtılmış kademelerin bulunduğu bölgelerden noktasal ölçüler alınmıştır. Yapılan çalışmaların resimleri Şekil 10 da görülmektedir.

Şekil 10: CMM ve video ölçüm sistemi aşamaları.

Şekil 11: Video streaming ve CMM ölçüm raporu

Farklı yöntem ve sistemler ile yapılan ölçümlerin sonuçları karşılaştırmalı olarak aşağıdaki tabloda sunulmuştur. Izgara projeksiyon sisteminin referansları Şekil 9 da belirtilen noktalardan alınmıştır. Izgara projeksiyon sistemi tüm yüzeyde örnek verdiğinden dolayı formlu yüzeylerin ölçüm ve kalite kontrolünde daha efektif  bir yöntem ve sistem olarak öne çıkmaktadır. Test parçasının düzlemsel seçilmesinin amacı diğer ölçüm yöntemleri ile kıyaslama yapabilmek içindir.

Bu çalışmanın amacı; ızgara projeksiyon yönteminde 0.01 mm lik bir detayın başlangıç ve bitiş yerinin belirlenmesi bu tip bir detay ölçünün sınırları (boundary) ile değer büyüklüğünün hassas olarak tanımlanabilmesinin ızgara projeksiyon yöntemi ile imkanlı olduğunu göstermektir. Bu tip çalışmalar medikal sektörde kullanılan protezlerin, mekanik valf sistemlerinin, aydınlatma elemanları gibi çok farklı alanlarda ürün geliştirme ve kontrolunde yoğun ihtiyaç olmaktadır. Ürünlerin özellikle formlu yüzeylerindeki 0.01 mm ve altındaki kademe ve farklar ancak ızgara projeksiyon yöntemi ile alınabilmektedir. Izgara projeksiyon sistemlerinin de mekanik ve ısısal stabilizasyonu kontrollu olan ileri teknoloji ile donatılmış sistemler bu tip bir çalışmayı başarabilmektedir. Ölçüm sistemlerinin kullanımlarındaki bu tip detaylar ancak tecrübe ve uzmanlık ile aşılabilmektedir.

Defne Mühendislik, farklı marka ve sistemlere olan hakimiyeti, birçok sektörden değişik parça tiplerinden elde ettiği tecrübeler ile uzmanlığını ölçüm methodolojisi, kalite kontrol methodları geliştirmeye devam etmektedir. Ürün tasarımı, ürün geliştirme, 3 boyutlu ölçümlendirme ve kalite kontrol konularında firmamız uzmanlıklarını geliştirmeye ve genişletmeye devam etmektedir. Defne Mühendislik müşterilerine tasarımdan üretime kadar komple çözümler vermeye devam edecektir.

Referanslar :

1-  Calibration of 3D surface profilometry using digital fringe projection; MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY; Meas. Sci. Technol. 16 (2005) 1554–1566; Liang-Chia Chen1 and Chu-Chin Liao
2- Neural network applied to reconstruction of complex objectsbased on fringe projection; Optics Communications 278 (2007) 274–278; Tangy Yan, Chen Wen-jing , Su Xian-yu, Xiang Li-qun
3- Skin topography measurement by interference fringe projection: a technical validation; Skin Research and Technohgy 2001; 7: 332-121; J. M. Lagarde, C. Rouvrais, D. Black, S. DiridoUou and Y. Gall
4- http://www.defnemuhendislik.com/teknik-makaleler/

The post Ölçüm Sistemleri Hassasiyet Testi first appeared on Defne Mühendislik Ürün Tasarım, Geliştirme & Geriye Dönük Mühendislik Hizmetleri.

Ürünler gelisen teknolojinin yardımı ile 10 yıl öncesine göre daha formlu hatlara sahip olarak
tasarlanmaktadır. Özellikle otomotiv sanayiinde dıs görünüsten iç aksamlara ve detaylara kadar
tüm parçalar CAD ortamında yüzey modelleme olarak tanımlanan formlu görünüslere sahip
olmaktadır. Günümüzde optik ölçüm teknolojisindeki gelismeler ile bu formlar kolaylıkla
ölçümlendirilebilmektedir. Otomotivdeki çamur modelden üretim ihtiyacından dogan bu 3 boyutlu tarama sistemleri ihtiyacı geriye dönük mühendislik ve kalite kontrol alanlarında sıkça kullanılmaya başlanmıstır.

3 boyutlu tarama sistemleri iki ana gruba ayrılır: dokunmalı ve dokunmasız sistemler.
Dokunmalı ya da diger adıyla prob’lu sistemler, mekanik kollu sistemler ve CMM’dir. Birkaç
eksenli mekanik kolun ucuna takılmıs bir ölçüm probu sayesinde, koordinatları istenen noktaya
dokundurulan prob ile noktanın koordinatları hassas biçimde ölçülür. Bu sistemlerle yüzey bilgisi
degil istenen belirli sayıda noktanın koordinatları elde edilebilmektedir.
Dokunmasız optik sistemlerle serbest formlu yüzey bilgisi elde edilmesi hem ürün gelistirme,
tersine mühendislik ve kalite kontrol islemleri üzerine uzmanlasmıs mühendislik ofisleri, hem de
büyük endüstri kuruluslarının tasarım ve ürün gelistirme, kalite kontrol, kalıphane vs. gibi
departmanları için önem arzetmektedir. Bu sistemlerle tüm yüzey formu çok yüksek hassasiyetle
elde edilmekte ve CAD modelin olusturulması, hızlı prototipleme ve CNC’de islenme islemlerine
hazır hale gelmektedir.
3 boyutlu tarama sistemlerinden dokunmasız sistemlerin çok çesitli tipleri ve herbirinin farklı kullanım alanları olmakla birlikte,
lazer çizgili sistemler ve yapılı ısık desenli (ızgara projeksiyonu, fringe) sistemler ya da
topogrametrik sistemler, kullanımı digerlerine göre daha yaygın olanlarıdır.
Dokunmasız optik tarama sistemlerinden lazer çizgili sistemler, cismin üzerine bir lazer kesiti
düsürülmesi ve bu kesitin cismin üzerinde hareket ettirilmesi prensibi ile çalısırlar. Ölçüm
metodu lazer kesitinin cisim üzerinde deformasyona ugraması ve bu deformasyon bilgisinin CCD
dijital kamera vasıtası ile alınması seklindedir. Portatif elle tasınan modeller oldugu gibi mekanik
kol ucuna baglananları da vardır. Ayrıca robot koluna baglanarak ölçüm otomatik hale de
getirilebilir. Bu sistemlere bir örnek Steinbichler T-SCAN olarak verilebilir. Portatif bir sistem
olmasından ötürü sayısallastırılacak ürünler kendi ortamlarında taranabilmektedir. Böylelikle
zaman alan tarama öncesi hazırlıklar saf dısı bırakılmıs olur. Deneyimsiz kisilerin bile
kullanabilecegi bu sistemle boya fırçası ile boya yapar gibi hareket ettirilerek ile tarama
yapılmakta ve tarama esnasında monitörden gerçek zamanlı olarak izlenebilmektedir. 90 mm’lik
tarama genisligi ile büyük cisimlerin taranmasına imkan tanımaktadır.

gibi istek ve sorunlara geriye
dönük mühendislik çözüm getirmektedir. Bu proseslerin çözüme kavusturulması asamasında bir
teknolojik kolaylık olarak sayısallastırma sistemleri kullanılmaktadır. Parça bu sistemler vasıtası
ile sayısallastırılmakta ve CAD modeli olusturulmaya hazır hale getirilebilmektedir.

Bu süreler degisik sistemlere göre farklılık göstermektedir. Burada verilen süre Breuckman optoTOP HE 3D
sayısallastırma sistemine ait katalog degeridir.

Tek kameralı sistem Resim 4. Çift kameralı sistem, Asimetrik yerlestirilmis çift kameralı sistem (Breuckmann STEREOSCAN)

The post 3 Boyutlu Tarama Sistemleri first appeared on Defne Mühendislik Ürün Tasarım, Geliştirme & Geriye Dönük Mühendislik Hizmetleri.