Realizzazione sistema di visione
6.1. Sistema esistente
La configurazione utilizzata finora consisteva nell’utilizzo di un proiettore e di due telecamere stereo, montate su un supporto cilindrico realizzato ad hoc che veniva bloccato su un treppiede, garantendone la libertà di movimento e adattamento all’ oggetto da scansionare (figura 6.1).
Le telecamere utilizzate sono delle ImagingSource DMK51BU02 monocromatiche ad 8 bit (256 colori) (figura 6.2), con sensore CCD e risoluzione massima pari a 1600x1200, fino a 12 fps.
Per quanto riguarda il proiettore, che funge da sorgente di luce strutturata, è stato utilizzato un proiettore DMD multimediale della DLP, di quelli commerciali e facilmente reperibili in commercio (figura 6.3).
Le telecamere sono state installate su una barra cilindrica ad una distanza di 60cm attraverso due squadrette di alluminio che danno alle telecamere due gradi di libertà. Una volta calcolati i parametri delle camere e del sistema stereo attraverso la calibrazione, non bisogna più modificare le distanze relative tra telecamere e proiettore, gli angoli e i fuochi, altrimenti andremmo a modificare i parametri di calibrazioni ottenuti.
54 Si può agire, invece, successivamente alla fase di calibrazione, sui gradi di libertà della testa del treppiede, compresa l’altezza del sistema attraverso l’estensione delle gambe per effettuare le regolazioni necessarie a far apparire nel campo delle telecamere e del proiettore l’oggetto da scansionare.
Figura 6.1: Sistema di acquisizione esistente
Figura 6.2: Telecamera sistema esistente
55
6.2. Progetto sistema HD
La volontà di sperimentare un nuovo sistema di acquisizione in alta definizione, ci ha portati a realizzare una nuova struttura dedicata che mantenesse le particolarità di elevata mobilità, piccolo ingombro e facile realizzazione di quella esistente.
Ritenendo molto valida la struttura in possesso, si è pensato di realizzarne una molto simile, con costi e tempi di progettazione e realizzazione però inferiori.
La decisione principale è stata quella di adottare come base della struttura un profilato Bosch; questo ci permette di variare la grandezza complessiva del sistema di acquisizione a piacimento.
È infatti fondamentale ottenere dalla struttura la maggiore flessibilità possibile alle regolazioni e calibrazioni necessarie, permettendo ampi range di traslazioni e inclinazioni relative degli elementi caratteristici del sistema, ovvero proiettore e telecamere.
Lo scopo di migliorare la qualità delle acquisizioni del sistema di visione esistente, ci ha portato a sostituire le telecamere e il proiettore utilizzati nel sistema attualmente in funzione con elementi più moderni e a più elevate prestazioni.
Videocamera
La videocamera utilizzata è una videocamera professionale CMOS ImagingSource DMK 23UP031 3.0 (figura 6.4a), monocromatica da 5 megapixel con una risoluzione massima di 2592x1944, con dimensione di ogni pixel pari a 2.2x2.2 𝜇𝜇𝑚𝑚2 e un frame rate massimo
di 15 fps.
Il sensore ottico è un Aptina MT9P006 da 0.4 pollici (10,16 mm) ad alta sensibilità, con la possibilità di acquisire fino a 15 immagini per secondo dato l’ottimo frame rate. Essendo la camera digitale, non sussistono rumori nell’acquisizione a causa del convertitore A/D, interfacciandosi al pc tramite un cavo USB 3.0.
L’aver scelto una telecamera con sensore CMOS invece del CCD precedente, comporta vantaggi e svantaggi che andremo ad elencare:
• Una più alta sensibilità al rumore
56 • Un più alto costo del CCD rispetto al CMOS
• Più basso consumo energetico
Proiettore
Il proiettore utilizzato come sorgente di luce strutturata è un Optoma Multimedia Projector W304M di ultima generazione, collegato tramite porta HDMI al pc di gestione del sistema (figura 6.5a).
Questo è un proiettore DMD (Digital Micromirror Device, presenta all’interno una matrice di micro specchi orientabili molto rapidamente), con risoluzione massima di 1280x800, superiore rispetto al precedente 1024x768.
La tecnologia DMD è riflessiva, cioè la luce che colpisce i micro specchi viene riflessa in modo proporzionale all’inclinazione della luce rispetto agli specchi stessi. L’inclinazione degli specchi determina le gradazioni di colore ottenibili dal proiettore.
Figura 6.4a: Videocamera ImagingSource DMK 23UP031
57 Questi proiettori utilizzano, per riprodurre un numero elevato di colori, una ruota colorata che viene attraversata dalla luce bianca, che viene divisa nei colori primari e mandata al display; il colore si forma grazie all’elevata frequenza del display che proietta ogni colore sullo schermo facendo percepire all’occhio umano la combinazione dei tre colori primari.
La luminosità e il contrasto ottenibili con la tecnologia DMD è elevata, avendo come limite la frequenza di refresh dell’immagine generata; ciò può provocare interferenza con il frame rate della telecamera, ponendo un limite sulla velocità massima di acquisizione delle immagini e quindi sul tempo di acquisizione tridimensionale.
La risoluzione che verrà utilizzata per il nuovo sistema sarà la 1200x800, migliore rispetto alla risoluzione del precedente sistema, pari a 1024x768.
Dopo aver descritto le caratteristiche tecniche degli elementi attivi del sistema, ovvero proiettore e telecamere, possiamo elencare la totalità degli elementi di cui necessiteremo per la realizzazione finale del sistema.
Il nuovo sistema sarà contraddistinto da: • Copertura in alluminio esterna • Nuovo proiettore
• Nuova coppia di telecamere • Un profilato di sostegno Bosch • Un treppiede di sostegno a terra
• Un adattatore posto tra il profilato e il treppiede
• Un supporto scorrevole porta proiettore con flangia paracalore anteriore e modulo porta cavi posteriore
• Supporti con asole per la regolazione di beccheggio e imbardata delle due telecamere
• Elementi di collegamento Bosch • Nuova ottica del proiettore
Dalle figure 6.4 alla figura 6.8 è possibile identificare il sistema di visione (con la mancanza del solo treppiede di supporto a terra) nella sua totalità, compresa la copertura superiore opzionale.
58 Il sistema è stato concepito per essere utilizzato con una copertura di alluminio modulare, posta perimetralmente al sistema come ben visibile in figura 6.4b.
La copertura è composta da due parti distinte, non vincolate ad essere utilizzate contemporaneamente, con due sistemi di fissaggio indipendenti.
Ogni semiparte (figura 6.7 e 6.8) viene montata sulla trave principale attraverso 4 accoppiamenti con dado e vite posti inferiormente, prevedendo il serraggio iniziale di vite e dado sul pezzo, lo scorrimento della copertura nella guida della trave e il serraggio finale delle viti Bosch, di facile accesso all’operatore e di piccolo impatto visivo (figura 6.5b).
Un dettaglio sulle tipologie di collegamento utilizzate è ben visibile in figura 6.13, dove vengono messe in evidenza, in una sezione della trave, la vite con inserto modulare e il dado a colletto, entrambi realizzati appositamente per queste tipologie di profilati Bosch.
59 Sono state previste delle asole di aerazione per l’aria calda proveniente dal proiettore, posizionate sulla parte superiore della copertura (figura 6.6)
È ben visibile, inoltre, in figura 6.5b, un’ampia fessura inferiore che permette il ricircolo d’aria fresca per il proiettore e per il passaggio delle connessioni al pc e del cablaggio elettrico di telecamere e proiettore.
Le aperture in corrispondenza dell’obbiettivo del proiettore e delle telecamere sono state progettate in modo tale da non interferire con la scena da acquisire, permettendo sempre le varie regolazioni necessarie alla calibrazione di proiettore e telecamere.
Figura 6.5b: Vista posteriore
60 La copertura è stata prevista, oltre che per un aspetto puramente estetico, anche per evitare qualunque tipologia di contatto con l’esterno; ciò, infatti, potrebbe provocare la perdita della calibrazione causata dalla modifica degli angoli delle telecamere.
Profilato Bosch
L’elemento base del sistema è la trave principale che, tramite un supporto (figura 6.11), viene collegato a un comune treppiede da telecamera (figura 6.12).
La scelta è ricaduta su un profilato Bosch 100x100L (figura 6.9), leggero e resistente, di lunghezza idonea al setup necessario per il funzionamento del sistema.
La scelta di utilizzare i profilati Bosch deriva dal loro particolare sistema di fissaggio per accessori e strutture secondarie, richiedendo l’utilizzo di un solo utensile per il fissaggio.
Figura 6.7: Parti formanti la copertura
61 La velocità che ne deriva dal montaggio non è paragonabile ad altri sistemi in commercio, mentre la lunga lista di accessori presenti nel catalogo Bosch e la loro semplice reperibilità ed economicità, giustificano ancor di più il loro utilizzo.
Sono stati previsti come elementi di collegamento tra i vari elementi, degli inserti Bosch formati da dadi a colletto e viti con testa a martello, che si inseriscono perfettamente nel profilato, garantendone un saldo contatto sia laterale che superficiale con le guide del profilato (figura 6.10 e 6.13).
62 Figura 6.10: Dadi e viti Bosch utilizzati per
i collegamenti tra gli elementi del sistema
63 Figura 6.13: Dettaglio elementi di collegamento utilizzati
Supporto proiettore
La progettazione del supporto del proiettore è partita dalla necessità di bloccare saldamente il proiettore sul profilato, garantendo però la possibilità al supporto di
64 scorrere trasversalmente al profilato attraverso due asole che vengono collegate al profilato attraverso collegamenti Bosch.
Figura 6.14: Collocazione supporto porta proiettore
Figura 6.15: Supporto porta proiettore
L’ulteriore grado di libertà dato al proiettore semplificherà la fase di calibrazione del sistema, perché ci permetterà di regolare la distanza del proiettore dalla scena senza spostare l’intero sistema con il treppiede, mantenendo fissa la distanza delle telecamere (figura 6.14).
65 Il dimensionamento della copertura esterna è stato effettuato tenendo presente la lunghezza dell’asola di regolazione del porta proiettore, così come le aperture ricavate frontalmente non ostacolano la visuale alle telecamere e al proiettore, traslanti lungo il profilato Bosch.
Il supporto prevede due tagli, uno anteriore che permette l’apertura della copertura della lampada del proiettore, ricavato sotto lo stesso, è un secondo ritaglio posteriore che agevola il passaggio dell’aria e quello dei cavi di collegamento al pc e all’alimentazione.
Il proiettore viene fissato alla tavola attraverso tre viti a testa piatta che vanno ad avvitarsi sui prefori presenti sul proiettore.
In figura 6.16 è possibile notare, cerchiati in rosso, i fori di collegamento del proiettore al supporto, mentre il quadrato in blu rappresenta lo sportellino che contiene la lampada del proiettore per il quale è stato lasciato libero l’accesso.
Il supporto presenta inoltre un rialzo centrale che permette un più comodo accesso all’operatore nelle operazioni di sostituzione della lampada, aiutando inoltre a mantenere un’altezza simile tra gli obiettivi di telecamere e proiettore, migliorando la fase di focalizzazione.
Sul supporto verranno praticati quattro fori, due posto anteriormente che serviranno per il montaggio della paratia paracalore proveniente dalla ventola di raffreddamento del proiettore (figura 6.17a); è importante infatti evitare che il calore generato possa andare a disturbare l’ottica del proiettore, generando distorsioni ai pattern proiettati sul pezzo da acquisire.
Altri due fori sono invece realizzati posteriormente al proiettore e serviranno a posizionare la piastra porta connettori (figura 6.17b).
66 Figura 6.16: Parte inferiore del proiettore
a)
b)
67 Supporti telecamere
Per fornire alle telecamere i due gradi di libertà di beccheggio e imbardata rispetto al piano proiettore, sono state progettate due piastrine da montare con basi parallele, dotate di perno di fissaggio e asole curve di regolazione (figure da 6.18 a 6.20).
Le asole e i perni sono stati posizionati in modo da mantenere gli assi di rotazione delle telecamere sull’ottica della telecamera stessa, così da non variare l’altezza dell’obiettivo della telecamera al variare dell’angolo di regolazione.
La configurazione scelta, permette la regolazione del sistema agendo su un solo bullone, risultando rapida e precisa.
Figura 6.18: Supporto telecamere
68 La piastrina inferiore, che permette il collegamento al profilato Bosch, è stata ideata per permettere il montaggio del supporto stesso su profilati con interasse delle guide di scorrimento diverse, così da potersi adattare al profilato che si ha a disposizione (figura 6.21).
Figura 6.20: Regolazione imbardata supporto
Figura 6.21: Piastrina inferiore
69 Ottica proiettore
A causa della scarsa qualità dell’ottica di serie fornita con il proiettore (figura 6.23a e 6.23b) e del diverso utilizzo che andremo a fare del proiettore, è stata apportata una modifica all’ottica del proiettore per accoglierne una nuova (figura 6.24)
La nuova ottica si rende necessaria perché il nostro campo di proiezione è molto più ristretto rispetto a quello per il quale è progettato il proiettore; un normale campo visivo di utilizzo di un proiettore commerciale può variare dal metro fino a dieci metri per quelli più sofisticati.
Più il campo visivo è grande, meno alta sarà la risoluzione dell’immagine proiettata, a parità di ottica. Nel nostro caso, necessitiamo di un pattern molto preciso, con un’alta risoluzione dunque, e con un campo visivo ristretto, variabile fino ad un paio di metri di distanza dall’ottica.
a)
b)
70 Si rende necessario creare una piastra di adattamento della nuova ottica sulla maschera del proiettore che ospitava l’ottica di base (figura 6.25).
Questa piastra permetterà alla nuova ottica di mantenere la regolazione del fuoco attraverso un accoppiamento vite-madrevite tra ottica e piastra stessa.
Proiettore e telecamere
Per quanto concerne la descrizione del proiettore e telecamere, si rimanda al precedente capitolo 4.2.
Figura 6.24: Nuova ottica da adattare al proiettore
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6.3.
Realizzazione sistema HD
La realizzazione del nuovo sistema di visione è stata effettuata interamente presso l’officina del Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale dell’Università di Pisa. Il sistema è stato realizzato riutilizzando elementi già presenti all’interno dell’officina e del dipartimento stesso, così da limitarne il costo e semplificando l’approvvigionamento dei materiali stessi.
Copertura
A causa della complessa lavorazione necessaria per la realizzazione della copertura, consistente nella piegatura di lamiere di alluminio e la saldatura dei fondi con tolleranze molto precise, aggiungendo le la difficoltà nel reperire il lamierato di alluminio in tempi brevi e costi ragionevoli, si è deciso di non prevedere alla realizzazione di questo componente, rimandando al futuro la possibilità di aggiungerlo al sistema realizzato, accettandone l’aspetto estetico di certo minore impatto.
72 Profilato Bosch
Il profilato adottato deriva dall’unione di due profilati più piccoli, a sezione quadrata, di lato pari a 30 mm (figura 6.28).
I due profilati sono stati distanziati di 10 mm attraverso due spessori in alluminio, questo per permettere il montaggio delle piastrine inferiori di supporto alle telecamere che dispongono di fissaggi alla trave con interasse di 40 e 50 mm (figura 6.29).
Per il collegamento tra i distanziali e i profilati sono stati realizzati dei fori passanti sui profilati e i distanziali stessi tramite il trapano a colonna a disposizione dell’officina del DICI, successivamente si è definito il collegamento mediante viti e dadi.
73 Unitamente al profilato Bosch, si è realizzato anche il supporto di collegamento tra il treppiede e il profilato stesso.
Figura 6.28: Profilato Bosch 100x100L
Figura 6.29: Profilati con distanziali
74 Questo supporto doveva prevedere un foro filettato per il collegamento con una vite M6 al treppiede, mentre per il collegamento al profilato sono stati previsti 4 bulloni con dadi per l’ancoraggio nelle guide standard del profilato con modulo 8 (figura 6.31)
Supporto proiettore
Il supporto del proiettore è stato l’elemento che più è stato modificato in sede realizzativa; infatti siamo partiti da una piastra di alluminio piana, senza rialzo per il cambio della lampada del proiettore. La scelta è stata dettata dalla difficolta nel realizzare il pezzo progettato presso l’officina del DICI (figura 6.32).
Figura 6.32: Supporto porta proiettore realizzato Figura 6.31: Supporto profilato-treppiede
75 Figura 6.33: Montaggio su treppiede
Supporti telecamere
La realizzazione dei supporti delle telecamere non ha trovato particolari difficoltà, riuscendo a nella realizzazione partendo da profilati ad L successivamente tagliati, forati e smussati (figure 6.34 e 6.35).
76 Ottica proiettore
La nuova ottica da adattare al proiettore, ha richiesto più impegno del previsto a causa delle difficoltà riscontrate per la realizzazione della filettatura su cui l’ottica stessa andava serrata.
Figura 6.35: Complessivo supporti proiettore e telecamere
Figura 6.36: Proiettore senza e con l’adattatore porta ottica realizzato
77 Difficoltosa è stata anche la misura degli interassi tra i fori della piastra del proiettore su cui andava serrato l’adattatore (figura 6.36), che poi è stata rifinita manualmente per il corretto montaggio.
In figura 6.38 e 6.39 è possibile vedere nella sua totalità il sistema realizzato. Figura 6.37: Ottica finale ottenuta
Figura 6.38: Sistema di visione ottenuto
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