Lazer Kamera Kullanılarak Üç Boyutlu Görüntü Elde Etme

Tez çalışmasının bu bölümünde lazer kamera kullanılarak üçgenleme ile hassas mesafe verilerine dayalı ray arıza teşhisi gerçekleştirilmiştir. İlerleyen bölümde önce üç boyutlu görüntüleme teknikleri hakkında bilgi verilerek, lazer kamera çalışma prensibi anlatılacak ardından yapılan deneysel çalışma ve sonuçları verilecektir. Ccd ve Cmos kameralar ile (𝑥, 𝑦) düzleminde iki boyutlu görüntü alınabilmektedir. Görüntü gri seviye ise tek kanal, renkli ise RGB gibi üç kanallı olarak nitelendirilmektedirler. Üç boyutlu görüntülerde ise bu renk kanalları yerine ya da ilaveten (𝑧) düzlemindeki mesafe verileri yer almaktadır. Üç boyutlu görüntü elde etme; yani (𝑧) düzleminde ki mesafe verilerini elde etme için literatürde yaygın olarak üç yöntem kullanılmaktadır.

4.2.1. Üç Boyutlu Görüntü Elde Etme Yöntemleri

Üç boyutlu görüntüleme amacı ile literatürde yaygın olarak Stereo [111], Time of Flight (ToF) [112] kameralar ve lazer kameralar kullanılmaktadır [113]. Stereo görme tekniği insan görme prensibi ile çok benzerdir. Kalibre edilmiş iki ayrı kamera kullanılarak yapılan görüntülemede kameralar arasındaki mesafe ve açı değerleri bilindiğinden görüntü de ki her bir noktanın iki ayrı kamerada ki izdüşümleri geometrik yöntemler ile ölçülerek nokta mesafesinin bulunması prensibine dayanır.

142

Maliyet olarak ucuz olmakla birlikte doğruluk performansları; kalibrasyon ve kamera parametrelerinin hassasiyetine bağlıdır. Arıza teşhis veya bilgisayarlı görme gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar.

Hem RGB kamera hem de bir kızılötesi algılayıcı içeren ToF kameralar kızılötesi dalgaların uçuş süresini de ölçerek RGB bilgilerinin yan ısıra derinlik bilgisini de elde ederler. Özellikle oyun konsolları, sanal gerçeklik, üç boyutlu modelleme gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Uygun maliyetli ve düşük hassasiyetli çözümlere sahiptir. Bu nedenle arıza teşhisi uygulamalarda kullanımları çok nadirdir.

Üç boyutlu görüntüleme kullanılan bir diğer yöntem ise lazer kameraların kullanılmasıdır. Lazer kameralar yüksek çalışma hızları ve hassas mesafe ölçme kabiliyetleri nedeni ile arıza teşhis uygulamalarında çok yaygın kullanılmaktadır. Şekil 4.11’de üç yöntem ve çalışma prensipleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Tablo 4.2’de üç boyutlu görüntülemede kullanılan her üç yöntemin öne çıkan avantaj ve dezavantajları verilmiştir.

a) Stereo b) Time of Flight c) Lazer kamera

143 Tablo 4. 2. Üç boyutlu görüntülemede kullanılan ana yöntemler

Yöntem Donanım Avantaj Dezavantaj

Stereo İki adet kalibre edilmiş kamera

Uygun maliyet Doğruluk hassasiyeti kalibrasyona bağlı ToF

Kameralar

Kızıl ötesi ışık kaynağı, faz dedektörü ve kamera

Uygun maliyet Düşük doğruluk

hassasiyeti Lazer

Kamera

Kalibre edilmiş kamera, enkoder ve lazer çizgi kaynağı

Yüksek doğruluk hassasiyeti

Yüksek maliyet

4.2.2. Lazer Kameralar İle Üç Boyutlu Görüntü Elde Etme

Lazer kameralar Şekil 4.12'de ki gibi kalibre edilmiş bir kamera, lazer çizgi kaynağı ve kodlayıcıdan oluşular. Bu bileşenler genellikle tümleşik ürün halindedir. Sistem sürekli fotoğraf çekerek lazer çizgideki profil değişikliğinden faydalanarak nesnenin üç boyutlu profilini çıkartır. Üç boyutlu görüntülemede lazer kamera kullanmak diğer yöntemlere oranla maliyeti çok daha yüksek bir çözümdür ancak yüksek çalışma hızları ve doğruluk hassasiyetleri nedeni ile endüstriyel uygulamalarda makine görmesi yardımıyla gerçek zamanlı kusur tespit edilmesi gereken tüm uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar.

144

Lazer görüntülemede üç boyutlu görüntüsü elde edilmek istenen nesnenin hareketli veya sabit olmasına bağlı olarak kullanılan teknikte değişmektedir. Sabit nesnelerde üç boyutlu görüntü elde edilirken obje üzerine lazer deseni düşürülerek profil çıkartma işlemi yapılır. Hareketli nesnelerde ise objenin kontrollü bir şekilde hareket etmesi gerekmektedir. Nesnenin ne kadar hareket ettiği bir kodlayıcı yardımı ile bulunabilir.

4.2.2.1. Lazer Üçgenleme

Kamera sistemi veya nesnenin hareketli olduğu durumlarda profili çıkarılmak istenen objenin kontrollü bir şekilde hareket etmesi gerekmektedir. Kodlayıcı yardımı ile nesnenin ne kadar hareket ettiği bulunur, böylece objedeki profil değişimleri izlenebilir. Kalibre edilmiş kamera objenin fotoğrafını çekerek lazer çizgi kaynağındaki değişiklikleri kaydeder [113]. Şekil 4.13'te lazer kamera ile üç boyutlu profil çıkarma işleminde üç boyutlu uzaydaki eksenler verilmektedir. Lazer üçgenleme ile elde edilen derinlik bilgisinin basitleştirilmiş eşitliği Denklem 4.4’te verilmiştir.

Şekil 4.13. Lazer üçgenleme yöntemi [114].

𝑧 = 𝑥

145

Deneysel çalışmalarda Autommation Teknoloji üreticisine ait AT C5-1600CS19-500 lazer kamera kullanılmıştır. Bu lazer kamera üçgenleme için Maksimum Yoğunluk Modu (MYM), Eşik Değer Modu (EDM), Ağırlık Merkezi Modu (AMM) ve Tepe Modu (TM) yöntemlerini kullanılmaktadır. Şekil 4.14’te bu yöntemler görsel olarak verilmiştir.

a) MYM _{b) EDM}

c) AMM d) TM

Şekil 4.14. AT C5-1600CS19-500 lazer kamera üçgenleme de kullanılan yöntemler [114]

Şekil 4.14’te verilen görsellerde yer alan Gauss eğrileri her bir algoritmaya ait lazer ışık demetini simgelemektedir. MYM algoritmasında lazer ışınının maksimum yoğunluk değeri nokta değerine göre hesaplanmaktadır.

146

Eşik değer modunda (P₂, P₄) sırası ile lazer ışığının sol ve sağ kenarı olmak üzere P_567,89:; Denklem 4.5’e göre hesaplanmaktadır.

Denklem 4.5 – Denklem 4.8 aralığında verilen denklemlerde verilen I_, Gauss yoğunluk toplamını, M_, yoğunluk toplam momentini, I₊ yoğunluk eşik değeri göstermek üzere P_/01 lazer çizgi kaynağının değerini vermektedir.

TM yönteminde ise Gauss yoğunluk fonksiyonu eğrisinin ilk türev değeri ölçüm değeri olarak kullanılmaktadır. P_567,89:; =P2+ P4 2 (4.5) I_, = › I_+, (4.6) M_, = ∑ P xI₊ (4.7) P_/01 = P₂+ M_,/I_, (4.8)

Bazı lazer kameralarda mesafe ölçümünde üçgenleme haricinde projeksiyon ızgaralama adı verilen bir başka yöntemde daha kullanılmaktadır. Bu yöntemde kullanılan ölçüm tekniği lazer üçgenleme’ye çok benzemektedir. Temel farklılık nesnenin hareketli değil sabit olması ve obje üzerine tek lazer çizgi yerine birden fazla lazer çizgi demeti gönderilmesidir. Birçok endüstriyel saha uygulamalarında lazer üçgenleme yöntemi bu yönteme kıyasla daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 4.15’te AT C5-1600CS19-500 lazer kamera ile ray hattından dört yöntemle alınan görüntüler verilmiştir. TM yöntemi hariç diğer üç yöntemle çok benzer sonuçlar elde edilebilmektedir. Ancak TM algoritması ile elde edilen sonuçların gürültüye karşı daha az duyarlı olması nedeni ile uygulama genelinde kullanılmamıştır.

147

a) MYM b) EDM

c) AMM d) TM

Şekil 4.15. AT C5-1600CS19-500 lazer kamera görüntüleme yöntemleri