Studio e qualificazione metrologica di soluzioni di misura basate sulla stereoscopia

In many application field, especially in the industrial one, 3D non-contact sensors are always more diffused, thanks to technology development. One of these techniques is the object of this work, which aim is the study and metrological characterization of multi-cameras stereoscopic systems. The need of a measuring system usable in a wide variety of application fields, with different environment conditions and working volumes and able to perform dynamic measurements, has led to the choice of stereoscopy. In order to perform a metrological characterization of a stereoscopic system, it is very important to analyze the calibration process and investigate how this affects the final 3D measures. The first part of the work is therefore dedicated to the study and comparison of the main camera calibration algorithms existing in literature. The study of the accuracy of a three camera stereoscopic system has underlined how this is strongly influenced by calibration procedures. Different experiment has been performed to investigate this dependency and all the precautions that must be taken to improve measurement accuracy. Furthermore, using Monte Carlo method, the uncertainty propagation in calibration process has been studied and a sensitivity analysis of the three-dimensional reconstruction procedure has been performed. The results of the metrological qualification of a three-camera system has been used to implement solutions optimized for three different application fields: wind tunnel measurements, automatic robot programming and robot vision for bin-picking of randomly disposed mechanical parts. For each of these applications, a dedicated stereoscopic system has been implemented and it has been metrologically qualified and validated through a series of experimental analysis.

Lo sviluppo della tecnologia ha permesso negli ultimi anni la forte diffusione di tecniche di misura senza contatto 3D in molti ambiti applicativi e in particolar modo in campo industriale. Tra le tecniche 3D esistenti si vuole approfondire quella stereoscopica. Scopo di questo lavoro è dunque lo studio e la qualificazione metrologica di sistemi stereoscopici basati sull’utilizzo di più telecamere. La scelta della stereoscopia è dettata dalla necessità di realizzare un sistema di misura utilizzabile in un’ampia varietà di ambiti applicativi, con diverse condizioni ambientali e volumi di lavoro e con la capacità di effettuare misure dinamiche. In questo lavoro è descritta la qualificazione metrologica di un sistema stereoscopico a tre telecamere e l’applicazione della stereoscopia in tre diversi ambiti. Per l’analisi delle incertezze di misura di un sistema stereoscopico è necessario prima di tutto studiare il processo di taratura e capire come questo influenzi la misura finale. Una parte del lavoro è dunque dedicata allo studio ed al confronto dei principali algoritmi di calibrazione di telecamere esistenti in letteratura. La caratterizzazione metrologica del sistema stereoscopico ha portato alla luce numerosi accorgimenti da rispettare in fase di taratura e ha mostrato come da questa dipenda fortemente l’accuratezza delle misure tridimensionali. Inoltre, mediante il metodo di Monte Carlo, è stata studiata la propagazione dell’incertezza in fase di taratura del sistema stereoscopico ed è stata poi effettuata un’analisi di sensitività della procedura di ricostruzione tridimensionale. I risultati della qualificazione metrologica del sistema stereoscopico a tre telecamere sono stati poi utilizzati per realizzare tre sistemi di misura ottimizzati per tre diversi ambiti applicativi. In particolare le tre problematiche affrontate sono: misure in galleria del vento, programmazione automatica di robot industriali e guida robot per la presa da cassone di parti alla rinfusa. Per ognuna di queste è stato realizzato un sistema stereoscopico dedicato che è stato metrologicamente qualificato e validato mediante una serie di analisi sperimentali.