Robot based metrological characterization of 3D imaging devices for design applications

Lately the world has perceived a very fast and unusual development in the world of industry; we noticed a lot of new brands for many different sectors reflecting the creations and inventions for cliental use. Not so far from these developments the non contact measurement metrology world has witnessed unconditional changes and that is a result of the importance behind the 3D imaging devices. This improvement in the 3D imaging sector exits but it is still not regulated because there is no international standard that allows the manufacturers and end users to use the 3D imaging devices in a right way. Thus a reference and a standard method are needed to appraise the functionality of the new products and to maintain the satisfaction of the end users by giving traceable results. A unique common based standard does not exist literally; this for sure is up to a long period of examination and testing in order to set a valued reference for such technologies. Therefore, there is a need for a common reference to evaluate the benefits provided by the suppliers as well as the results obtained by the users. The most prudent and common existing standards for 3D scanners is the one produced by the Association of German Engineers the VDI/VDE 2634 which is published in august 2002 and updated in 2012, but till now it is not considered as an international standard. The VDI/VDE 2634 has opened the compass wide because it showed valid criteria in the evaluation method but it couldn’t solve all errors behind this assessment. Nowadays, many committees are working on the equivalence points of the 3D imaging devices. For example ASTM International’s E57 committee which was formed in 2006, is working on issues related to 3D Imaging systems, including 3D direct range (mid-range and short-range) detection like laser scanners (laser radars, LADAR) as well as optical range cameras (like flash LADAR or 3D range cameras). Besides, The ISO (international organization for standardization) technical committee 213 is also developing international standards for CMMs (Cartesian coordinate measurement machines) in addition to other scanners. This process needs a long period of experimentation and evaluation to obtain the needed values. Special objects with specific shape and size provide the base of such protocols showing a good level of accuracy, thus after the capturing of the 3D shape of such objects by the means of a range device, the similar points detected between the original shape and the 3D shape will be an example of such accuracy. Similar points can be represented by some parameters such as the angles between the planes, the distance between the centre points of the spheres and many other parameters. Hence, the creation of standards for the evaluation of imaging technologies should be considered as a priority for the major benefits behind. Based on the VDI/VDE 2634 standardization and the philosophy of triangulation and direct range detection applied on various categories of active 3D imaging devices, this thesis defines the results theoretically and experimentally of these description methods, thus exploring the difficulties behind setting standards for 3D imaging and scanning systems. This work will show a new strategy in defining the standards using an industrial arm robot, in which it is used to evaluate experimentally the procedure behind the VDI/VDE 2634. Keywords: 3D Metrology, Standards, ISO, VDI/VDE, Reverse engineering

La modellazione di un oggetto basata su acquisizione tridimensionale – indicata in genere col termine Reverse Modeling - è ad oggi uno degli strumenti chiave, insieme alla modellazione CAD e al Rapid Prototyping, che consentono ad un progettista di utilizzare tutte le possibilità creative fornite da un’interazione biunivoca tra gli ambiti di progettazione digitale e fisico. Normalmente il percorso di sviluppo “diretto” dell’idea progettuale prevede una modellazione CAD a partire da una formulazione concettuale dell’oggetto, che viene progressivamente definita nei suoi dettagli con le tecniche di rappresentazione proprie del disegno. Solo successivamente la verifica e messa a punto di queste ipotesi possono essere fatte con la loro trasformazione in oggetti fisici, oggi resa molto semplice grazie alla stampa tridimensionale (Rapid Prototyping), eventualmente proseguendo il processo di raffinamento dell’idea progettuale con la rielaborazione sul piano fisico l’idea iniziale. Ma analogamente si può sviluppare un idea per modelli – come insegnano i maestri del design milanese degli anni ’50 – ed arrivare al modello digitale per acquisizione 3D della forma fisica. È proprio questo tipo di applicazione che ha determinato lo sviluppo dei sensori e delle tecniche di “reverse Modeling” già noti da oltre 20 anni. Il termine Reverse Modeling (modellazione inversa) comunemente usato per indicare questi metodi, pone l’accento sul fatto che in tal caso il percorso creativo è invertito, pertanto è l’oggetto fisico il dato di partenza, ed il modello digitale costituisce il prodotto finale del processo di modellazione. Per arrivare a questo risultato l’oggetto deve essere inizialmente rilevato con uno strumento in grado di misurarne l’evoluzione spaziale a risoluzione elevata. Dai dati risultanti viene costruita una rappresentazione tridimensionale dell’oggetto che possiamo immaginare come un “calco digitale” dell’oggetto di partenza. Questa “chiusura del cerchio” consentita dalle tecniche di Reverse Modeling è tanto più utile quanto maggiore è la coerenza formale e dimensionale tra l’oggetto fisico e il suo corrispettivo digitale. La valutazione delle tecniche di stima della coerenza tra oggetto fisico e corrispondente scansione digitale, rappresenta l’oggetto di questa tesi. La sempre più ampia diffusione delle tecniche di Reverse Modeling consentite dallo sviluppo nuovi strumenti di 3D imaging ha aperto infatti una questione importante relativa alla mancanza di una regolamentazione standard sulle definizione delle prestazioni degli strumenti per acquisizione 3D. Per quello motivo si sono sviluppati negli ultimi anni processi di caratterizzazione prototipali, alcuni dei quali, come nel caso tedesco, sono arrivati al livello di standard nazionali. L’associazione degli ingegneri tedeschi ha prodotto l’unico standard esistente per scanner 3D, denominato VDI / VDE 2634 e pubblicato nell'agosto del 2002. Ma fino ad ora questo non è mai stato portato al livello di standard internazionale. Il VDI / VDE 2634 ha aperto però la via ad una riflessione sul tema perché ha mostrato validi criteri nel metodo di valutazione. Molti comitati stanno lavorando sui punti di equivalenza dei dispositivi di imaging 3D. Per esempio la commissione ASTM International E57 è stata costituita nel 2006 e sta lavorando su questioni relative ai sistemi 3D imaging a misura diretta della distanza per valutazione del tempo di volo o dello shift di fase (mid-range and short-range), cosi come le optical range cameras (per esempio il flash LADAR). Inoltre la ISO (International Organization for Standardization), col comitato tecnico 213, ha sviluppato standard internazionali per sistemi di imaging 3D accoppiati a sistemi di misura di coordinate (CMM). Oggetti speciali con forma e dimensioni specifiche forniscono la base di questi protocolli. Il principio si basa sull’accurata definizione e realizzazione di oggetti fisici con caratteristiche formali tali da mettere in difficoltà gli apparati di misura 3D senza contatto; la “cattura” della forma 3D di questi oggetti usando un range device da esaminare; e l’analisi delle differenze tra le forme prodotte dall’acquisizione e quelle note a priori dell’oggetto. Naturalmente tutto il processo richiede una rigorosa tracciabilità delle diverse fasi ed una certificazione degli oggetti di test per evitare, ad esempio, che tale verifica dimensionale misuri l’inaccuratezza dell’oggetto fisico piuttosto che l’inaccuratezza del sensore utilizzato per misurarlo. Oggetti di test tipici prevedono piani di riferimento, piani angolati, sfere e sfere vincolate, dalla cui acquisizioni si possono valutare equazioni di piani, angoli, diametri, baricentri e distanze tra baricentri, che possono essere utilmente impiegati per stimare l’accuratezza strumentale. Lo scopo specifico di questa tesi, oltre a fare uno stato dell’arte dei metodi e degli standard sviluppatisi localmente in diverse aree del mondo, è quello di verificare le implicazioni dell’unico standard nazionale disponibile per la caratterizzazione di “range device” a triangolazione (VDI / VDE 2634), valutando le prestazioni dello stesso con lo sviluppo di un processo apposito basato su oggetti test definiti all’interno della norma VDI/VDE, movimentati da un sistema in grado di massimizzare la ripetibilità. Il risultato è un sistema robotizzato per valutare le prestazioni dello standard, che consente di arrivare ad una proposta di evoluzione dello standard stesso, che potrebbe essere utilizzata come base dagli organismi di definizione degli standard internazionali.