Algoritmos para medição de superfícies em movimento usando visão 3D

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2013A demanda por aplicações de robótica móvel vem crescendo consideravelmente nos últimos anos. Independente da natureza ou fim, robôs autônomos devem interagir com o mundo para alcançar seus objetivos. Para isto, de alguma maneira precisam obter informações a respeito do ambiente. Dentre diferentes abordagens existentes, bons resultados têm sido alcançados pelo emprego de sistemas de visão estereoscópica passiva. Esta abordagem, porém, ainda mostra-se pouco robusta para cenários estruturados onde existe a presença de objetos de intensidade homogênea ou texturas repetitivas. Por sua vez, métodos de medição por meios ópticos ativos têm apresentado resultados excelentes na caracterização de forma 3D. Porém, há limitações existentes no emprego destes sistemas relacionadas à medição rápida de objetos de formas complexas. Observa-se que sua utilização em aplicações onde não há garantia de estabilidade da plataforma do robô ou mesmo dos objetos sendo observados se torna difícil. Consequentemente, a medição de objetos complexos em ambientes dinâmicos, como é o caso de aplicações de robótica, não é um problema totalmente resolvido. Com o objetivo de contribuir neste sentido, a presente proposta prevê o desenvolvimento de um sistema de medição $3D$ por meios ópticos para utilização em sistemas robotizados que permita a medição rápida de superfícies complexas em ambientes dinâmicos. No presente trabalho técnicas e algoritmos de medição por meios ópticos foram estudados, avaliados e desenvolvidos, procurando atender requisitos específicos relacionados com robótica. Neste contexto, foram levantadas técnicas e soluções clássicas para diferentes problemas relacionados com o tipo de aplicação tratada, e um sistema de medição 3D completo foi desenvolvido. Além da implementação e combinação de técnicas de referência, dois novos métodos relacionados com medição tridimensional foram propostos. Inicialmente, foi elaborado um novo método de correspondência a ser empregado em medições por estereoscopia passiva. Na abordagem proposta é utilizada a informação regional periférica de componentes de alta frequência, de modo a dar suporte à etapa de correspondência de pontos em regiões de intensidade homogênea. Outra proposta corresponde a um método de medição completo baseado em estereoscopia e projeção de franjas. Nesta abordagem, uma versão modificada da técnica de Perfilometria por Transformada de Fourier é combinada à técnica de batimento, de modo a se contornar as limitações originalmente existentes na medição de superfícies com descontinuidades ou saltos abruptos. Os resultados obtidos demonstram a efetividade da utilização do sistema proposto na caracterização 3D de objetos e superfícies em ambientes dinâmicos Abstract: The demand for mobile robotics applications has grown considerably in recent years. Regardless its nature or purpose, autonomous robots just interact with the world to achieve their goals. In order to do that,information about the environment must be retrieved. Among different approaches, good results have been achieved by using stereoscopic vision systems. However, problems are faced when operating on structured scenarios, where objects with homogeneous intensity or repetitive textures are found. In turn, active methods using structured light bring excellent results for 3D shape characterization. However, there are limitations related to rapid measurement of objects with complex shapes when using these methods. Thus, their use in applications becomes dif?cult where stability of the robot platform or even of the objects being observed is not guaranteed. Hence, fast measurement of complex objects for mobilerobotics isnot a solved problem. In this work, the development of a 3D optical measurement system intended for robotic systems and allowing rapid measurement of complex surfaces in dynamic environments is described. Optical measurement techniques and algorithms were studied, evaluated and developed, seeking to meet speci?c requirements related to robotics. In this context, solutions and conventional techniques have been selected, in order to solve the various problems addressed by the application. These solutions were combined in a complete 3D measurement system. Besides the implementation and combination of standard techniques, two new methods relating to three-dimensional measurement were proposed. First, a new matching method aimed to be used in measurements by passive stereoscopy was developed. the proposed approach, regional information provided by peripheral high frequency components is used in order to help the step of matching points in regions with homogeneous intensity. Then, a complete measurement method based on stereoscopy and fringe projection is proposed. Here, a modifed version of the FTP technique is combined with the beating technique in order to circumvent the limitations when measuring surfaces with discontinuities or abrupt jumps. The results demonstrate the effectiveness of using the proposed system for 3D characterization of objects