Laser triangulation sensor with refraction modelling for underwater 3D measurement

• Main Author: Matos, Gabriel Silva de
• Other Authors: Universidade Federal de Santa Catarina
• Format: Others
• Language: English
• Published: 2018
• Subjects: Engenharia mecânica; Medição; Detectores
• Online Access: https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/182608

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. === Made available in DSpace on 2018-01-09T03:24:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348525.pdf: 5019460 bytes, checksum: 4ed315a3b59a2bab9c3e13fc079bb513 (MD5) Previous issue date: 2017 === Medições tridimensionais subaquáticas possuem diversas aplicações, por exemplo, na indústria de petróleo e gás para o controle de equipamentos submarinos durante procedimentos de manutenção otimizados. Sistemas com sensores de triangulação a laser (LTS) já são utilizados em ambientes subaquáticos e alguns desafios com LTS nestes ambientes já foram discutidos. Entre estes obstáculos estão a má qualidade de imagem, devido à absorção de luz e retrodifusão, e refração, devido às interfaces entre água e vidro e vidro e ar. O efeito da refração pode ser modelado conhecendo-se a distância da câmera à superfície de refração, o eixo de refração, o índice de refração dos meios e a espessura da janela óptica. Este trabalho analisa dois métodos para a calibração subaquática de LTS com experimentos em laboratório utilizando um LTS desenvolvido para esta aplicação. O primeiro método utiliza um ajuste polinomial, correlacionando o pico do laser para cada linha da imagem da câmera com um ponto 3D. Este método necessita de uma calibração subaquática completa. O segundo método, proposto aqui, é baseado no modelo de câmera pinhole e um plano matemático ajustado para o plano de luz laser projetado. Em medições de ar, para cada pico de laser detectado na imagem, uma linha pode ser definida através do centro da lente aplicando a matriz de projeção do modelo pinhole. A intersecção desta linha com o plano laser matemático resulta na medição de um ponto 3D. Para medições subaquáticas com um LTS de alta qualidade é necessário considerar, adicionalmente, o efeito da refração na interface entre a janela e água. Considerando a janela óptica normal ao eixo da câmera, um caminho de raio é definido no plano de refração de acordo com a lei de Snell para interceptar o plano do laser, definindo um ponto 3D. A calibração para medição subaquática necessita, portanto, estimar a distância da superfície de refração até o centro óptico da câmera. No método proposto, após a calibração no ar, um degrau é medido embaixo d'água e a distância da janela da câmera é otimizada. O método é avaliado de acordo com as diretrizes do VDI / VDE 2634 e vários objetos foram utilizados como exemplos de medição. === Abstract : Underwater tridimensional measurement has many applications, for example, to control underwater equipment during optimized maintenance procedures in the oil and gas industry. Systems with laser triangulation sensors (LTS) are being used underwater at present and some underwater problems with LTS have already been discussed. Among these challenging obstacles are poor image quality, due to light absorption and backscattering, and refraction, due to optical window interfaces between water and air inside the camera chamber. The refraction effect can be predicted knowing the distance from the camera pinhole center to the surface of refraction, the axis of refraction, the refractive index of the mediums and the thickness of the optical window. This work analyses two methods for underwater LTS calibration using real experiments with a built LTS, in-air and underwater. The first method uses a polynomial adjustment correlating to the laser peak for each camera image line with a 3D point. This method needs a complete calibration in the underwater environment. The second method proposed is based on the pinhole camera model and a fitted mathematical plane for the projected laser light plane. In air measurements, a line can be defined through the lens center using the pinhole projection matrix for each laser peak detected in the image. The intersection of this line with the laser mathematical plane leads to a measured 3Dpoint. For high quality underwater LTS measurements, it is necessary to additionally consider the refraction effect on the window and water interface. Considering the optical window normal to the camera axis, a ray path is defined on the plane of refraction according to the Snell?s law to intercept the laser plane, defining a 3D point. The calibration for underwater measurement needs to estimate the window distance from the camera. In the proposed method, after the in-air calibration,a step standard is measured underwater and the window distance from the camera is optimized. The method is evaluated according to the guidelines of VDI/VDE 2634 and multiple objects were evaluated.