New Methods for Triangulation-based Shape Acquisition using Laser Scanners

Abstract

Tradicionalment, la reproducció del mon real se'ns ha mostrat a traves d'imatges planes. Aquestes imatges se solien materialitzar mitjançant pintures sobre tela o be amb dibuixos. Avui, per sort, encara podem veure pintures fetes a ma, tot i que la majoria d'imatges s'adquireixen mitjançant càmeres, i es mostren directament a una audiència, com en el cinema, la televisió o exposicions de fotografies, o be son processades per un sistema computeritzat per tal d'obtenir un resultat en particular. Aquests processaments s'apliquen en camps com en el control de qualitat industrial o be en la recerca mes puntera en intel·ligència artificial. Aplicant algorismes de processament de nivell mitja es poden obtenir imatges 3D a partir d'imatges 2D, utilitzant tècniques ben conegudes anomenades Shape From X, on X es el mètode per obtenir la tercera dimensió, i varia en funció de la tècnica que s'utilitza a tal nalitat. Tot i que l'evolució cap a la càmera 3D va començar en els 90, cal que les tècniques per obtenir les formes tridimensionals siguin mes i mes acurades. Les aplicacions dels escàners 3D han augmentat considerablement en els darrers anys, especialment en camps com el lleure, diagnosi/cirurgia assistida, robòtica, etc. Una de les tècniques mes utilitzades per obtenir informació 3D d'una escena, es la triangulació, i mes concretament, la utilització d'escàners laser tridimensionals. Des de la seva aparició formal en publicacions científiques al 1971 [SS71], hi ha hagut contribucions per solucionar problemes inherents com ara la disminució d'oclusions, millora de la precisió, velocitat d'adquisició, descripció de la forma, etc. Tots i cadascun dels mètodes per obtenir punts 3D d'una escena te associat un procés de calibració, i aquest procés juga un paper decisiu en el rendiment d'un dispositiu d'adquisició tridimensional. La nalitat d'aquesta tesi es la d'abordar el problema de l'adquisició de forma 3D, des d'un punt de vista total, reportant un estat de l'art sobre escàners laser basats en triangulació, provant el funcionament i rendiment de diferents sistemes, i fent aportacions per millorar la precisió en la detecció del feix laser, especialment en condicions adverses, i solucionant el problema de la calibració a partir de mètodes geomètrics projectius.

Traditionally, the reproduction of the real world has been shown to us by means of at images. These images used to be materialised by means of paint on canvas, drawings or the like. Today, we still see hand made pictures, by fortune, although most of the images are acquired by cameras and they are either directly shown to an audience, like in the cinema, television or photographs, or they are processed by a computer system in order to obtain a particular result, like in industrial quality assurance or bleeding edge artificial intelligence research. Applying mid-level processing algorithms, 3D images can be obtained from 2D ones, using well known techniques called Shape From X, where X is the method for obtaining the 3rd dimension. While the evolution to the 3D camera begun in the 90s, the techniques for obtaining the most accurate 3D shape need to be continuously improving. The application of 3D scanners has spread signi cantly in the recent years, specially in elds like entertainment, assisted diagnosis/ surgery, robotics, etc. One of the most used techniques to obtain 3D information from a scene is triangulation, and more concretely, triangulationbased laser scanners. Since their formal appearance in scienti c publications, in 1971 [SS71], there have been contributions for solving inherent problems like occlusion avoidance, accuracy improvement, acquisition speed, shape description, etc. All of the methods for obtaining 3D points of a scene is accompained with a calibration procedure, and this procedure plays a decisive role in the performance of the acquisition device. The goal of this thesis is to provide a holistic approach to the problem of shape acquisition, giving a wide survey of triangulation laser scanners, testing the performance of di erent systems, and to give contributions for both improving acquisition accuracy under adverse conditions and solving the calibration problem. In addition, the calibration approach is based on previous works that used projective geometry to this end.