[論文レビュー] Frequency-based image analysis of random patterns: an alternative way to classical stereocorrelation

Jérôme Molimard, G. Boyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2013

Optical measurement and interference techniques参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、位相解析と時間的位相ステッピングを用いた周波数ベースの画像解析手法を提示し、レンズモデルの仮定なしに2次元面内変位および3次元形状をランダムパターンから測定する。1/100ピクセルのサブピクセル分解能を達成した。この手法は、ピンホールカメラおよびプロジェクタのモデルを仮定したフレームプロジェクションと面内変位解析を組み合わせており、皮膚やレザーにおいて高い計測的正確性で検証された。

ABSTRACT

The paper presents an alternative way to classical stereocorrelation. First, 2D image processing of random patterns is described. Sub-pixel displacements are determined using phase analysis. Then distortion evaluation is presented. The distortion is identified without any assumption on the lens model because of the use of a grid technique approach. Last, shape measurement and shape variation is caught by fringe projection. Analysis is based on two pin-hole assumptions for the video-projector and the camera. Then, fringe projection is coupled to in-plane displacement to give rise to 3D measurement set-up. Metrological characterization shows a resolution comparable to classical (stereo) correlation technique (1/100th pixel). Spatial resolution seems to be an advantage of the method, because of the use of temporal phase stepping (shape measurement, 1 pixel) and windowed Fourier transform (in plane displacements measurement, 9 pixels). Two examples are given. First one is the study of skin properties; second one is a study on leather fabric. In both cases, results are convincing, and have been exploited to give mechanical interpretation.

研究の動機と目的

• ランダムパターンからの面内変位および3次元形状の測定のため、古典的ステレオ相関の代替手法を開発すること。
• グリッド技術を用いて歪み評価に必要なレンズモデルの仮定を排除すること。
• 時間的位相ステッピングとウィンドウ付きフーリエ変換を用いて高分解能3次元測定を達成すること。
• 正確な変位および形状再構成により、材料挙動の機械的解釈を可能にすること。
• 生物学的および産業的材料（皮膚やレザーなど）に対してこの手法を検証すること。

提案手法

• 位相解析を用いて、2次元ランダムパターン画像におけるサブピクセル変位を特定する。
• 特定のレンズモデルを仮定せずに歪みを同定するためにグリッド技術を適用する。
• フレームプロジェクションと面内変位測定を組み合わせ、3次元形状再構成を実現する。
• プロジェクタおよび撮影システムの両方に対してピンホールカメラを仮定する。
• 1ピクセル分解能を得るために、時間的位相ステッピングを形状測定に用いる。
• 9ピクセルの空間分解能を得るために、面内変位解析にウィンドウ付きフーリエ変換を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数ベースの画像解析は、レンズモデルの仮定なしに、古典的ステレオ相関と同等の分解能を達成できるか？
• RQ2 ランダムパターンと位相解析を用いた場合、3次元形状および面内変位はどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 この手法は、複雑な試料における材料挙動の機械的解釈をどの程度可能にするか？
• RQ4 本手法の面内変位および3次元形状測定における空間分解能はどの程度か？
• RQ5 本手法は、皮膚やレザーなどの実世界の材料に効果的に適用可能か？

主な発見

• 本手法は、古典的ステレオ相関技術と同等の計測的分解能（1/100ピクセル）を達成した。
• ウィンドウ付きフーリエ変換を用いることで、面内変位測定の空間分解能が9ピクセルに向上した。
• 時間的位相ステッピングを用いることで、1ピクセル分解能の3次元形状測定が可能となった。
• グリッドベースのアプローチにより、レンズモデルに関する事前の仮定なしに歪みを成功裏に同定した。
• 皮膚およびレザーへの応用において、機械的解釈に適した結果が得られた。
• 周波数ベースの解析が、古典的ステレオ相関の堅牢な代替手段として実現可能であることが示された。