[논문 리뷰] Frequency-based image analysis of random patterns: an alternative way to classical stereocorrelation

Jérôme Molimard, G. Boyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 15.

Optical measurement and interference techniques참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 렌즈 모델 가정 없이 무작위 패턴에서 2차원 평면 이송 및 3차원 형상을 측정하는 주파수 기반 영상 분석 기법을 제시한다. 이 기법은 위상 분석과 시간적 위상 스텝핑을 활용하여 1/100 픽셀 이하의 해상도를 달성한다. 이 방법은 투영된 무늬와 투명 카메라 및 프로젝터 모델을 기반으로 한 평면 이송 분석을 결합하여, 피부 및 가죽과 같은 재료에서 높은 메트롤로지적 정확도로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 무작위 패턴에서 2차원 평면 이송 및 3차원 형상을 측정하기 위한 전통적인 스테레오코릴레이션의 대안을 개발하는 것.
• 렌즈 모델 가정을 제거하기 위해 왜곡 평가에 격자 기법을 사용하는 것.
• 시간적 위상 스텝핑과 윈도우드 푸리에 변환을 활용해 고해상도 3차원 측정을 달성하는 것.
• 정확한 이송 및 형상 복원을 통해 재료 거동의 기계적 해석을 가능하게 하는 것.
• 생물학적 및 산업 재료인 피부 및 가죽과 같은 복잡한 샘플에 대해 방법을 검증하는 것.

제안 방법

• 2차원 무작위 패턴 영상에서 부분 픽셀 이송을 결정하기 위해 위상 분석을 사용한다.
• 특정 렌즈 모델을 가정하지 않고 왜곡을 식별하기 위해 격자 기법을 적용한다.
• 3차원 형상 복원을 위해 무늬 투영과 평면 이송 측정을 결합한다.
• 프로젝터 및 영상 시스템 모두에 대해 투명 카메라 모델을 가정한다.
• 1픽셀 해상도로 형상 측정을 위해 시간적 위상 스텝핑을 사용한다.
• 9픽셀 공간 해상도로 평면 이송 분석에 윈도우드 푸리에 변환을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렌즈 모델 가정 없이도 주파수 기반 영상 분석이 전통적인 스테레오코릴레이션과 유사한 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 무작위 패턴과 위상 분석을 사용할 때 3차원 형상 및 평면 이송을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 이 방법이 복잡한 샘플에서 재료 거동의 기계적 해석을 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ4 제안된 방법의 평면 이송 및 3차원 형상 측정에서 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ5 이 방법은 피부 및 가죽과 같은 실제 재료에 효과적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 이 방법은 1/100 픽셀의 메트롤로지적 해상도를 달성하여 전통적인 스테레오코릴레이션 기법과 유사한 성능을 보였다.
• 윈도우드 푸리에 변환을 사용함으로써 평면 이송 측정의 해상도가 9픽셀으로 향상되었다.
• 시간적 위상 스텝핑을 통해 1픽셀 해상도로 3차원 형상 측정이 가능해졌다.
• 격자 기반 접근을 통해 렌즈 모델에 대한 사전 가정 없이도 왜곡을 성공적으로 식별하였다.
• 피부 및 가죽에 대해 성공적으로 적용되어 기계적 해석에 적합한 결과를 도출하였다.
• 주파수 기반 분석이 전통적인 스테레오코릴레이션에 대한 강력한 대안이 될 수 있음을 입증하였다.