Driedimensioneel optisch scannen van lichaamsoppervlakken: mogelijkheden en beperkingen

Driedimensioneel optisch scannen van lichaamsoppervlakken: mogelijkheden en beperkingen Vincent Verhaert Division of Biomechanics and Engineering Design

Overzicht

 Inleiding  3D scanners: verschillende werkingsprincipes  3D scanners: specificaties  Dataverwerking  Beperkingen 3D scanners en eventuele oplossingen  Besluit

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Inleiding: persoonlijke achtergrond  Afdeling Biomechanica en Grafisch Ontwerpen Werktuigkunde Katholieke Universiteit Leuven

 Onderzoeksdomein: Preventiebiomechanica

ergonomische aspecten van de slaap

 3D scanning van rugoppervlakken Camera

Projector

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

3D scanners: werkingsprincipes

 Contact scanners Coordinate Measuring Machine (CMM): aftasten van te meten voorwerp met een meetkop zeer nauwkeurig + mogelijk om inwendige maten op te meten vereist contact (schade/vervorming) traag

 Non-contact scanners 

Actieve scanners: zenden zelf iets uit (licht, laser,…) Rasterstereografie Moiré topografie Time-of-Flight Triangulation



gestructureerd licht

Passieve scanners: detecteren gereflecteerd omgevingslicht stereoscopie silhouette

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

3D scanners: werkingsprincipes

 Actieve scanners: zenden zelf iets uit (licht, laser,…) 1. Rasterstereografie: projectie van lijnenraster (horizont./vertik.) op oppervlak

reconstructie dmv triangulatie

=l

Belangrijkste voordeel

d d l + ⇒= d tanα tan β tanα + tan β

snelheid!

dynamisch meten wordt mogelijk

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

3D scanners: werkingsprincipes

 Actieve scanners: zenden zelf iets uit (licht, laser,…) 2. Moiré topografie:

reconstructie hoogtecontouren

interferentiepatroon van 2 lijnenroosters Moiré-banden d = f(α,λ)

Bandprojectie

ISPO symposium

Schaduw Moiré

Projectie Moiré

Vincent Verhaert

Phase Shift Moiré

27/06/2009

3D scanners: werkingsprincipes

 Actieve scanners: zenden zelf iets uit (licht, laser,…) 3. Time-of-Flight: lichtsnelheid

d=

c ⋅t 2 nauwkeurigheid sterk afhankelijk van resolutie tijdsmeting (1 mm 3.3 psec (10-12 sec))

4. Triangulation: cfr. rasterstereografie maar lijn per lijn

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

3D scanners: werkingsprincipes

 Passieve scanners: zenden zelf niets uit 1. Stereoscopie: cfr. dieptezicht ogen

2. Silhouette

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

3D scanners: specificaties  Hoe keuze maken?

koppeling vereisten

• • • • • • •

aard te scannen oppervlak/object? grootte, diepte, vervormbaarheid, functieoppervlak?, …

vereiste nauwkeurigheid?

specificaties

Field of view (FOV) Depth of view (DOV) Nauwkeurigheid (3 assen) Acquisitietijd Werkingsprincipe Calibratiemethode …

!! Vb.: totale meettijd? dynamisch meten?, bewegingsartefacten, comfort, … ISPO symposium

Vincent Verhaert

• • • • • •

scan time: 0.25 s dynamic (40Hz) FOV: 320 x 240 - 1280 x 960 [mm²] DOV: 100 mm accuracy: 0.05 mm 360 ° measurements … 27/06/2009

Dataverwerking

 Resultaat 3D-scanner

3D-puntenwolk

 x 1 y 1 z1  x y z   2 2 2 ...    x y z  i i i  ...     x n y n zn  ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Dataverwerking

 Omzetten puntenwolk Functie-oppervlak: z = f(x,y)

Functie-oppervlak

STL (Δ)

Geparametriseerd CAD-model eenvoudig bewerkbaar eenvoudig integreerbaar in productie-eenheid “common language” CAM ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Dataverwerking  Verdere mogelijkheden:

κ 1 ⊥ κ 2 (max & min) 1D

1. Berekening krommingen:

2D κ=

1 r

1 H = ⋅ (κ 1 + κ 2 ) Mean curvature: 2 Gaussian curvature:

K= κ 1 ⋅ κ 2

 κ2 + κ1 Koenderink's Shape Index : s= ⋅ arctan  π  κ2 − κ1 2

ISPO symposium

Vincent Verhaert

   27/06/2009

Dataverwerking  Verdere mogelijkheden: 2. Detectie van landmarks: onderliggende botstructuren

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Dataverwerking  Verdere mogelijkheden: 3. Kwantitatieve informatie:

vormparameters ruggegraat: kyfosehoek lordosehoek hoek van Cob scoliose … ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Dataverwerking  Verdere mogelijkheden: 4. Expertadvies: zoeken van beste fit met bestaand gamma:

vergelijk gescande voet met bestaand gamma en zoek beste match

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Beperkingen en oplossingen

 Ontbrekende informatie: Vb.: correct opmeten huidplooi onder borst

kledingindustrie/plastische & reconstructieve chirurgie

Oplossing:

Probleemstelling:

puntenwolk

genereren mesh biomechanisch FE-model met hyperelastische weefselmodellering

? ! ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009

Beperkingen en oplossingen

 Meetcondities

condities bij gebruik

Vb.: ontwerp van een koker voor een onderbeengeamputeerde optimalisatie 3D-scan onderbeen in onbelaste toestand

comfort (drukgevoelige vs drukongevoelige zones) ondersteuning (stabiliteit) opbouw biomechanisch model onderbeen en prothese

wijzigingen optimale koker tov 3D-scan

+ tibia spiervetfibula weefsel weefsel

ISPO symposium

huid

Vincent Verhaert

liner

koker

27/06/2009

Besluit

 Verscheidenheid aan kwalitatieve 3D scanners op de markt  Verschillende werkingsprincipes

specifieke voor- en nadelen

 Kritisch t.o.v. specificaties!!  Dataverwerking

snelheid vaak ten koste van precisie automatische landmarkdetectie op basis van krommingsanalyse kwantitatieve output (bv. lichaamsmaten) expertadvies (bestaand gamma)

 Biomechanische modellen kunnen extra kennis toevoegen aan 3Dmetingen van lichaamsoppervlakken

ISPO symposium

Vincent Verhaert

27/06/2009