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
