الإضاءة المنظمة

الموسوعة الحرة

نمط ضوئي منظم مُسقط على سطح (يسار)

الضوء المنظم هو أسلوب لقياس شكل وعمق جسم ثلاثي الأبعاد عن طريق إسقاط نمط ضوئي على سطحه. قد يكون هذا النمط عبارة عن خطوط أو شبكات أو نقاط. تكشف التشوهات الناتجة عن النمط المسقط عن الشكل الهندسي للجسم من خلال التثليث ، مما يُمكّن من إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد له. تعتمد عملية المسح على تقنيات ترميز للحصول على قياسات دقيقة ومفصلة. من أكثر تقنيات الترميز شيوعًا: الترميز الثنائي، وترميز غراي، وترميز إزاحة الطور، ولكل منها مزاياها وعيوبها الخاصة.

تُستخدم تقنية الإضاءة المهيكلة في مجالات متنوعة، تشمل مراقبة الجودة الصناعية ، حيث تُستخدم للفحص الدقيق والتحليل البُعدي ، وحفظ التراث الثقافي ، حيث تُساعد في توثيق وترميم القطع الأثرية . وفي التصوير الطبي ، تُسهّل هذه التقنية التشخيص غير الجراحي ورسم خرائط تفصيلية للأسطح، لا سيما في تطبيقات مثل مسح الأسنان وتقويم العظام . كما تُدمج تقنية الإضاءة المهيكلة في الإلكترونيات الاستهلاكية ، مع تطبيقات تتراوح من أنظمة التعرف على الوجوه في الهواتف الذكية إلى أجهزة تتبع الحركة مثل كينكت . وتستخدم بعض التطبيقات، وخاصة في مجال التعرف على الوجوه، ضوءًا مهيكلًا بالأشعة تحت الحمراء لتعزيز الدقة في ظل ظروف إضاءة مختلفة.

عملية

مصادر الإضاءة المهيكلة معروضة في معرض رؤية الآلة لعام 2014 في بوسطن
روبوت لحام القوس الكهربائي Automatix Seamtracker مزود بكاميرا ومصدر ضوء ليزر منظم، مما يُمكّن الروبوت من تتبع خط اللحام تلقائيًا

قياس الضوء المنظم هو أسلوب يُستخدم لتحديد الإحداثيات ثلاثية الأبعاد لنقاط على سطح جسم ما. يتضمن هذا الأسلوب جهاز عرض وكاميرا موضوعين على مسافة ثابتة من بعضهما البعض - تُعرف بخط الأساس - وموجهين بزوايا محددة. يُسقط جهاز العرض نمطًا ضوئيًا منظمًا، قد يكون على شكل خطوط أو شبكات أو نقاط، على سطح الجسم. ثم تلتقط الكاميرا التشوهات في هذا النمط الناتجة عن هندسة الجسم الصلبة، والتي تكشف عن شكل السطح. ومن خلال تحليل هذه التشوهات، يمكن حساب قيم العمق. [ 1 ] [ 2 ]

تعتمد عملية القياس على التثليث ، باستخدام المسافة الأساسية والزوايا المعروفة لحساب العمق من إزاحة النمط عبر مبادئ حساب المثلثات . عندما يسقط ضوء مُهيكل على سطح غير مستوٍ، يتشوه النمط بشكل متوقع، مما يُتيح إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للسطح. تعتمد دقة إعادة البناء على معايرة النظام - التي تُحدد العلاقة الهندسية الدقيقة بين جهاز العرض والكاميرا لمنع أخطاء العمق، وبالتالي التشوهات الهندسية الناتجة عن عدم المحاذاة - بالإضافة إلى استخدام خوارزميات تحليل الأنماط . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

أنواع الترميز

يعتمد المسح الضوئي بالضوء المنظم على تقنيات ترميز متنوعة لقياس الأشكال ثلاثية الأبعاد. ومن أكثرها شيوعًا الترميز الثنائي، وترميز غراي، وترميز إزاحة الطور. لكل طريقة مزاياها وعيوبها الخاصة من حيث الدقة، والتعقيد الحسابي، والحساسية للضوضاء ، ومدى ملاءمتها للأجسام المتحركة. يوفر الترميز الثنائي وترميز غراي مسحًا سريعًا وموثوقًا للأجسام الثابتة، بينما يوفر ترميز إزاحة الطور تفاصيل أدق. أما الطرق الهجينة، مثل إزالة التركيز الثنائي وقياس التضاريس بتحويل فورييه (FTP)، فتوازن بين السرعة والدقة، مما يتيح المسح الضوئي في الوقت الحقيقي للأجسام ثلاثية الأبعاد المتحركة. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

الترميز الثنائي

يستخدم الترميز الثنائي خطوطًا متناوبة من الأسود والأبيض ، حيث يمثل كل خط رقمًا ثنائيًا . تتميز هذه الطريقة بكفاءتها الحسابية العالية وانتشار استخدامها نظرًا لبساطتها. مع ذلك، فهي تتطلب إسقاط أنماط متعددة بالتتابع لتحقيق دقة مكانية عالية. ورغم فعالية هذا الأسلوب في مسح الأجسام الثابتة، إلا أنه أقل ملاءمة للمشاهد المتحركة نظرًا للحاجة إلى التقاط صور متعددة. إضافةً إلى ذلك، تتأثر دقة الترميز الثنائي بدقة بكسل جهاز العرض والكاميرا ، ويتطلب خوارزميات عتبة دقيقة لتمييز الخطوط المسقطة بدقة. [ 4 ]

الترميز الرمادي

ترميز غراي، نسبةً إلى الفيزيائي فرانك غراي ، هو نظام ترميز ثنائي مصمم لتقليل الأخطاء إلى أدنى حد من خلال ضمان تغيير بت واحد فقط في كل مرة بين القيم المتتالية. هذا يقلل من أخطاء الانتقال، مما يجعله مفيدًا بشكل خاص في تطبيقات مثل التحويل من تناظري إلى رقمي والمسح الضوئي. [ 5 ] في مسح الضوء المهيكل، حيث تُستخدم رموز غراي لإسقاط الأنماط، يظهر عيب مع زيادة عدد الأنماط المُسقطة: تصبح الخطوط أضيق تدريجيًا، مما قد يُصعّب على الكاميرات اكتشافها بدقة، خاصةً في البيئات الصاخبة أو ذات الدقة المحدودة. للتخفيف من هذه المشكلة، تم تطوير أنواع متقدمة مثل رموز غراي التكميلية وأنماط رموز غراي ذات الإزاحة الطورية. تُدخل هذه التقنيات أنماطًا متقابلة أو متوافقة طوريًا لتعزيز المتانة ، بالإضافة إلى المساعدة في اكتشاف الأخطاء وتصحيحها في بيئات المسح المعقدة. [ 2 ] [ 6 ]

إزاحة الطور

تستخدم تقنيات إزاحة الطور أنماط موجات جيبية تنتقل تدريجيًا عبر عدة إطارات لقياس العمق. وعلى عكس الترميز الثنائي وترميز غراي، اللذين يوفران العمق على مراحل منفصلة، ​​تتيح إزاحة الطور قياسًا سلسًا ومستمرًا للعمق، مما ينتج عنه دقة أعلى. وتتمثل التحديات الرئيسية في إمكانية حدوث غموض في العمق نظرًا لصعوبة تحديد المسافات الدقيقة بسبب تكرار أنماط الموجات، الأمر الذي يتطلب بيانات مرجعية إضافية أو معالجة متقدمة لحل المشكلة. كما أن هذه الطريقة غير مثالية للأجسام المتحركة نظرًا للحاجة إلى صور متعددة، حيث يمكن أن تُحدث الحركة تشوهات وتُدخل عيوبًا في القياس. [ 4 ]

الأساليب الهجينة

لمعالجة قيود تقنية إزاحة الطور في البيئات الديناميكية، طُوّرت تقنيات عدم التركيز الثنائي، حيث تُشوّش الأنماط الثنائية عمدًا لتقريب الموجات الجيبية. يدمج هذا النهج كفاءة الإسقاط الثنائي مع دقة إزاحة الطور، مما يُمكّن من التقاط الأشكال ثلاثية الأبعاد بسرعة عالية. وقد ساهم التقدم في أجهزة عرض معالجة الضوء الرقمية عالية السرعة (DLP) في دعم اعتماد هذه الأساليب الهجينة في التطبيقات التي تتطلب مسحًا فوريًا، بما في ذلك التصوير الطبي الحيوي والفحص الصناعي. [ 3 ]

تقيس تقنية قياس التضاريس بتحويل فورييه (FTP) شكل الجسم باستخدام صورة واحدة لنمط مُسقط. تحلل هذه التقنية كيفية تشوه النمط على السطح، مما يتيح قياسًا سريعًا وشاملاً للشكل ثلاثي الأبعاد، حتى للأجسام المتحركة. تتضمن العملية تطبيق تحويل فورييه لتحويل الصورة إلى بيانات ترددية، وتصفية المكونات غير المرغوب فيها، وإجراء تحويل عكسي لاستخراج معلومات العمق. على الرغم من أن تقنية FTP تُستخدم غالبًا بمفردها، إلا أن الأنظمة الهجينة تجمعها أحيانًا مع تقنية قياس التضاريس بإزاحة الطور (PSP) أو تقنيات التردد المزدوج لتحسين الدقة مع الحفاظ على سرعة عالية. [ 7 ] [ 8 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 جينغ، جيسون (2011). "التصوير السطحي ثلاثي الأبعاد باستخدام الضوء المهيكل: دليل تعليمي". التقدم في البصريات والفوتونيات . 3 (2): 128-160 . Bibcode : 2011AdOP....3..128G . doi : 10.1364/AOP.3.000128 .
  2. 1 2 3 4 لو، شينغيو (2024). "SGE: نظام إضاءة مُهيكل قائم على رمز غراي مع كاميرا أحداث". أوبتكس إكسبرس . 32 (26): 46044–46057 . arXiv : 2403.07326 . Bibcode : 2024OExpr..3246044L . doi : 10.1364/OE.538396 .
  3. 1 2 3 تشانغ، سونغ (2018). "قياس الشكل ثلاثي الأبعاد عالي السرعة باستخدام طرق الضوء المهيكل: مراجعة". البصريات والليزر في الهندسة . 106 : 119-131 . Bibcode : 2018OptLE.106..119Z . doi : 10.1016/j.optlaseng.2018.02.017 .
  4. 1 2 3 سالفي، يواكيم؛ باجيس، جوردي؛ باتل ، جوان (2004). “استراتيجيات تدوين الأنماط في أنظمة الإضاءة المهيكلة”. التعرف على الأنماط . 37 (4): 827– 849. بيب كود : 2004باتري..37..827 S . دوى : 10.1016/j.patcog.2003.10.002 .
  5. ↑ دورن، روبرت و. (2007). "شفرة غراي". مجلة علوم الحاسوب العالمية . 13 (11): 1573-1597 . doi : 10.3217/jucs-013-11-1573 .
  6. ↑ كيم، دايسيك؛ ريو، مون ووك؛ لي، سوخان (2008). رموز غراي المتضادة للضوء المهيكل . المؤتمر الدولي لهندسة الروبوتات والأتمتة لعام 2008. باسادينا، كاليفورنيا. الصفحات 3016-3021. doi : 10.1109 / ROBOT.2008.4543668 . 
  7. ↑ روزنبرغ، أوري إسحاق؛ أبوكاسيس، ديفيد (2020). "طريقة هجينة تجمع بين قياس التضاريس بتحويل فورييه للإسقاط المتعامد وتصوير بقع الليزر للتصوير ثلاثي الأبعاد لملف التدفق". مجلة البصريات الحديثة . 67 (13): 1197-1209 . Bibcode : 2020JMOp...67.1197R . doi : 10.1080/09500340.2020.1823503 .
  8. ↑ تشين، ليانغ-تشيا؛ هو، هسوان-وي؛ نغوين، شوان-لوك (2010). "قياس التضاريس باستخدام تحويل فورييه (FTP) مع مرشح تمرير نطاقي مبتكر لإعادة بناء سطح ثلاثي الأبعاد بدقة". البصريات والليزر في الهندسة . 48 (2): 218-225 . Bibcode : 2010OptLE..48..182C . doi : 10.1016/j.optlaseng.2009.04.004 .