A Pseudo-3D Ball Lattice Artifact and Method for Evaluating the Metrological Performance of Structured-Light 3D Scanners

Malgré la croissance de la popularité des scanners 3D et le besoin de leurs utilisateurs d'évaluer leur performance métrologique, Il n'existe aucune norme internationale d'évaluation de leur performance métrologique. Les utilisateurs de ces scanners ont besoin des tests d'acceptations afin de vérifier l'éligibilité d'un scanner pour une mesure spécifique, ainsi que des paramètres quantifiés pour comparer différents scanners 3D à lumière structurée. Ce projet a pour but de proposer une méthode systématique d'évaluation de la performance métrologique des scanners 3D à lumière structurée. Puisque les scanners 3D à lumière structurée, aussi appelés systèmes de projection franges, sont des dispositifs de numérisation d'aire, leur performance doit être évaluée dans tout leur volume de mesure. Dans ce travail, un artefact pseudo-3D, composé d'une plaque à billes 2D et trois composants d'espacement, est proposé avec une nouvelle procédure d'analyse des données pour l'évaluation des données du scanner selon des valeurs de référence de l'artefact. Dans la procédure d'évaluation de performance développée, les erreurs de la mesure de la taille, de la forme et des distances différentes sont étudiées. Les données de référence des distances sont fournies en mesurant l'artefact par une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) avant d'être mesuré par un scanner 3D. L'incertitude standard des valeurs de référence des distances sont estimées, ce qui correspond à 1,45 µm. Les billes de précision fournissent les données de référence pour la taille et la forme. L'incertitude standard du diamètre et la forme (sphéricité) des billes est indiquée par leur fournisseur (Bal-tec) à 0.64µm. La méthode proposée offre à ses utilisateurs des tests d'acceptations, ainsi qu'un aperçu complet de la performance du scanner 3D à lumières structurée pour mesurer la distance, la taille et la forme à différentes positions dans son volume de numérisation.

Abstract

Despite the increasing popularity of structured-light 3D scanners, there exists no international standard for assessing their metrological performance. The users of these scanners need acceptance tests to verify the eligibility of a scanner for specific measurements, as well as quantified metrics to compare different structured-light 3D scanners. This project aims to propose a systematic method for evaluating the metrological performance of the structured light scanners. Since the structured-light 3D scanners, also known as fringe projection systems, are area-scanning devices, they require their performance to be evaluated in their measurement volume. In this work, a pseudo-3D artifact, consisting of a 2D ball -plate and three spacers, is proposed along with a novel data analysis procedure for benchmarking the scanner's data based on the reference values of the artifact. In the developed performance evaluation procedure, errors in measuring distance, size, and form are investigated . The reference data in investigating various distances is provided by measuring the artifact by a coordinate measuring machine (CMM) before its measurement by a 3D scanner. The uncertainty of the reference values of the distances is estimated, which is 1.45 µm. The precision balls provide the reference of the size and form. The uncertainty of the diameter and the form (sphericity) of the balls is reported by their supplier (Bal-tec) as 0.64 µm. The proposed method provides its users with acceptance tests, as well as a comprehensive insight into the performance of the structured light 3D scanner in measuring distance, size, and form at different positions within its entire scanning volume.