On behalf of Umeå University, close-range photogrammetry and 3D scanning with structural light are investigated as methods to create 3D models of physical objects relevant to mechanical engineering. An experimental setup for photogrammetry is constructed and used to scan three different objects: one made of metal, one with different colours and one made of plastic. The objects selected for analysis are a metal bolt, a colourful cardboard box and a bicycle helmet in plastic. The 3D models measured by photogrammetry are compared to models created with a commercial 3D scanner, both visually and through taking measurements on the physical objects and comparing with measuring the same details in Autodesk Recap Photo and Shining 3D. The results show a good measurement accuracy for both technologies. The average deviation from the dimensions of the physical objects is between 1.1% and 2.2%. Both 3D surface imaging techniques work well for objects with distinct surface structure and varying geometric shapes, but have problems creating 3D models of dark and glossy objects with homogeneous surface. Photogrammetry is cost-effective and manages to reproduce colour and texture with high accuracy. However, the method is time-consuming and the quality of the results is unpredictable. In addition, the measurement accuracy can be questioned, since the calibration is performed manually by the user in the photogrammetry software. Structured light 3D scanning is a fast process and allows the model built-up and quality to be monitored in real time during the measurement. Visually, 3D scanning reproduces colour and texture with reasonable quality, but not as well as photogrammetry. Also here, the uncertainty in the tolerance analysis is large, since it is difficult to accurately place measurement points in the software. Both imaging techniques can be recommended for use in undergraduate education and student labs, given that a tutorial is provided and suitable scan objects are selected. / På uppdrag av Umeå universitet utförs en undersökning av fotogrammetri och strukturerat ljus 3D-skanning som arbetssätt för att skapa 3D-modeller av fysiska objekt relevanta inom maskinteknik. Syftet med arbetet var att fotogrammetri undersöks som arbetssätt för att skapa 3D-modeller av fysiska objekt från nära håll och där resultatet från fotogrammetrin jämförs med analys av samma objekt med en kommersiell 3D-skanner som använder strukturerat ljus tekniken. En experimentell uppställning för fotogrammetri konstrueras och används för att läsa av tre olika objekt: ett i metall, ett med olika färger och ett i plast. Objekten som väljs för analys är en metallbult, en ask i kartong och en cykelhjälm i plast. 3D-modellerna som avbildas med fotogrammetri jämförs med modeller skapad med en kommersiell 3D-skanner, både visuellt och genom att ta mått på de fysiska objekten och jämföra med mått på samma detaljer i programvarorna Autodesk Recap Photo och Shining 3D. Resultaten visar en bra måttriktighet för båda teknikerna. Snittavvikelsen från måtten på de fysiska objekten är mellan 1,1% och 2,2%. Båda arbetssätt för avbildning fungerar bra för objekt med struktur och varierande geometriska former, men har problem att skapa 3D-modeller av glansiga föremål och objekt med homogen yta. Fotogrammetri är kostnadseffektivt och klarar av att återge färg och textur med hög noggrannhet. Däremot är metoden tidskrävande och resultatets kvalitet är oförutsägbart. Måttriktigheten kan ifrågasättas, då kalibreringen utförs manuellt av användaren i programvaran för fotogrammetri. 3D-skanning med strukturerat ljus är tidseffektivt och har fördelen att modellens uppbyggnad och kvalitet kan följas i real-tid under mätningen. Visuellt återger 3D-skanning färg och textur med någorlunda rimlig kvalitet, men inte lika väl som fotogrammetri. Måttriktigheten kan även med detta arbetssätt ifrågasätts, då det är svårt att noggrant placera ut mätpunkter i programvaran. Det kan rekommenderas att använda metoderna i grundutbildningen om en lathund för arbetssätten skapas och om det i förväg väljs ut objekt som är lämpliga att läsas av.

<p>The objective of this master thesis was to study the performance of an active triangulation system for 3-D imaging in underwater applications. Structured light from a 20 mW laser and a conventional video camera was used to collect data for generation of 3-D images. Different techniques to locate the laser line and transform it into spatial coordinates were developed and evaluated. A field- and a laboratory trial were performed.</p><p>From the trials we can conclude that the distance resolution is much higher than the lateral- and longitudinal resolution. The lateral resolution can be improved either by using a high frame rate camera or simply by using a low scanning speed. It is possible to obtain a range resolution of less than a millimeter. The maximum range of vision was 5 meters under water measured on a white target and 3 meters for a black target in clear sea water. These results are however dependent on environmental and system parameters such as laser power, laser beam divergence and water turbidity. A higher laser power would for example increase the maximum range.</p>

Inom detta examensarbete beskrivs och testas tekniken strukturerat ljus 3D-skanning under användning av en kommersiell 3D-skanner. Arbetet utfördes vid Institutionen för tillämpad fysik och elektronik vid Umeå universitet och ska underlätta implementeringen av 3D-skanning i undervisningen inom högskoleingenjörsprogrammet för maskinteknik. En experimentell uppställning för 3D-skanning byggs upp och fyra olika fysiska objekt avbildas. 3D-modellen skrivs sedan ut med hjälp av en 3D-skrivare. En noggrann toleransanalys utförs där originalet, det digitala och det 3D-utskrivna objektet jämförs. Hårdvaran och mjukvaran som användes under projektets gång för att skapa 3D-modeller av fyra objekt dokumenteras i detalj. Metoden presenteras i form av en guide av hela processen från val av objekt till insamling av mätdata och 3D-modell. Det redogörs för skannerns tekniska funktioner samt om den uppfyller specifikationerna med hänsyn till noggrannhet och precision. Resultaten visar att tekniken kan återskapa fysiska objekt med stor noggrannhet och att den lämpar sig bäst för objekt med hög detaljrikedom, avancerade geometrier och en yta med låg reflektion. / This thesis describes the technology of structured light 3D scanning when being tested with a commercial 3D scanner. The project was carried out at the Department of Applied Physics and Electronics at Umeå University and will aid the implementation of 3D scanning in the education of mechanical engineering at a bachelor’s degree level. An experimental set-up for 3D scanning is built and four different objects are scanned. The 3D model is printed with a 3D printer. An accurate tolerance analysis is performed comparing the original, digital and 3D printed objects. The method is presented in the form of a guide of the process from selection of objects to collection of measurement data and 3D model. It describes the technical functions of the scanner whether it meets the specifications with regard of accuracy and precision. The results show that the technology can reproduce physical objects with great accuracy and that it is best suited for objects with high detail, advanced geometries, and a surface with low reflection.

The objective of this master thesis was to study the performance of an active triangulation system for 3-D imaging in underwater applications. Structured light from a 20 mW laser and a conventional video camera was used to collect data for generation of 3-D images. Different techniques to locate the laser line and transform it into spatial coordinates were developed and evaluated. A field- and a laboratory trial were performed. From the trials we can conclude that the distance resolution is much higher than the lateral- and longitudinal resolution. The lateral resolution can be improved either by using a high frame rate camera or simply by using a low scanning speed. It is possible to obtain a range resolution of less than a millimeter. The maximum range of vision was 5 meters under water measured on a white target and 3 meters for a black target in clear sea water. These results are however dependent on environmental and system parameters such as laser power, laser beam divergence and water turbidity. A higher laser power would for example increase the maximum range.

This master thesis has been performed by request of Dekra Industrial AB. Dekra Industrial AB is a Swedish subsidiary company of the German company Dekra and works for example with safety inspections within the nuclear power industry. The inspections performed by the company are often non-destructive testing (NDT) such as visual inspections of nuclear reactor pressure vessels. The inspection methods used today are considered to be further developed and there is a strong demand of improving the visual inspection. 3D-Imaging techniques are starting to be used as a measuring tool within the industry and could be a potential aid tool for the visual inspection. The purpose with the master thesis is to gain an understanding of 3D-Imaging technique to propose a suitable implementation so that it may be used as an aid tool for visual inspection. The main goal with the master thesis work is to gain knowledge about 3D-Imaging techniques and propose an implementation which may be used in the nuclear power industry. However there are different types of techniques and all of them have advantages and disadvantages. The method began with a comprehensive study about 3D-Imaging techniques, optics of 3D-Imaging and behaviour of electronics in radioactive environment. Information that could not be acquired by literature alone is acquired by interviews and meetings. The chosen 3D-Imaging technique that was considered to be the most suitable was structural light. Structural light is built on a triangulation principle that uses a projector and a camera for acquiring 3D coordinates. By using patterns displayed by the projector onto the object the camera may detect the reflected patterns and thus creating 3D coordinates. A structural light system was built and tested. The main test consisted about a two-level factorial design. The tested factors were triangulation angle, brightness and measurement distance. The test run that had the largest triangulation angle, highest brightness and shortest measurement distance gave the best accuracy. The accuracy was determined by measuring the flatness of the object. The best accuracy was measured to 91.5 μm. Besides the accuracy the technique has proven its potential by being able to scan weld tests and reconstruct well defined point clouds of the weld profiles. In conclusion the goal of the master thesis was reached and the demanded accuracy was reached. The accuracy is comparable with some industrial systems available today. This was possible due to use of a high resolution still camera. Since the camera and projector are commercially available products the tests proves that there is room for further improvements in order to reach better and a more robust accuracy. Keywords: Dekra Industrial AB, Visual testing, Imaging technique, Structural light / Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Dekra Industrial AB. Dekra Industrial AB är ett dotterbolag till Dekra. Dekra Industrial AB arbetar främst med kontroller och provningar inom industrin. Kärnkraftindustrin är en industrigren där DEKRA arbetar med sådan kontroll Inspektionerna som utförs består huvudsakligen av oförstörande provning såsom visuell provning. Metoderna som används idag behöver vidareutvecklas och det finns en stark efterfrågan att förbättra den visuella inspektionen. 3D-avbildningsteknik är allt vanligare inom industrin idag och skulle kunna användas som ett mäthjälpmedel för att komplettera den visuella inspektionen. Syftet med examensarbetet är att få en förståelse för hur väl tekniken fungerar samt att föreslå en tillämpning där den kan komma att användas som ett komplement till den visuella inspektionen. Målet med arbetet är att ta fram underlag och föreslå en tillämpning för provning i högstrålande miljö. 3D-avbildningsteknik är ett generellt namn för många olika typer av tekniker som har sina fördelar respektive nackdelar. Arbetet inleds med en litteraturstudie kring 3D-avbildningstekniker, fysik med avseende på avbildningsteknik, den visuella proceduren idag samt hur elektronik påverkas av högstrålande miljö. Information som inte kan fås via studier inhämtas via intervjuer och möten. Tekniken som valdes att analyseras var strukturerat ljus. Tekniken bygger på en trianguleringsprincip som använder en projektor och kamera för att tillförskaffa 3D-koordinater. Genom att projicera mönster på ett objekt kan kameran detektera det reflekterade mönstret och på så vis skapa 3D koordinater. Ett strukturerat ljus system ställdes upp och testades. Testet bestod huvudsakligen av en försöksplanering där de testade faktorerna var trianguleringsvinkel, ljusstyrka och mätavstånd. Testuppställningen som gav bäst resultat var med störst trianguleringsvinkel, högsta ljusstyrka samt kortast mätavstånd. Noggrannheten bestämdes genom att mäta planheten på objektet. Den bästa noggrannheten som uppnåddes med testet var 91.5 μm. Förutom den goda noggrannheten har tekniken visat sin potential genom att avbilda ett svetsprov som genererade ett väldefinierat punktmoln av svetsprofilen. Sammanfattningsvis uppfylldes målen och det uppställda systemet gav en noggrannhet som är jämförbar med en del system ute på marknaden. Detta var möjligt på grund av att en högupplöst stillbildskamera användes. Det finns potential för förbättringar då komponenterna som används i systemet är kommersiella produkter. Nyckelord: Dekra Industrial AB, Visuell inspektion, Avbildningsteknik, Strukturerat ljus

Inom området maskinteknik finns idag ett stort intresse för Reverse Engineering med hjälp av 3Dskanning. Tekniken utgår ifrån att skapa Computer-Aided-Design (CAD) modeller av reala objekt. Föreliggande projekt utfördes vid institutionen för tillämpad fysik och elektronik vid Umeå universitetet i syfte att utvärdera prestationen av Reverse Engineering av objekt som är utmanade at rita direkt i CAD-program. Fyra olika fysiska objekt valdes för analys: en bult, en tolvkantshylsa, en propeller och ett snäckhjul; det sistnämnda tillhandahållen av företaget Rototilt Group AB. Objekten avbildades med en 3D-skannare som använder sig av metoden strukturerat ljus för att läsa in objektens form och har en noggrannhet på 0,04 mm. De 3Davbildade objekten redigerades sedan och CAD-ritningar skapades. Slutligen skrevs CADmodellerna ut med hjälp av en 3D-skrivare och en toleransanalys med gränsvärdet 0,2 mmutfördes för att jämföra dimensionerna av originalobjekten, de olika digitala modellerna samt de utskrivna objekten. Resultatet visar att Reverse Engineering (med vissa begränsningar) är en bra metod för objekt som är utmanade att modellera i CAD. Med tekniken kan fysiska objektrekonstrueras till CAD-modeller snabbt och med hög noggrannhet. / In the field of mechanical engineering, there is an increasing interest in Reverse Engineering using 3D-scanning. The technology is based on creating Computer-Aided-Design (CAD) models of real objects. The present project was carried out at the Department of Applied Physics and Electronics at Umeå University in order to evaluate the performance of Reverse Engineering of objects that are challenging to draw directly in CAD programs. Four different physical objects were selected for analysis: a bolt, a hex socket, a propeller and a worm wheel; the latter provided by the company Rototilt Group AB. A structured light 3D-scanner with a specified accuracy of 0,04 mm was used to image the objects. The 3D images were then post-processed and transferred to CAD software to create the CAD drawings. Finally, the CAD-models were printed with a 3D printer and a tolerance analysis with a limit of 0,2 mm was performed to compare the dimensions of the original objects, the different digital models and the printed objects. The results show that Reverse Engineering (with some limitations) is a good method for objects that are difficult to model in CAD. The technique is well-suited to reconstruct physical objects into CAD-models quickly and with high accuracy.