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Bildverarbeitung: 3D-Sehen leicht gemacht

Zu wenig Rechenleistung, hohe Preise und ungenügende Exaktheit haben frühere 3D-Systeme in vielen Anwendungen ausgebremst. Heute dagegen hält die Technologie durch gesteigerte Performance und hochauflösende Sensoren in immer mehr Branchen Einzug.

3-D-Kamerasystem Bildquelle: © The Imaging Source Europe

Sei es der smarte Industrieroboter im Industrie-4.0-Zeitalter, der sich durch dreidimensionale Informationen im Raum orientiert, der Leergutautomat, der die Flaschen im Getränkekasten zählt, oder Oberflächeninspektionssys-teme, die kleinste Materialdefekte aufdecken – dreidimensionalen Informationen von Umgebung und Objekten, akquiriert durch moderne 3D-Sensorik, gehört in vielen industriellen Applikationen die Zukunft. Mittlerweile existieren am Markt unterschiedliche Technologien, um dreidimensionale Informationen einer Szene einzusammeln. Dabei muss grundlegend zwischen aktiven und passiven Verfahren unterschieden werden: Aktive Verfahren, wie etwa ‚Lidar‘ (Light detection and ranging) oder Time-of-Flight-Sensoren, setzen eine aktive Lichtquelle ein, um Entfernungsinformationen zu bestimmen; passive Verfahren nutzen lediglich die durch Kameras gewonnenen Bildinformationen, ähnlich der Entfernungswahrnehmung des menschlichen visuellen Wahrnehmungssystems.

Alle Verfahren bringen jeweils Vor- und Nachteile mit sich: Während Time-of-Flight-Systeme in der Regel mit wenig Rechenaufwand auskommen und kaum Einschränkungen bezüglich der Szenenstruktur mit sich bringen, so ist die Ortsauflösung aktueller Time-of-Flight-Systeme mit maximal 800 × 600 Bildpunkten eher gering und ihr Einsatz in Außen-gebieten durch die Infrarotstrahlung der Sonne stark eingeschränkt. Passive  Multi- View-)Stereosysteme bieten aufgrund der mittlerweile verfügbaren Bildsensoren sehr hohe Ortsauflösungen, erfordern aber einen nicht zu unterschätzenden Rechenaufwand und leiden unter schwach oder sich stark wiederholend texturierten Szenen. Nichtsdestotrotz ermöglichen heutige Rechen-Ressourcen sowie optionale Musterprojektoren den Echtzeit-Einsatz von Stereosystemen bei hohen Orts- und Tiefenauflösungen. Gerade deshalb zählen sie zu den beliebtesten und vielseitigsten Systemen für die Akquisition von 3D-Informationen.

(Multi-View-)Stereosysteme bestehen aus zwei oder mehr Kameras, die gleichzeitig eine Szene begutachten. Sind die Ka-meras kalibriert und lässt sich zu einem Objektpunkt in der Szene dessen Bildpunkt in den einzelnen Kamera-Ansichten wiederfinden, so kann der dreidimensionale Objektpunkt aus den Bildpunkten durch Triangulation rekonstruiert werden. Dabei hängt die er-reichbare Genauigkeit vom Abstand der Kameras zueinander (Baseline), dem Vergenz-Winkel zwischen den Kameras, der Pixelgröße des Sensors und der Brennweite ab. Die essenziellen Komponenten Kalibrierung und Korrespondenzfindung stellen dabei bereits hohe Ansprüche an die zugrundeliegenden Bildverarbeitungsalgorithmen.