Die dritte Dimension

Wie viele Technologien in der Bildverarbeitung ist 3D-Vision ein Branchen- und Anwendungs-übergreifender Ansatz. Für alle Verfahren in diesem Segment gilt: In der dritten Dimension werden stets deutlich mehr Daten der Prüfobjekte oder Szenen erfasst als mit 2D-Bildverarbeitungssystemen. Im industriellen Umfeld haben diese zusätzlichen Informationen das Potenzial, die Produktivität von Anlagen zu steigern. Außerhalb der produzierenden Industrie ermöglichen sie es unter anderem, aufgenommene Szenen genauer zu beschreiben und somit beispielsweise detailliertere Angaben für Navigationssysteme zu gewinnen.

3D-Bildverarbeitungssysteme decken ein sehr breites Einsatzfeld an möglichen Anwendungen mit unterschiedlichsten Anforderungen ab. Keine aktuelle 3D-Vision-Technologie ist in der Lage, das volle Spektrum dieser Anforderungen optimal und komplett abzudecken. Aus diesem Grund haben sich in der Vergangenheit grundlegend unterschiedliche Ansätze entwickelt, wie man die Erfassung von 3D-Bilddaten angehen kann. Die etabliertesten Verfahren sind derzeit die Lasertriangulation, Stereovision, strukturiertes Licht und Time-of-Flight.

‚Klassiker‘ Lasertriangulation

Die Lasertriangulation kann als ältestes Verfahren für die Gewinnung von 3D-Bilddaten bezeichnet werden, für das schon sehr früh industrielle Komponenten verfügbar waren und das auch aus diesem Grund heute die weiteste Verbreitung am Markt hat. Der Messmechanismus ist relativ einfach: Eine Laserlinie wird auf das zu prüfende Objekt projiziert und eine in einem bekannten Winkel zum Laser angebrachte Kamera erfasst diese Laserlinie, während Kamera und Objekt relativ zueinander bewegt werden. Höhenunterschiede am Objekt führen zu einem Versatz der Laserlinie, aus dem für jeden Punkt die Höhendifferenz per Triangulation berechnet werden kann. Lasertriangulation ist ein aktives Verfahren, da man die Laserlinie projizieren muss, und es ist zudem ein scannendes Verfahren, da sich Sensor oder Objekt bewegen müssen.

Daraus ergeben sich zwei Hürden für die 3D-Datenqualität: Zum einen verhalten sich Laser in Abhängigkeit vom Material des Prüfobjekts ‚gut‘ oder ‚schlecht‘. Aus Sicht der Bildverarbeitung schwierig sind unter anderem spiegelnde oder schlecht reflektierende Materialien sowie Materialien, in die der Laser eindringt und an anderer Stelle wieder austritt. Abhilfe lässt sich hier nur schaffen durch die geeignete Wahl der Laser-Farbe mit der entsprechenden Empfindlichkeit des Detektors sowie einer geometrisch optimierten Anordnung der Laserquelle zur eingesetzten Kamera.

Präzise 3D-Rekonstruktionen gelingen mit dem ‚AltiZ‘ Mehrkopf-Profilsensor von Matrox auch bei schwierigen Geometrien. Die hohe Genauigkeit des Verfahrens ist erkennbar an der Beschriftung des Bauteils, die Bestandteil des Spritzgusses ist. © Rauscher

Das zweite Problem ergibt sich aus der Winkelanordnung zwischen Laser und Kamera, die an steilen Höhensprüngen zu Abschattungen führen kann. An den betroffenen Stellen verdeckt ein Teil des Prüfobjekts die Laserlinie, die sich somit von der Kamera nicht mehr erfassen lässt. Dies führt folglich zu Bereichen, in denen keine Messdaten zur Auswertung vorliegen.

Lösen lassen sich solche Fälle durch die Verwendung von Mehrkopf-Kameras: Der 3D Laser-Profilsensor ‚Matrox AltiZ‘ beispielsweise besitzt zwei integrierte Kameras, die eine gleichzeitige Betrachtung der Laserlinie mit zwei gegenüberliegenden optischen Sensoren ermöglichen und somit die Gefahr von Lücken in der Bildaufnahme reduzieren. Erfordert die Anwendung eine noch sicherere Erfassung aller Objektpunkte, kann dies durch ein Setup mit mehreren um das Objekt positionierten ‚AltiZ‘-Profilsensoren erreicht werden. 3D-Software wie etwa die Lösungen von Matrox ermöglicht dann das Zusammenführen der Daten aller Sensoren zu einer großen Punktewolke. Auf diese Weise lassen sich auch von kompliziert geformten Objekten vollständige Volumenaufnahmen erstellen, um sie für die nachfolgende Bildverarbeitung vorzubereiten.

Strukturiertes Licht

Ein erweitertes Verfahren der Lasertriangulation stellen Kameras mit strukturiertem Licht dar. Bei dieser Technologie werden unterschiedliche, definierte Licht-Pattern wie beispielsweise Streifen- oder Punktmuster auf das Objekt projiziert und von einer Kamera aufgenommen. Die räumliche Form des Objekts verursacht Verzerrungen der Lichtmuster, die in Form einer 3D-Punktewolke erfasst werden. Über die zugehörige Software lässt sich aus den ermittelten Daten die exakte 3D-Form des Objekts berechnen.

Stärken von Kamerasystemen auf Basis von strukturiertem Licht sind unter anderem ihre hohe Genauigkeit und die Schnelligkeit der Messmethode: Das Verfahren erfasst komplette Oberflächen auf einmal und liefert sehr präzise 3D-Daten. Insbesondere bei kurzen Distanzen und der Untersuchung kleiner Objekte hat sich diese Methode als hervorragende Option zur Detailerfassung etabliert.

Das Beispiel der 3D-Rekonstrution einer Eierpackung mit einem Stereovision-Sensor zeigt, .... © Rauscher

Der in der Slowakei ansässige Hersteller Photoneo etwa hat eine patentierte 3D-Technologie und entsprechend 3D-Kameras mit integrierten Projektoren entwickelt. Die Produktlinien ‚MotionCam-3D‘ und ‚Alpha 3D‘-Scanner sowie die 3D Snapshot-Scanner-Serie ‚PhoXi 3D‘ ermöglichen die Aufnahme dichter Punktewolken von statischen und bewegten Objekten und sind dank der eingesetzten GigE Vision- und GenICam-Schnittstellen mit vielen Software-Produkten am Markt kompatibel. Sie sind unempfindlich gegen Umgebungslicht und liefern selbst bei schwierigen Oberflächen präzise 3D-Daten der untersuchten Objekte.

Stereovision-Systeme

.... wie das Ergebnis bei homogenen Oberflächen mit einer Patternprojektion verbessert wird. © Rauscher

Bei Stereovision-Systemen wird die Tiefeninformation analog zum menschlichen Sehen mit zwei Augen aus zwei Bildern gewonnen, die von zwei in einem bekannten Abstand zueinander installierten Kameras zeitgleich aufgenommenen werden. Aus dieser Vorgehensweise resultieren Bildpaare der aufgenommenen Szene, in denen sich zueinander gehörende Bildbereiche per Mustererkennung identifizieren lassen. Da dasselbe Objekt in den beiden Bildern an unterschied- lichen Positionen erscheint, kann bei bekannter Aufnahmegeometrie aus der Verschiebung (Disparität) die Entfernung zum Objekt – und damit zum 3D-Sensor – berechnet werden.

Stereovision lässt sich sowohl aktiv als auch passiv einsetzen, da die Szene nicht zwingend beleuchtet werden muss. Das Verfahren eignet sich daher sehr gut für große Szenen sowie Aufnahmen im Außenbereich.

Ein Nachteil dieser Methode ist die benötigte Rechenleistung: Das Auffinden der zueinander gehörenden Bildpunkte in jedem Bildpaar macht Stereovision zu einem rechenintensiven Verfahren. Zudem stoßen Stereovision-Systeme bei homogenen oder strukturarmen Oberflächen an ihre Grenzen, da dort nur wenige markante Bildmerkmale für die Berechnung der Tiefeninformation zur Verfügung stehen. Durch den gezielten Einsatz strukturgebender Technologien wie etwa einem Random-Dot-Projektor lassen sich diese Herausforderungen jedoch meistern. So kann Stereovision selbst in Szenarien eingesetzt werden, die ohne zusätzliche Maßnahmen als schwierig gelten würden.

Aktuelle Vertreter dieser Technologie sind unter anderem die ‚Stereo ace‘-Kameras von Basler mit werkseitiger Vorkalibrierung, hoher Sensorauflösung und einem integrierten Musterprojektor. Dank extrem niedriger Latenzen eignen sie sich insbesondere für dynamische Pick-and-Place-Anwendungen vor allem in der Logistik. Mit den industrietauglichen Kameras der ‚Stereo visard‘-Serie ermöglicht Basler Robotern die Echtzeit-Wahrnehmung ihrer Umgebung. Mit vorinstallierter Onboard-Software und passenden Applikationspaketen sind diese Stereovision-Kameras sofort für klassische Aufgaben in der bildgeführten Robotik wie etwa das Greifen, Platzieren oder Navigieren einsatzbereit.

Time-of-Flight-Technologie

Kameras auf Basis der Time-of-Flight (ToF)-Technologie erfassen 3D-Daten auf einem physikalisch anderen Weg: Zunächst wird ein Lichtimpuls ausgesendet, der von einem Objektpunkt reflektiert und von der ToF-Kamera wieder aufgenommen wird. Aus der gemessenen Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang des reflektierten Signals kann die Distanz zwischen Kamera und Objektpunkt relativ genau bestimmt werden. Da für jedes Pixel des ToF-Sensors die Laufzeit des kodierten Lichtimpulses gleichzeitig gemessen wird, wird eine dreidimensionale Aufnahme der untersuchten Objekte erstellt.

Durch die ToF-Technologie werden die 3D-Daten in einem Schuss vom ToF-Sensor generiert und damit hohe Bildwiederholraten ermöglicht. Eine Time-of-Flight-Kamera ist ein fertig kalibrierter 3D-Sensor zur sofortigen Verwendung am Einsatzort. Zudem sind ToF-Kameras sehr kompakt in der Bauform und robust gegen Vibrationen und Schocks, was ihren Einsatz auch an Roboterarmen oder fahrerlosen Transportsystemen zulässt.

Peter Stiefenhöfer ist Inhaber der PS Marcom Services in Olching. © PS Marcom

Ein leistungsfähiger Vertreter der ToF-Technologie ist die industrielle 3D-Kamera ‚blaze‘ von Basler. Mit nur einer Aufnahme liefert der integrierte High-End ToF-Sensor IMX556 Sensor von Sony 2D- und 3D-Daten, so dass sich Höhen- und Grauwertinformationen parallel auswerten lassen. Der Sensor und die integrierten Laserdioden der Kamera arbeiten bei einer Wellenlänge von 850 oder 940 nm, ein Bereich, in dem das Spektrum der Sonne eine Lücke aufweist. So ermöglicht die Kamera, die für Arbeitsbereiche von 0 bis 10 m einsetzbar ist, auch Außenaufnahmen mit einer Auflösung von 640 × 480 Pixeln bei einer Genauigkeit von ±5 mm.

Das ideale 3D-Verfahren

Die verschiedenen Verfahren zur 3D-Bildaufnahme sind durch unterschiedliche Merkmale, Stärken und Schwächen gekennzeichnet. Das ‚eine ideale‘ Verfahren existiert somit nicht, zu unterschiedlich sind die technischen Leistungsdaten, zu verschieden die Anforderungen an die zu untersuchenden Objekte und die Aufnahmebedingungen. Letztendlich haben auch die Kosten wesentlichen Einfluss auf die jeweils optimale Lösung für eine Aufgabenstellung. Bei Kenntnis der spezifischen Anwendung und deren Anwendungsumgebung ist jedoch eine sinnvolle Auswahl des am besten für eine vorliegende Aufgabe geeigneten 3D-Verfahrens gut möglich. So eignet sich das Lasertriangulationsverfahren sehr gut für 3D-Präzisionsaufnahmen, um beispielsweise bestückte Elektronikboards exakt zu inspizieren. Kamerasysteme auf Basis von strukturiertem Licht zeichnen sich unter anderem durch ihre hohe Genauigkeit und die Schnelligkeit der Messmethode aus. Stereovision-Systeme sind prädestiniert für die Aufnahme größerer Szenen und werden unter anderem bei Indoor- und Outdoor-Navigationsanwendungen häufig eingesetzt. Die ToF-Technologie spielt ihre Stärken speziell in Logistik-Anwendungen aus, wo aufgrund der hohen Stückzahlen ein starker Kostendruck vorhanden ist, die Messgenauigkeit zum Beispiel bei der Paketsortierung jedoch nicht entscheidend ist.

Mit Produkten aus allen vier genannten 3D-Technologien unterstützt Rauscher Bildverarbeitungs-Anwender bei der Realisierung ihrer 3D-Vision-Lösungen, unter anderem mit ausgiebigen Tests, detaillierten Voruntersuchungen und bei Bedarf auch der Entwicklung von Demonstratoren.