Werden herkömmliche Kameras für industrielle Bildverarbeitung in Verbindung mit Laserscannern eingesetzt, müssen die 2D-Bilder unter großem technischem Aufwand mit den Distanzdaten verknüpft werden. Time-of-Flight(ToF)-Verfahren zur 3D-Objekt-Erkennung wie beispielsweise das System des schottischen Unternehmens Odos Imaging verwenden dagegen die gleichen Pixel auf dem Bildsensor, um sowohl Bild- als auch Distanzdaten zu erfassen. Allerdings waren Auflösung und Reichweite vieler ToF-Systeme bis dato für eine Nutzung in den meisten industriellen Anwendungen zu gering. Das 'real.iZ-1K-System' hingegen nutzt einen kurzen, intensiven Lichtpuls, der zusammen mit der digitalen Verarbeitung eine deutlich höhere Pixel­anzahl erlaubt als bisherige Geräte.

Einsatz in Logistik und Robotik

Es gibt viele Anwendungen für bildgebende Verfahren, bei denen auch Distanz-Informationen benötigt werden – beispielsweise in der Logistik und Robotik. Umgekehrt gibt es Einsatzbereiche für Distanzwertmessungen, bei denen Abbildungen notwendig sind: Soll beispielsweise ein Roboter eine Palette beladen, muss er nicht nur den richtigen Karton identifizieren, sondern benötigt daneben Informationen darüber, wie groß oder wie hoch das jeweilige Packstück ist. Auch die genauen Abmessungen der fertigen Palette müssen bestimmt werden, um die Beladung der LKW optimal planen zu können. Die bisher genutzten Kamera-Laserscanner-Kombinationen haben den Nachteil, dass sich das System bewegen muss, um das Tiefenbild eines statischen Objektes zu erfassen. Ein ToF-basiertes Bildgebungsverfahren hingegen kann fest an einem Standort verbleiben und arbeitet ohne bewegliche Teile.

Es gibt zwar bereits ToF-Systeme, die in bestimmten industriellen Anwendungen eingesetzt werden können – beispielsweise bei automatischen Melksystemen, um die Zitzen am Euter der Kuh zu erkennen, und in der Logistik, um die Größe von Objekten auf einer Palette zu erfassen.

Schluss mit mehrdeutigen Messungen

Im maschinellen Sehen und in der Automatisierungstechnik jedoch stellen diese Systeme keine umfassend einsetzbare Alternative zur Kamera-Laserscanner-Kombination dar: Zum einen ist ihre niedrige Auflösung für die meisten Einsatzbereiche nicht ausreichend, zum anderen waren bisherige ToF-Systeme in der Regel phasenbasiert und Messungen nach dieser Methode häufig mehrdeutig.

Phasenbasierte Verfahren emittieren Licht, das in einer bekannten Frequenz moduliert wurde. Das Licht wird von Objekten in der Szene reflektiert und vom Pixel auf dem ToF-Sensor erfasst. Der Pixel hat die Aufgabe, die Phase des reflektierten Lichts festzustellen; dazu werden zumeist vier Punkte abgetastet. Durch die Phasenverschiebung zwischen dem emittierten und dem vom Sensor erfassten Licht lässt sich anschließend die Distanz zu einem Objekt in der Szene erfassen. Aber: Bei stark spiegelnden Objekten in der Szene kann es zu Mehrdeutigkeit bei der gemessenen Phasendifferenz kommen. Wird beispielsweise die Frequenz der modulierten Welle auf 10 m eingestellt, sendet ein stark reflektierendes Objekt in 11 m Entfernung dieselbe Phasenverschiebung zurück wie ein Objekt mit 1 m Abstand zum System. Besonders stark kommt dieser Effekt bei Outdoor-Anwendungen zum Tragen, weil hier ein Referenzpunkt, wie beispielsweise die Rückwand eines Raumes, fehlt.

Kurzer Lichtimpuls statt modulierter Welle

Das Time-of-Flight-System „real.iZ-1K“ hingegen setzt eine gepulste Beleuchtungsmethode ein, die sowohl eine direkte Messung ohne Mehrdeutigkeit der Distanzbestimmung als auch eine hohe Auflösung ermöglicht: Die beiden Beleuchtungseinheiten senden statt einer modulierten Welle einen Blitz, das heißt einen kurzen, aber intensiven unsichtbaren Infrarot-Impuls.

Das „real.iZ“-System ermöglicht eine direkte Messung ohne Mehrdeutigkeit in der Distanzbestimmung.

© Odos Imaging

Sobald dieser auf ein Objekt in der Szene trifft, wird er zum System zurückreflektiert und vom Sensor erfasst.

Bei dieser Methode muss der Pixel auf dem Sensor lediglich die Rückkehr des reflektierten Lichts feststellen. Diese Daten werden anschließend in eine dreidimensionale Rekonstruktion der Szene umgewandelt. Bei weiter entfernten Objekten kommt der Lichtpuls später zum Sensor zurück als bei näher gelegenen, so dass sich ein eindeutiges Distanzbild ergibt. Der CMOS-Bildsensor, der die reflektierten Pulse auffängt, ist als Pixel-Array aufgebaut, bei dem jedes Pixel eine separate Messung durchführt. Außerdem liefert jedes Pixel des Bildsensors sowohl Distanz- als auch Intensitätsinformationen. So entsteht eine pixelgenaue Übereinstimmung von Intensitäts- und Distanzbildern.

Bildnachverarbeitung überflüssig

Im Gegensatz zu anderen Verfahren der Abstandsmessung, die einen Bildsensor verwenden – wie Stereobildverarbeitung oder Lasertriangulation – benötigt das ToF-System nur wenig Kalibrierung und keine Bildnachverarbeitung. Darüber hinaus lassen sich die Pixel des Sensors in drei verschiedenen Modi auslesen: Dis­tanz, Intensität sowie beide Parameter gleichzeitig. Somit ist das System nicht nur zur Aufnahme von 3D-Daten, sondern beispielsweise auch als konventionelle Kamera für maschinelles Sehen verwendbar. Das System besitzt ein GenICam-GigE-Interface, was für Kompatibilität mit diversen Standard-Softwarepaketen zur Bildverarbeitung sorgt.

Unempfindlich gegen Umgebungslicht

Die Auswertung erfolgt bei diesem ToF-System nicht auf dem Sensorchip, sondern kann digital auf einem FPGA ausgeführt werden. Da das Pixel relativ einfach ist, lässt sich auf dem Sensorchip mehr speichern. Das System erreicht die volle SXGA-Auflösung von 1280 × 1024 Pixel beziehungsweise 1,3 Megapixel – ähnlich den meisten 2D-Kameras für maschinelles Sehen. Im Gegensatz zu ToF-Systemen mit niedriger Auflösung hat das hochauf­lösende real.iZ-1K die Fähigkeit, bei gleicher Distanz physisch kleinere Objekte zu erfassen und zu messen. ToF-Systeme liefern die X-, Y- und Z-Po­sition eines jeden Pixels im Bild.

Die hochauflösende Time-of-Flight-Technologie zur 3D-Bildgebung von Odos Imaging verwendet dieselben Pixel auf dem Bildsensor, um sowohl Bild- als auch – in Verbindung mit einer Lichtquelle – Distanzdaten zu erfassen.

© Odos Imaging

Je höher die XY-Auflösung des Sensors ist, desto präziser ist die Lage der davon abgeleiteten X-, Y- und Z-Positionen zu bestimmen. Darüber hinaus lassen sich die Systeme so synchronisieren, dass mehrere von ihnen zur gleichen Zeit dasselbe Objekt abbilden: Es ist möglich, die Systeme sogar direkt aufeinander zu richten, ohne dass es zu Störungen kommt. Das neue ToF-Verfahren ist ohne Interferenzen oder Qualitätsverlust zur Distanzmessung bei allen Lichtverhältnissen verwendbar.

Das Verfahren funktioniert sowohl in Innenräumen als auch im Freien – im Gegensatz zu bisherigen phasenbasierten ToF-Systemen, die im Außeneinsatz häufig Probleme mit dem Umgebungslicht haben. Ihre Funktionsweise erfordert, dass der Verschluss des Sensors für eine erhebliche Zeitspanne offen bleibt. Dies kann dazu führen, dass der Sensor nicht nur das für die ToF-Messung benötigte reflektierte Licht erfasst, sondern auch unerwünschtes Sonnenlicht. Bei der pulsbasierten Vorgehensweise muss der Verschluss nur für einen sehr kurzen Zeitraum offen bleiben, was den Einfluss des Umgebungslichts auf die Messung minimiert.

Das System hat eine Reichweite von 0,5 bis 10 m; beim Einsatz zweier zusätzlicher Beleuchtungsmodule sind maximal 20 m möglich. Anwender können das System auf den jeweiligen Einsatzbereich abstimmen: So gibt es die Möglichkeit, ein sehr weites Ausleuchtungsprofil bei gleichzeitig geringerer gewünschter Reichweite von etwa 1 bis 5 m zu verwenden oder ein engeres Beleuchtungsprofil bei größerer Reichweite von 15 bis 20 m. Auch Kombinationen beispielsweise mit mehreren Beleuchtungseinheiten, von denen einige über ein breiteres, andere über ein engeres Profil verfügen, sind möglich.

Autor: Ritchie Logan ist Vice President Business Development bei Odos Imaging in Edinburgh.

Die Firma Odos Imaging

Das Technologie-Unternehmen Odos Imaging Limited wurde 2010 in Edinburgh gegründet und ist im Forschungs- und Entwicklungszentrum Scottish Microelectronics Centre angesiedelt. Das Unternehmen hat sich auf die Entwicklung und Produktion von Sensorsystemen für die Herstellung hochauflösender 3D-ToF-Video-Streams spezialisiert. Ihr inzwischen marktreifes Lichtlaufzeitmessungs-Verfahren basiert ursprünglich auf einer Entwicklung von Siemens in München. Odos Imaging will darauf ein Portfolio aus modularen ToF-Systemen mit unterschiedlicher Auflösung ab 1,3 Megapixel sowie mit Reichweiten ab 15 m aufbauen.