Die exakte Inspektion und Vermessung komplexer Formen zählt zu den größten Herausforderungen in der Bildverarbeitung. In den bereits realisierten Anwendungen kommen vier Verfahren besonders häufig zum Einsatz: Laser-Triangulation, Stereo-Vision und Streifenlichtprojektion – diese drei Aufnahmemethoden beruhen auf geometrischen Berechnungen –, sowie Time-of-Flight, die auf der Auswertung von Lichtlaufzeiten basiert.

Lichtschnittverfahren

Das Lichtschnittverfahren wird auch als Laser-Triangulation bezeichnet. Ein Objekt bewegt sich unter einer Laserlinie hindurch, wobei eine im definierten Winkel montierte Kamera die einzelnen Konturschnitte aufnimmt.

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Bei der Laser-Triangulation – auch Lichtschnittverfahren genannt – beleuchtet ein Linienlaser das Mess-Objekt. Um ein Profil zu erzeugen, muss sich der Prüfling relativ zu der erzeugten Laserlinie bewegen, die sich aufgrund der Objektgeometrie verformt. Eine im festen Winkel zur Laserlichtschnittebene angeordnete Kamera nimmt Bilder der entstandenen Linienkontur auf. Während sich das Objekt unter der Laserlinie bewegt, entstehen mehrere Profile, deren Aneinanderreihung eine so genannte 2,5D-Range-Map ergibt. Einige 3D-Kameras verarbeiten diese Informationen schon intern weiter und geben direkt 3D-Punktwolken aus, was den Aufwand auf dem Host-Rechner reduziert. Bei anderen Systemen erfolgt die Umrechnung der Range-Maps in Punktwolken im Bildverarbeitungsrechner.

Nach der Umrechnung der 2,5D-Range-Maps in 3D-Punktwolken lässt sich ein Ausgleich von Positions- und Rotationsabweichungen in allen sechs Freiheitsgraden durchführen. Somit ist es nicht mehr notwendig, Prüfobjekte hochgenau auszurichten oder zuzuführen. Dadurch reduzieren sich der Kosten- und Zeitaufwand gegenüber der lagegenauen Zuführung deutlich und der Durchsatz erhöht sich. Einer der Knackpunkte des Laser-Triangulations-Verfahren ist die nötige Relativbewegung von Prüfling und Laser­linie, denn diese muss mechanisch ermöglicht werden. Zu den Herausforderungen zählen außerdem so genannte Abschattungen: Je nach Oberflächenform ergibt es sich, dass die Laserlinie Konturtäler nicht erreicht oder die Kamera die Linie nicht komplett erfassen kann. An diesen Stellen liegen in der Folge keine Höheninformationen vor und mögliche dort vorhandene Fehler bleiben verborgen.

Eine Lösung stellt die Verwendung von mehreren Kameras dar, welche die Laserlinie aus unterschiedlichen Richtungen aufnehmen. Die Zusammenfassung der Daten mehrerer Kameras zählt heute zu den Standardaufgaben der Software-Werkzeuge für die Bildverarbeitung. Bei dem Software-Paket Common Vision Blox des Anbieters Stemmer Imaging heißt diese Funktionsbibliothek Merge 3D. Ein Beispiel zeigt, wie das Lichtschnittverfahren in der Logistik Mehrweg-Behälter inspiziert: Die Anlage E.SEE Con-Trol von Eckelmann prüft die Behälter auf Beschädigungen und Verschmutzungen. Mehrere Kameras nehmen 3D-Bilder der Behälter auf, die in einem Vergleich mit einem Modell der Kiste ausgewertet werden. Mit Hilfe einer Klassifikation der gefundenen Gebrauchsspuren bewertet die Bildverarbeitung, ob die Beeinträchtigungen tolerierbar sind oder ob der Behälter ausgeschleust werden muss. Je nach Prüftiefe schafft die Anlage 1800 bis 3000 Einheiten in der Stunde.

Stereo-Vision

Um bei der Laser-Triangulation „Blinde Flecken“ zu vermeiden, sind oft mehrere Kameras nötig.

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Eng an das biologische Sehen angelehnt benötigt das Verfahren Stereo-Vision in der Regel zwei Kameras. Auch hier kommt das geometrische Verfahren der Triangulation zum Einsatz, um aus den beiden 2D-Bildern ein dreidimensionales Bild des Objekts zu erstellen. Für den Einsatz im Produktionsumfeld eignet sich dieses Verfahren in der Regel nicht, da Referenzmarken oder zufällige Muster auf dem Objekt nötig sind, um jeden Objektpunkt des Prüflings eindeutig einem Pixel in beiden 2D-Bildern zuordnen zu können. Anzutreffen ist Stereo-Vision häufig in der Koordinatenmesstechnik, der 3D-Vermessung und in mobilen Robotern für den Service-Bereich sowie in für den Menschen gefährlichen beziehungsweise unzugänglichen Umgebungen. Bei diesem Verfahren ist eine Bewegung der Prüflinge zwar möglich, aber im Gegensatz zum Lichtschnittverfahren nicht zwingend nötig.

Strukturiertes Licht

Bild 3. Ein durch das Lichtschnittverfahren erzeugtes Höhenbild einer Transport­kiste, die so auf Beschädigung und Verschmutzung geprüft wird.

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Im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Verfahren erfordert die 3D-Bildaufnahme auf Basis der Streifenlichtprojektion ruhende Objekte. Diese Technologie arbeitet mit codiertem Licht, das zum Beispiel mit Hilfe von Mikrospiegel-Projektoren erzeugt wird. Das streifenförmig projizierte Licht wird an der Höhenstruktur des Prüfobjekts zu einem Lichtmuster verzerrt. Eine im festen Winkel angeordnete Kamera nimmt dieses Muster auf (Bild 4).

Im Gegensatz zu Laserscannern, bei denen die maximale Lichtintensität über mehrere Kamerapixel hinweg ausgewertet wird, erlaubt die Streifenlichtprojektion die Auswertung der Lichtintensität in jedem einzelnen Kamerapixel. Dies führt zu einer um den Faktor 2 feineren Höhenauflösung solcher Systeme im Vergleich zu Laserscannern. Diese Auflösung liegt bei der Streifenlichtprojektion bezogen auf die Abtastlänge im Bereich von 1:10 000. Eine Abwandlung dieser Technologie nutzt beispielsweise die Spielekonsole Xbox von Microsoft in Form der zugehörigen Spielsteuerung Kinect. Diese setzt Bewegungen der realen Spieler in Aktionen der virtuellen Spielfiguren um und arbeitet dabei auf Basis einer Punktprojektion im unsichtbaren Infrarotlichtbereich und einer Infrarotkamera. In der Kinect-Leiste sind beide Kameras in einer festen Anordnung mit einer RGB-Kamera kombiniert, die zusätzlich ein farbiges 2D-Bild der Szene liefert.

Ein Beispiel für den Einsatz von strukturiertem Licht im industriellen Kontext ist das Messsystem Atos des Braunschweiger Unternehmens GOM (Gesellschaft für Optische Messtechnik). Es vermisst unter anderem Blechbauteile bei BMW, Audi und Volkswagen. Atos arbeitet mit codiertem Streifenlicht und zwei Kameras. Eine Einzelmessung dauert ein bis zwei Sekunden und wird anhand von zuvor aufgebrachten Referenzpunkten automatisch in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem überführt. Während des laufenden Messvorganges überprüft die Software permanent die Faktoren Kalibrierung, Sensorbewegung und Umgebungsänderung, die Einfluss auf die Messungen haben könnten.

Lichtlaufzeitmessung

Bild 4. Bei der Streifenlichtprojektion sind Kamera und Projektor in einem festen Winkel zueinander angeordnet. Diese Methode erreicht tendenziell höhere Auflösungen als das Lichtschnittverfahren.

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Ein weiteres, in der 3D-Bildverarbeitung verbreitetes Verfahren ist Time of Flight (Tof) – auch Laufzeitverfahren genannt. Sensoren auf Basis dieser Messmethode leuchten die Szene mittels eines Lichtimpulses aus. Eine Kamera misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Objekt und wieder zurück braucht. Da die benötigte Zeit proportional zur Distanz ist, liefert die Kamera für jeden Bildpunkt die Entfernung des darauf abgebildeten Objektes. Mit dieser Technik lässt sich ein Entfernungsbereich von einigen wenigen Metern bis hin zu vierzig Metern mit bis zu 100 Bildern pro Sekunde vermessen. Dabei liegt die Tiefenauflösung bei etwa 1 cm. Die seitliche Auflösung beträgt bis zu 200 × 200 Pixel.

Autor: Dr. Tobias Henzler ist im Vertrieb von Stemmer Imaging in Puchheim tätig.

Komponenten für 3D-Vision

Die Kamera Area Scan 3D von VRmagic arbeitet auf der Basis einer Streifenlichtprojektion durch Mikrospiegel.

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In den vergangenen Jahren hat sich das Angebot an Hardware- und Software-Komponenten für die 3D-Bildverarbeitung deutlich erweitert. Neben einzelnen Komponenten wie den Linienlasern für das Lichtschnittverfahren und herkömmlichen Kameras sind mittlerweile auch auf 3D spezialisierte Aufnahmesysteme verfügbar.

Ein Beispiel ist hier der für 3D-Vermessungen geeignete, intelligente 3D-Sensor Gocator des kanadischen Herstellers LMI (Bild). Dieser nach dem Laser-Triangulationsverfahren arbeitende Sensor erlaubt einen schnellen Einstieg in die 3D-Vermessung, da ein Web-Interface die Einrichtung ohne Programmierkenntnisse ermöglicht. Im Bereich der Streifenlichtprojektion hat der Mannheimer Hersteller VRmagic mit Areascan 3D eine Kamera im Programm, die sich für Aufgaben zur Lage- und Vollständigkeitskon­trolle sowie für Soll-Ist-Vergleiche an komplexen Freiform-Objekten eignet. Die Streifenlicht-Projektion basiert auf einem Projektor mit Mikrospiegeln. Diese Technik erlaubt eine kompakte Bauform.

Eine wesentliche Komponente für erfolgreiche 3D-Anwendungen stellt nicht zuletzt die eingesetzte Software dar. Sie muss eine rasche und exakte Erkennung geringfügiger 3D-Maßabweichungen in Echtzeit ermöglichen, um eine schnelle Gut-/Schlecht-Entscheidung über das geprüfte Objekt treffen zu können. Eine umfangreiche Bibliothek bietet hier beispielsweise der Bildverarbeitungsanbieter Stemmer Imaging mit seinem Paket Common Vision Blox.