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IDS Imaging Development Systems

3D-Daten direkt von der Kamera

03. Juli 2020, 08:39 Uhr   |  Inka Krischke


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Höhere 3D-Auflösung durch verschiebbare Musterprojektion

‚Ensenso‘-Kameras arbeiten nach dem Prinzip des räumlichen Sehens, das dem menschlichen Sehvermögen nachempfunden ist: Dabei betrachten zwei Kameras eine Szene aus unterschiedlichen Positionen. Obwohl der Bild-Inhalt beider Kamerabilder identisch scheint, weisen sie Unterschiede in der Lage der betrachteten Objekte auf. In einem Bildvergleich suchen spezielle Algo-rithmen nach Bildpunkten und visualisieren ihre Verschiebung (Disparity) in einer Karte mit allen gefundenen Unterschieden (Disparity Map). Da Abstand und Betrachtungswinkel der Kameras sowie die Brennweite der Optiken bekannt sind, kann die ‚Ensenso‘-Software diese Abweichungen mittels Triangulationsverfahren in bekannte Längen konvertieren und damit die 3D-Koordination des Objektpunkts für jeden einzelnen Bild-Pixel bestimmen.

Da das klassische Verfahren direkt von Lichtver­hältnissen und den Texturen der Objekte in der Szene abhängig ist, haben wenig texturierte beziehungs-weise spiegelnde Oberflächen direkte Auswirkungen auf die Qualität der resultierenden 3D-Punktewolke: Können nur wenige markante Bildpunkte erkannt, verglichen und örtlich bestimmt werden, entstehen unvollständige Tiefeninformationen der Szene.
Dieses klassische Stereo-Vision Verfahren verbessern die Kameras mit speziellen Techniken. Ein lichtstarker Projektor projiziert auch bei schwierigen Lichtverhältnissen mittels einer Pattern-Maske mit zufälligem Punktemuster eine kontrastreiche Textur auf das abzubildende Objekt und ergänzt somit die auf dessen Oberfläche nicht oder nur schwach vorhandenen Strukturen. Mittels der Hilfsstrukturen auf der Objektoberfläche erkennen die Algo-rithmen beim Bildvergleich eine viel höhere Anzahl an Bildpunkten, inklusive ihrer Positionsänderung, woraus eine vollständigere, homogenere Tiefeninformation der Szene resultiert.

Mit einer verschleißarmen Piezo-Mechanik lässt sich die Position der Pattern-Maske im Lichtstrahl zusätzlich linear in sehr kleinen Schritten verschieben. Ergo verschiebt sich die projizierte Textur auf der Objektoberfläche der Szenenobjekte ebenfalls und erzeugt damit zusätzliche, variierende Informationen auf glänzenden, dunklen oder volumenstreuenden Ober-flächen. Bei statischen Szenen können durch diese ‚FlexView‘-Technik mehrere Bildpaare mit unterschiedlichen Texturen aufgenommen werden, die kombiniert in einer höheren Anzahl von Bildpunkten resultieren. Die größere Auflösung ermöglicht die Berechnung detaillierterer Disparitätsbilder und Punktewolken, was sich in einer höheren Robustheit der 3D-Daten auf schwierigen Oberflächen widerspiegelt. 
Mit nur drei bis fünf Bildpaaren kann so die X-, Y- und Z-Auflösung bereits verdoppelt werden. Das nochmals verbesserte ‚FlexView2‘ nutzt ein leicht modifiziertes Projektionsmuster. Hierbei wird das zufällige Punktmuster in regelmäßigen Abständen von Streifen mit Grauverläufen durchbrochen. Diese Streifen ermöglichen eine präzisere Subpixel-Interpolation bei der Stereo-zuordnung. Bei Verwendung von acht und mehr Bildpaaren kann die X-, Y- und Z-Auflösung im Vergleich zu ‚FlexView1‘ um abermals das Doppelte gesteigert werden.

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2. Onboard 3D-Verarbeitung
3. Höhere 3D-Auflösung durch verschiebbare Musterprojektion

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