Erste IDS-eigene 3D-Kamera
»Wir wagen den Schritt in ein neues Marktsegment«
Mit der »Nion« als erster selbst entwickelter und produzierter 3D-Kamera steigt die IDS Imaging Development Systems GmbH in den Markt der Time-of-Flight-Kameras (ToF) ein. Die Stereo-Vision-Kameras der Marke »Ensenso« von Optonic bleiben aber im Produktangebot von IDS.
Patrick Schick, Product Manager 3D Vision bei IDS, erläutert die Hintergründe.
Markt&Technik: Welche Strategie verfolgt IDS mit dem Einstieg in den Bereich Time-of-Flight-Kameras und mit der ToF-Kamera Nion? Welche Rolle werden die Ensenso-Kameras und wird die ToF-Kamera Nion im 3D-Portfolio von IDS künftig spielen?
Patrick Schick: Mit der Einführung unserer Nion wagen wir ganz bewusst den Schritt in ein neues Marktsegment. Die Ensenso-Kameras bleiben weiterhin die hochpräzisen Premium-Lösungen im oberen Marktbereich, aber mit der Nion sprechen wir gezielt Anwender an, die einen attraktiven und kosteneffizienten Einstieg in die 3D-Bildverarbeitung suchen. Für uns steht dabei im Vordergrund, dass die Nion keine Konkurrenz zu den Ensenso-Modellen darstellt, sondern vielmehr unser Portfolio sinnvoll ergänzt. Sie ist vor allem dann die richtige Wahl, wenn es auf niedrige Kosten und verlässliche Tiefendaten ankommt. So können unsere Kunden, je nach Bedarf und Anwendung, immer auf das passende Produkt im IDS-Portfolio zurückgreifen – vom günstigen Einstieg bis hin zur Premiumlösung. Gerade im Vergleich zu anderen ToF-Kameras am Markt zeichnet sich die Nion durch ihr besonders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und die solide Datenqualität aus, vor allem im Einstiegssegment. Zudem bietet sie eine deutlich höhere X/Y-Auflösung als herkömmliche VGA-ToF-Kameras, was nicht nur mehr Datenpunkte, sondern auch eine präzisere Erfassung ermöglicht.
Wie sieht die Roadmap von IDS betreffs 3D-Bildverarbeitung im Allgemeinen und ToF im Besonderen aus?
Wir sehen ein großes Potenzial im 3D-Entry-Level-Bereich, vor allem mit der ToF-Technologie. Mit der Nion sammeln wir derzeit gezielt Praxiserfahrungen und Kundenfeedback, um unsere Roadmap optimal auf die Bedürfnisse des Marktes abzustimmen. Unser Ziel ist es, künftig weitere passende 3D-Lösungen für unterschiedliche Anwendungen anbieten zu können – dabei stehen die Anforderungen unserer Kunden klar im Fokus. Wir wollen aber aktuell nicht zu viel verraten.
Für welche Anwendungen eignen sich ToF-Kameras generell? Für welche ist die ToF-Kamera Nion ausgelegt?
ToF-Kameras sind sehr vielseitig, wenn es darum geht, räumliche Informationen schnell und kostengünstig zu erfassen. Oft kommt es gar nicht darauf an, die höchste Präzision zu erreichen, sondern darauf, dass die Tiefendaten einfach zuverlässig sind. Genau dafür sind ToF-Kameras bestens geeignet, weil sie sich leicht integrieren und auswerten lassen. Das funktioniert oft auch an Stellen, wo man bisher mit 2D-Kameras und aufwendiger Bildverarbeitung gearbeitet hat.
Die Nion ist ideal für alle, die neu in den 3D-Bereich einsteigen wollen und dabei Wert auf Flexibilität und ein günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis legen. Gerade in der Logistik zeigt sie, was sie kann. Ob große oder kleine Pakete, ob nah dran oder weiter entfernt, die Nion erkennt, verfolgt und identifiziert Objekte zuverlässig. Das funktioniert auch dann, wenn die Objekte sich bewegen oder das Licht ständig wechselt. Bei Paketen auf einem Förderband sorgt die Kamera dafür, dass verlässliche Daten gesammelt werden, ganz ohne, dass der Prozess gestoppt werden muss.
Weil sie so robust und kosteneffizient arbeitet, fällt der Wechsel auf 3D-Prozesse, etwa bei der Füllstandskontrolle oder wenn es darum geht, die Anwesenheit von Objekten zu überprüfen, besonders leicht. Die Nion liefert auch dann stabile und präzise Tiefendaten, wenn die Bedingungen schwierig sind, etwa bei starkem Sonnenlicht oder sehr dunklen Oberflächen. Das macht es möglich, bestehende 2D-Prozesse einfach und sicher durch moderne 3D-Technik zu ersetzen.
Welche Alleinstellungsmerkmale hat die Nion als ToF-Kamera?
Besonders hervorzuheben ist die QuadVGA-Auflösung, die eine deutlich höhere 3D-Datendichte im Vergleich zu herkömmlichen VGA-ToF-Kameras erzeugt. Dadurch arbeiten auch Rauschfilter wesentlich effizienter und ermöglichen bessere Ergebnisse, besonders in anspruchsvollen Situationen wie bei sehr dunklen oder schwarzen Oberflächen.
Ein weiteres Merkmal ist die Robustheit bei wechselnden Lichtverhältnissen. Mit der Nion können Anwender sowohl bei starker Sonneneinstrahlung im Freien als auch bei Kunstlicht in Innenräumen stets auf stabile und zuverlässige Daten zurückgreifen. Die spektrale Empfindlichkeit des Sensors im 940-nm-Bereich in Kombination mit dem passenden Laserlicht sorgt dafür, dass Nutzer sich auf die Kamera in unterschiedlichsten Umgebungen verlassen können. Für logistische Anwendungen ist dies ein erheblicher Vorteil.
Zuletzt wäre noch zu erwähnen, dass die Nion Bewegungsunschärfe auch bei schnellen Objektbewegungen auf ein Minimum reduziert und so eine Präzision ermöglicht, die viele ToF-Kameras nicht erreichen.
Wie gelingt es der Nion, Bewegungsunschärfe selbst bei schnellen Abläufen so stark zu reduzieren?
Wir arbeiten bei der Nion mit dem iToF-Sensor (Indirect Time of Flight) »Hyperlux« von onsemi und nutzen dessen internen Speicher und die Tiefenberechnung direkt im Sensor. Die iToF-Technologie benötigt für jeden Tiefenwert vier Belichtungen mit unterschiedlich modulierten Phasenlagen. Bei vielen herkömmlichen Kameras werden die vier Phasenbilder einzeln nacheinander belichtet und ausgelesen und erst danach weiterverarbeitet. Wenn sich ein Objekt in diesen kleinen Pausen bewegt, passen die vier Aufnahmen nicht mehr sauber zueinander, und es kommt zu Unschärfe. Selbst leistungsfähige Recheneinheiten können das nicht vollständig kompensieren, weil die Daten zuerst aus dem Sensor hinausmüssen.
Der Hyperlux-Sensor speichert dagegen alle Phasenbilder direkt in seinem internen Speicher und berechnet die Tiefe im Chip. Die vier Belichtungen laufen ohne Unterbrechung. Die Zeitspanne wird damit sehr kurz, und die Phasenbilder bleiben sauber deckungsgleich. Dadurch liefert die Nion auch bei schnellen Abläufen stabile und klare Tiefenwerte. Man kann sogar sagen, dass dieser Vorteil aus einer für Embedded Vision typischen hohen Integration entsteht.
Inwieweit spielt KI in der 3D-Bildverarbeitung eine Rolle?
In der Praxis steht die Industrie noch am Anfang, wenn es darum geht, KI direkt mit 3D-Daten zu verknüpfen. Eine große Herausforderung liegt darin, KI-Verfahren so in Kameras oder Host-Systemen auszuführen, dass sie die Leistung nicht ausbremsen. Genau an diesen Punkten wird aktuell intensiv geforscht und entwickelt.
Heutzutage spielt KI deshalb vor allem in Kombination mit klassischen 2D-Kameras eine Rolle. Sie wird genutzt, um Objekte in der Szene zu erkennen oder Bereiche in einem Bild zu klassifizieren. Wenn eine solche 2D-Kamera präzise mit einer 3D-Kamera kalibriert ist, lassen sich diese Informationen räumlich zuordnen. Die 2D-Erkennung liefert also den Objektbezug, und die 3D-Kamera ergänzt die passenden Tiefenwerte.
Für reine 3D-Daten gibt es bereits Ansätze, etwa zum Filtern oder Stabilisieren von Messwerten. Das befindet sich aber noch im Forschungsstadium. Wir beobachten diese Entwicklungen genau, weil 3D-Daten in Verbindung mit KI künftig großes Potenzial für Anwendungen wie Qualitätsprüfung, Robotik oder Szenenverständnis bieten.
Die Fragen stellte Andreas Knoll.
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