3D entwickelt sich zum »Shooting Star« der Bildverarbeitung Die Zukunft liegt in der dritten Dimension

Die 3D-Kameras von Automation Technology dienen als »Augen« für Laser-Triangulations-Systeme.
Die 3D-Kameras von Automation Technology dienen als »Augen« für Laser-Triangulations-Systeme.

Das Thema 3D-Bildverarbeitung ist eigentlich kein ganz neues, doch seit etwa zwei Jahren scheint es sich explosionsartig zu entwickeln. Auch Zahlen des VDMA bestätigen dies: Von 2008 auf 2009 stieg demnach der Anteil des 3D-Messens am Systemumsatz der deutschen Bildverarbeitungsbranche von 10 auf 15 Prozent. Grundlegende 3D-Techniken sind Laser-Triangulation, Stereo-Vision, Streifenlichtprojektion und Time-of-Flight.

Generell zählt die dreidimensional exakte Inspektion und Vermessung komplexer 3D-Freiformflächen zu den größten Herausforderungen für die Bildverarbeitung. Bei den bereits realisierten Anwendungen zur 3D-Bildverarbeitung werden die vier genannten Verfahren am häufigsten eingesetzt und haben jeweils individuelle Stärken und Einsatzschwerpunkte. Laser-Triangulation, Stereo-Vision und Streifenlichtprojektion beruhen dabei auf geometrischen, winkelgestützten Verfahren, während die Time-of-Flight-Technik ein zeitgestütztes Verfahren darstellt.

Laser-Triangulation

Bei der Laser-Triangulation wird das zu vermessende Prüfobjekt meist von einem Linienlaser beleuchtet, der eine scharfe Lichtlinie erzeugt, unter dem der Prüfling hindurchgeführt wird. Eine in einem bekannten Winkel zur Laser-Beleuchtung angeordnete Kamera nimmt Bilder der Laserlinie auf, die wegen der Objektgeometrie eine Verformung erfährt. So lassen sich die Abweichungen der Laserlinie zu jedem Zeitpunkt messen, zu dem das Objekt den Laserstrahl passiert. Während dieses Vorgangs werden mehrere Profile erstellt, um daraus ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Für jeden Punkt entlang des Profils wird somit die Abweichung vom unverformten Laserstrahl für Höheninformationen genutzt, um ein 3D-Bild zu erhalten.

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Das Laser-Triangulations-Verfahren

Bei der Laser-Triangulation wird das zu vermessende Prüfobjekt meist von einem Linienlaser beleuchtet, der eine scharfe Lichtlinie erzeugt, unter dem der Prüfling hindurchgeführt wird.

Die Höheninformationen werden dann in einer so genannten 2,5D-Range-Map mit Hilfe des jeweils zugehörigen Grauwerts farbcodiert. Einige 3D-Kameras berechnen die Informationen bereits intern, geben dann komplette 3D-Bilder aus und sparen so die Verarbeitung auf dem Host-Rechner, bei anderen Systemen erfolgt die Umrechnung der Range Maps im angeschlossenen PC.

Erst nach der Umrechnung der 2,5D-Range-Maps in echte 3D-Punktewolken ist ein Ausgleich von Positions- und Rotationsabweichungen der Objekte in allen sechs Freiheitsgraden möglich. Somit ist es nicht mehr nötig, die Prüfobjekte hochgenau mechanisch auszurichten oder zuzuführen. Diese Vorgehensweise reduziert den mechanischen Aufwand zur lagegenauen Zuführung deutlich und garantiert einen hohen Durchsatz bei einer hundertprozentigen Überprüfung aller Objekte.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführbarkeit von Laser-Triangulations-Verfahren besteht darin, dass das Prüfobjekt sich relativ zu Kamera und Laser-Beleuchtung bewegt. Zu den möglichen Problemen bei Laser-Triangulations-Verfahren zählen die so genannten Abschattungen: Je nach Oberflächenform besteht die Gefahr, dass höhere Objektmerkmale die Laserlinie blockieren und somit keine exakten Höheninformationen mehr von den dahinter liegenden Strukturen erkennbar sind. Mögliche Fehler an solchen abgeschatteten Stellen sind somit nicht mehr zu erkennen.

Eine Lösung dieses Problems ist die Verwendung mehrerer Kameras, die die Laserlinie aus unterschiedlichen Winkeln betrachten und die Datensätze dann zu einem Höhenprofilbild zusammenfassen. Objektdaten fehlen bei Anwendung dieser Technik somit nur dann, wenn sie in keinem der Eingangsdatensätze vorhanden sind. »Eine derartige Zusammenfassung von Daten aus mehreren Kameras zählt für moderne Software-Werkzeuge wie etwa ‚Merge 3D’ aus der Bibliothek ‚Common Vision Blox’ des Puchheimer Bildverarbeitungstechnik-Lieferanten Stemmer Imaging zu den Standardaufgaben«, betont Dr. Tobias Henzler, im Vertrieb Bildverarbeitungs-Lösungen von Stemmer Imaging als Technologiespezialist 3D tätig.