Das Thema Bildverarbeitung in der dritten Dimension ist an sich nicht brandneu - dafür aber topaktuell. Die Technik scheint nun endgültig den Kinderschuhen entwachsen zu sein und hält Einzug in zahlreiche industrielle Applikationen. Welche Verfahren und Komponenten hierbei zum Einsatz kommen, erklärt 3D-Spezialist Tobias Henzler von Stemmer Imaging.

Die dreidimensionale Inspektion und Vermessung von komplexen 3D-Freiformflächen zählt zu den derzeit größten Herausforderungen für die Bildverarbeitung. Zeitgleich bietet sie neue Möglichkeiten und Potentiale. Bei den heute bereits realisierten Anwendungen zur 3D-Bildverarbeitung werden hauptsächlich vier Verfahren eingesetzt, die sich jeweils durch individuelle Stärken und Einsatzschwerpunkte auszeichnen. Geometrische, winkelbasierte Verfahren stellen die Grundlage für die Laser-Triangulation, die Stereo-Vision und die Streifenlichtprojektion dar, während Time-of-Flight-Systeme zeitbasierend arbeiten.

Laser-Triangulation: feine Beleuchtung

Bei der Laser-Triangulation werden Linienlaser als Beleuchtungs-Quellen eingesetzt, um eine dünne Linie auf das Prüfobjekt zu projizieren. Eine in einem bekannten Winkel zur Projektionsebene des Lasers angeordnete Kamera nimmt die 2D-Bilder der Laserlinie auf, die aufgrund der Objektgeometrie im Kamera-Bild versetzt erscheint. Während sich der Prüfling unter der Laserlinie hindurchbewegt, werden in schneller Bildfolge aus dem jeweiligen Linienversatz Höhenprofile ermittelt und danach zu einem gesamten 3D-Profilbild des Prüfobjektes zusammengesetzt.
Diese Höheninformationen werden dann in einer sog. 2,5D-Range-Map mit Hilfe des jeweils zugehörigen Grauwerts kodiert. Daraus lässt sich im Anschluss mit einer Kalibriermatrix eine 3D-Punktewolke (Cloud Of Points, COP) errechnen. Einige 3D-Kameras berechnen diese Informationen bereits intern, geben dann komplette 3D-Bilder aus und sparen so die Verarbeitung auf dem Host-Rechner. Bei anderen Systemen werden die Range Maps in einem angeschlossenen PC erzeugt, in dem auch die COPs berechnet werden.
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 notwendig, die Prüfobjekte hochgenau mechanisch auszurichten oder zuzuführen. Diese Vorgehensweise reduziert den mechanischen Aufwand deutlich und garantiert einen hohen Durchsatz bei einer 100%-igen Kontrolle.
Wesentliche Voraussetzung für die Durchführbarkeit von Lichtschnitt-Verfahren ist, dass sich das Prüfobjekt relativ zu Kamera und Laser-Beleuchtung bewegt. Eine der Herausforderungen bei der Laser-Triangulation stellen die sog. Abschattungen dar: Je nach Oberflächenform kann die Laserlinie von höheren Objektmerkmalen verdeckt werden. Somit können in diesen Fällen keine Höheninformationen mehr von den dahinter liegenden Strukturen erkannt werden. Fehler an solchen abgeschatteten Stellen wären somit für die Kamera unsichtbar.
Lösen lässt sich dieses Problem durch die Verwendung mehrerer Kameras, die die Laserlinie aus unterschiedlichen Winkeln betrachten und die unterschiedlichen Datensätze dann zu einem gemeinsamen Höhenprofilbild zusammenfassen. Objektdaten fehlen bei Anwendung dieser Technik nur dann, wenn sie in keinem der Eingangsdatensätze vorhanden sind. Die Zusammenfassung von Daten aus mehreren Kameras zählt für moderne Software-Werkzeuge wie Merge 3D aus der Bibliothek Common Vision Blox von Stemmer Imaging zu den Standardaufgaben.

Stereo-Vision: Mit zwei Augen sieht man besser

Der Mensch sieht mit zwei Augen. Auf dieses Prinzip setzt auch das geometrische Verfahren der Stereo-Vision. Zwei Kameras nehmen zwei 2D-Bilder eines Objekts auf. Im Anschluss wird aus diesen Daten nach dem geometrischen Triangulations-Prinzip ein dreidimensionales Höhenbild berechnet. Auch diese Technologie erlaubt eine Bewegung der zu prüfenden Objekte während der Bildaufnahme.
Allerdings sind für die Anwendung der Stereo-Vision Referenz-Marken oder zufällige Muster auf dem Objekt Voraussetzung, um jeden Objektpunkt des Prüflings eindeutig je einem Pixel in den beiden 2D-Bildern zuordnen zu können. Aus diesem Grund eignet sich das Verfahren in der Regel nicht für den Einsatz im Produktionsumfeld. In der Koordinatenmesstechnik, der 3D-Vermessung von Objekten und Arbeitsräumen für Applikationen mit Industrie-, Service-oder mobilen Robotersystemen sowie bei der 3D-Visualisierung von für den Menschen gefährlichen oder unzugänglichen Arbeitsräumen ist es hingegen häufig zu finden.

Streifenlichtprojektion: Ruhende Objekte vor der Linse

Im Gegensatz zu Laser-Triangulation und Stereo-Vision erfordert die 3D-Bildverarbeitung auf Basis der Streifenlichtprojektion ruhende Objekte. Dabei wird kodiertes Licht, z.B. mit Hilfe von Mikro-Projektoren, auf das Objekt gestrahlt. Das streifenförmig auf das Objekt projizierte Licht ergibt in Abhängigkeit von dessen Höhenstruktur ein Lichtmuster auf dem Objekt, das von einer in bekanntem Winkel angeordneten Kamera aufgenommen wird.
Im Gegensatz zu einem Laserscanner, bei dem die maximale Lichtintensität der Linie über mehrere Kamera-Pixel hinweg ausgewertet wird, erlaubt die Streifenlichtprojektion die Auswertung der Lichtintensität in jedem einzelnen Kamera-Pixel. Dies führt zu einer Verbesserung der maximal erreichbaren Höhenauflösung solcher Systeme im Vergleich zu Laserscannern um mehr als den Faktor 2 und erlaubt laut Gottfried Frankowski, Geschäftsführer von GFMesstechnik und Mitentwickler dieser Technologie, Höhenauflösungen bezogen auf die Abtastlänge im Bereich von größer 1:10.000.