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3D-Werkzeuge

3D-Bildverarbeitung ist in der industriellen Bildverarbeitung ein sehr aktuelles Thema.

Unter dem Begriff 3D werden eine ganze Reihe grundverschiedener Aufnahme- und Auswertungstechniken zusammengefasst, mit Hilfe derer Objektinformationen, die mit 2D-Kameratechnik nicht oder nur bedingt ausgewertet werden können, gewonnen werden können.

Eine der häufigsten Methoden, um 3D-Informationen zu erhalten, ist der Einsatz einer strukturierten Beleuchtung, d.h. entweder einer eindimensionalen Beleuchtung (z.B. mittels Laserlinie) oder zweidimensional in Form eines definierten Musters (z.B. mittels Projektor), um ein Höhenprofil zu generieren. Durch das Verschieben des Objekts relativ zur Laserlinie entsteht im ersten Fall eine Serie von Höhenprofilen, die zu einem dreidimensionalen Abbild des Objekts zusammengesetzt werden kann.

Zweidimensionale strukturierte Beleuchtungen eignen sich nur für die Inspektion stillstehender Objekte, auf die verschiedene Muster projiziert (z.B. grau-codierte Streifenmuster) werden, die eine eindeutige Zuordnung von Pixeln und Objektpunkten ermöglichen. Daraus kann nachfolgend eine dreidimensionale Punktewolke bestimmt werden.

Ein weiterer, komplett anderer Ansatz ist die Stereobildverarbeitung, die das Prinzip des menschlichen Sehens nachzubilden versucht. Ein System besteht aus zwei Kameras, bei denen der Algorithmus erst beide Bilder in Beziehung setzt, indem er die korrespondierenden Pixel in beiden Bildern erkennt. Mittels geometrischer Zusammenhänge wird dann die Tiefeninformation extrahiert. Darüber hinaus existieren diverse weitere Verfahren wie die Time-of-Flight-Verfahren, deren Leistungsfähigkeit aufgrund der geringen verfügbaren Sensorauflösung noch beschränkt ist, oder die Weißlichtinterferometrie, die zwar eine hochgenaue Erfassung ermöglicht, jedoch extrem langsam ist.

Ganz allgemein ist das Ergebnis der Verfahren, die nur eine Kamera zur 3D-Bilderfassung nutzen, ein 2,5D-Bild, das pro Pixel eine Tiefen- bzw. Höheninformation enthält. Aus diesen Bildinformationen kann dann ein 3D-Modell zusammengesetzt oder berechnet werden. Abhängig von den Anforderungen der Applikation können metrisch kalibrierte Punktewolken für die anschließende Prüfaufgabe notwendig sein. Je nach Aufnahmeverfahren, d.h. lineares Scannen, winkelbasiertes Scannen oder Multikamera-Scan-Systeme, sind unterschiedlich komplexe Kalibrieralgorithmen notwendig.

Auf der Basis eines 3D-Modells können im Weiteren verschiedene Algorithmen angewendet werden. Der erste Schritt ist in der Regel die 3DKalibrierung, deren Ziel es ist, die perspektivischen Verzerrungen und Linsenverzeichnungen aus dem Modell herauszurechnen und zusätzlich metrische Koordinaten ableiten zu können. In aller Regel werden dazu Kalibrierkörper verwendet, deren Abmessungen bekannt sind. Die erzielbare Genauigkeit einer 3D-Kalibrierung liegt in Abhängigkeit von der Algorithmik in der Regel im Subpixelbereich.

Beim Einsatz eines Triangulationssystems basierend auf einer Kamera und einem Laser können Abschattungen auftreten, die z.B. durch Verwendung einer zweiten Kamera in umgekehrter Blickrichtung weitestgehend unterdrückt werden können. Die jeweils pro Sensor extrahierten einzelnen Punktewolken müssen dazu in einem Vorverarbeitungsschritt fusioniert bzw. in Deckung gebracht werden, um sinnvoll weiterverarbeitet werden zu können. Dies kann durch sogenannte »Merging«-Algorithmen erreicht werden.

Das kalibrierte und verschattungsfreie 3D-Modell bzw. die Punktewolke wird dann in 3D-Applikationen für Messungen verwendet, oder um einen Abgleich (Matching) mit einem Muster (Golden Template) zu berechnen. Das Ergebnis ist eine Darstellung der Abweichung des Prüflings vom Referenzteil. Mit Hilfe von 3D-Bildverarbeitung ist es bereits in einem frühen Stadium möglich, Teile, die nicht in Ordnung sind, aus dem weiteren Produktionsprozess auszuschleusen und somit kostensparend zu produzieren. Da 3D-Bildverarbeitung, bedingt durch den größeren Aufwand bei der Bildaufnahme sowie die deutlich komplexere Verarbeitungsalgorithmik, komplexer ist als die Standard-2D-Bildverarbeitung, gibt es auch bereits vorkalibrierte Sensorsysteme für derartige Aufgaben. Weitere Informationen hierzu finden Sie unter Bildverarbeitungssysteme.

Bei der Systemauslegung ist zu beachten, dass die Performance eines Systems durch eine Vielzahl an Einflussfaktoren (Laser, Kamera, Triangulationswinkel, Genauigkeit, Materialeigenschaften, usw.) beeinflusst wird. Unsere Spezialisten unterstützen Sie gerne bei der Konfiguration eines für Ihre Anwendung optimal geeigneten Systems.