Ein genauerer Blick auf die 3D-Bildgebung

Jun 10, 2024

Diagramm 1: Diese Karte der 3D-Technologien veranschaulicht die verschiedenen Arten der 3D-Bildgebung danach, ob sie aktiv oder passiv sind und ob sie Triangulation, Flugzeit oder Interferometrie verwenden. Quelle: SICK

Diagramm 2: Dieses Diagramm zeigt, wie mehrere 3D-Technologien im Vergleich zu Z-Auflösung und -Genauigkeit im Vergleich zu Entfernung und Sichtfeld (FOV) abschneiden. Quelle: SICK

Oft gibt es viele Möglichkeiten, eine bestimmte Sehaufgabe zu lösen. In einigen Fällen liegt die Wahl zwischen 2D- und 3D-Vision auf der Hand, in anderen Fällen könnten jedoch beide Technologien funktionieren, obwohl jede einzelne bestimmte Vorteile bietet. Es ist wichtig, diese Vorteile zu verstehen und zu verstehen, wie sie sich auf eine bestimmte Anwendung auswirken, um eine zuverlässige Bildverarbeitungslösung bereitzustellen. Im Allgemeinen eignet sich 3D nicht nur am besten für die Analyse von Volumen, Form oder 3D-Position von Objekten, sondern auch für die Erkennung von Teilen und Defekten, die einen geringen Kontrast, aber einen erkennbaren Höhenunterschied aufweisen. Die dritte Dimension wird hauptsächlich zum Messen, Prüfen und Positionieren verwendet, aber es gibt auch Fälle, in denen 3D zum Lesen von aufgedrucktem Code oder Text verwendet wird, wenn Kontrastinformationen fehlen.

Die Erfassung der dritten Dimension kann auf viele verschiedene Arten erfolgen, und jede der verfügbaren Bildverarbeitungstechnologien hat ihre Vor- und Nachteile. Die dreidimensionale Bildgebung kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: passiv und aktiv. Von dort aus kann es in viel spezifischere Techniken unterteilt werden. Zu den passiven Techniken gehören Tiefenschärfe, Lichtfeld und Stereo. Die wichtigsten aktiven Techniken basieren auf Flugzeit, strukturiertem Licht und Interferometrie. Die dreidimensionale Bildgebung kann weiter in die tatsächliche Bildaufnahme unterteilt werden, einschließlich Schnappschuss- und Scanmethoden.

SNAPSHOT-TECHNOLOGIE

Es gibt sowohl aktive als auch passive Systeme, die die „Snapshot“-Methode verwenden. Dies ist die Technik, mit der die meisten Menschen vertraut sind, da sie in den Kameras verwendet wird, die sie seit Jahren verwenden. Die Snapshot-Methode erfasst alle Pixel des Bildes gleichzeitig und erstellt das Snapshot-Bild. Bei passivem Stereo werden mehrere Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven aufgenommen, und der Unterschied zwischen den Bildern wird zur Berechnung der Entfernung zum Objekt verwendet (denken Sie an das menschliche Sehvermögen). Dieselbe Lösung kann auch mit einer einzelnen Kamera erreicht werden, wenn die Kamera an mehrere Standorte bewegt werden kann.

Eine aktive Schnappschusstechnik würde die Flugzeit umfassen, die misst, wie lange es dauert, bis das Licht das Ziel erreicht und zu einem Sensorarray zurückkehrt. Auf diese Weise erhält jedes Pixel direkt eine 3D-Messung und es wird nur ein Sensor benötigt. Es gibt Variationen der Snapshot-Technik wie die aktive Option codierte Lichtprojektion. In diesem Fall werden mehrere Hochgeschwindigkeitsbilder desselben Objekts aufgenommen, während sich das Beleuchtungsmuster ändert. Anschließend wird ein zusammengesetztes Bild erstellt, das die Tiefe basierend auf den Unterschieden in den Beleuchtungsmustern zeigt. Typischerweise handelt es sich bei den Mustern um eine Reihe immer schmaler werdender Linien; Um eine höhere Auflösung zu erreichen, werden immer feinere Linien verwendet.

SCAN-TECHNOLOGIE

Dann gibt es Scantechniken wie die Lasertriangulation, bei der ein Laserlicht auf das Objekt projiziert wird und die Kamera (normalerweise mit hoher Geschwindigkeit) Bilder der Lichtprojektion aufnimmt, während sich das Objekt durch den Scanbereich bewegt. Eine andere Art der Scantechnik ist die Tiefenschärfemessung. Es werden dreidimensionale Daten erstellt, indem eine Bildsequenz über einen voreingestellten Bereich erfasst wird. Der Bildstapel wird durchsucht, um zu sehen, wo der lokale Fokus am größten ist, und daraus wird die Reichweite abgeleitet. Diese Methode hat zwar den Vorteil, dass kein strukturiertes Licht benötigt wird, sie kann jedoch langsam sein und das Objekt muss über eine gewisse Struktur verfügen, um den Fokus abzuschätzen.

Bei einer Scantechnologie werden 3D-Bilder Profil für Profil erfasst, indem entweder das Objekt durch den Messbereich bewegt wird oder indem die Kamera über das Objekt bewegt wird. Um die korrekten 3D-Daten und damit ein gültiges 3D-Bild zu erhalten, muss die Bewegung entweder konstant oder bekannt sein, z. B. durch Verwendung eines Encoders zur Bewegungsverfolgung. Die erstellten 3D-Bilder sind in der Regel sehr genau. Snapshot-Technologien erstellen ein vollständiges 3D-Bild von Objekten, indem sie eine einzige Aufnahme machen, genau wie eine typische Verbraucherkamera, jedoch in 3D. Eine Objekt- oder Kamerabewegung ist nicht erforderlich, aber die Technologien erzeugen Bilder, die nicht so genau sind wie Scantechnologien.

Die im Folgenden näher beschriebenen 3D-Bildgebungstechnologien sind Lasertriangulation (Scannen), Flugzeit (Schnappschuss) und Stereo (Schnappschuss).

LASERTRIANGULATION

Bei der Lasertriangulation werden mithilfe einer Laserlinie und einer Kamera Höhenprofile über das Objekt erfasst. Die Profile werden zu einem 3D-Bild zusammengefügt, während sich das Objekt bewegt. Da die Höhenprofilerfassung eine Objektbewegung erfordert, handelt es sich bei der Methode um eine Scantechnologie. Die Lasertriangulation weist eine höhere Messgenauigkeit als die Flugzeitmessung auf, verfügt jedoch über einen begrenzteren Messbereich. Darüber hinaus ist eine Okklusion möglich, wenn die Kamera den Laser nicht sehen kann, wenn er hinter einem Objekt verborgen ist. Zu den typischen Anwendungen gehören die Inspektion von Rundholz/Platten/Furnierholz, die Inspektion elektrischer Komponenten/Lötpaste sowie Lebensmittel- und Verpackungsinspektionen. Nachfolgend sind einige der wichtigsten Vorteile und Einschränkungen der Lasertriangulation aufgeführt:

Vorteile:

Einschränkungen:

FLUGZEIT

Time-of-Flight (TOF) 3D-Kameras erstellen 3D-Bilder anhand von Schnappschüssen. Dies bedeutet, dass keine Objekt- oder Kamerabewegung erforderlich ist. Die Technologie misst die Laufzeit eines Lichtsignals zwischen dem Gerät und dem Ziel für jeden Punkt des Bildes. Durch Kenntnis der Phasenverschiebung der Signalankunftszeit relativ zum Anfangssignal kann die Entfernung zwischen Gerät und Ziel abgeleitet werden. Das Ergebnis ist ein sofortiges 3D-Bild des Ziels. Time-of-Flight eignet sich gut für Anwendungen mit großem Sichtfeld und Arbeitsabstand über 0,5 m.

Vorteile:

Einschränkungen:

STEREO

Die Stereobildgebung funktioniert ähnlich wie das menschliche Sehen und liefert 3D-Schnappschüsse, ohne dass eine Bewegung von außen erforderlich ist. Es kombiniert zwei 2D-Bilder aus unterschiedlichen Positionen und findet Korrelationen zwischen den Bildern, um ein Tiefenbild zu erstellen. Im Gegensatz zur Lasertriangulation und TOF ist die Stereotechnologie nicht auf eine spezielle Lichtquelle angewiesen. Um Korrelationen zu finden, müssen die beiden Bilder jedoch über ausreichende Details und die Objekte über eine ausreichende Textur oder Ungleichmäßigkeit verfügen. Es eignet sich daher für Anwendungen mit großem Sichtfeld und für den Einsatz im Freien. Um bessere Ergebnisse zu erzielen, müssen diese Details möglicherweise hinzugefügt werden, indem die Szene mit strukturierter Beleuchtung beleuchtet wird.

Vorteile:

Einschränkungen:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mehrere Methoden gibt, um eine 3D-Bildgebung zu erreichen. Die Auswahl hängt davon ab, welche für eine bestimmte Anwendung und ihre Umgebung am besten geeignet ist. So wie es mehrere Möglichkeiten gibt, 3D-Daten zu erfassen, gibt es auch verschiedene Möglichkeiten, diese Bilder zu verarbeiten.

KONFIGURIERBARE VISIONSENSOREN

Die einfachsten Bildverarbeitungssysteme sind eigenständige Kameras mit integrierter Bildauslösung, Beleuchtung und eingebetteten Bildanalysefunktionen. Ihre Konfiguration ist einfach und kann von jedem technisch versierten Menschen nach wenigen Stunden Einarbeitung durchgeführt werden. Zu den wichtigen Vorteilen konfigurierbarer Vision-Sensoren gehören:

PROGRAMMIERBAR (SMART-KAMERAS)

Diese Kameras liegen im mittleren Komplexitätsbereich. Die Analyse ist wie bei den konfigurierbaren in das Gerät integriert. Der Unterschied besteht darin, dass sie flexibler in der Hardwarekonfiguration und Softwareprogrammierung sind. Für die Ausbildung zum Anwendungsentwickler sind einige Ausbildungstage erforderlich. Zu den wichtigen Vorteilen programmierbarer Smart-Kameras gehören:

STREAMING (PC-VISION)

Die flexibelsten Bildverarbeitungssysteme sind PC-basiert. Die Kameras erzeugen Bilder, während die Analyse am PC durchgeführt wird. Erfahrene Anwendungsentwickler bevorzugen oft diese Art von System, da sie volle Flexibilität bei der Erstellung sowohl individueller Systemfunktionen als auch Algorithmen in anspruchsvollen Anwendungen bietet. Zu den wichtigen Vorteilen des Streamings gehören:

WÄHLEN SIE DIE RICHTIGE TECHNOLOGIE FÜR IHRE ANWENDUNG

Die Messung der dritten Dimension liefert Erkenntnisse über die Höhe, Form oder das Volumen eines Objekts, die Anforderungen sind jedoch oft schwer zu bestimmen. Für einige Benutzer/Kunden kann es schwierig sein, 3D-Anforderungen zu definieren, da sie es nicht gewohnt sind, Dinge auf diese Weise zu definieren. Daher kann es eine gute Strategie sein, mit dem Kunden zusammenzuarbeiten, um Anforderungen zu definieren und gleichzeitig in einem iterativen Prozess zu testen.

Wie bei jedem Vision-Projekt ist die Definition von Anforderungen und Akzeptanzkriterien unerlässlich. Dazu gehört auch die Vorstellung, dass die Klassifizierung nie 100 % ist. Das bedeutet, dass Sie gemeinsam mit Ihrem Kunden die Auswirkungen von falsch-positiven Ergebnissen (Ablehnung guter Teile) im Vergleich zu falsch-negativen Ergebnissen (Annahme eines schlechten Teils) definieren. Die Auswirkungen können je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein.

Bei all den verschiedenen Möglichkeiten zur Erfassung und Verarbeitung von 3D-Daten mag es überwältigend erscheinen, wenn man sich jedoch auf die Grundlagen wie Sichtfeld, Entfernung zum Objekt, Geschwindigkeit der Anwendung, Geschwindigkeit der zu messenden Objekte und das Ganze konzentriert Je nachdem, welche Auflösung Sie benötigen, finden Sie eine Technologie zur Lösung Ihrer Anwendung. Q

Jim Andersonist der digitale Unternehmensberater für Bildverarbeitung bei SICK Inc. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder besuchen Sie www.sickusa.com.