Stereo Total

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Optimierte 3D-Stereo-Bildverarbeitung bewegter Objekte

In den vergangenen Jahren haben sich verschiedene Verfahren in der 3D-Bilderfassung etabliert. Neben den bekannten Triangulationsverfahren mittels Laserlinien, Stereo-Vision oder Streifenprojektion stehen auch Verfahren zur Laufzeitmessung (TOF-Kameras) zur Verfügung. Jedes der Verfahren weist ganz eigene Limitationen auf. Insbesondere Stereo-Vision konnte sich bisher auf Grund der unvollständigen und unpräzisen 3D-Daten nicht für industrielle Anwendungen durchsetzen. Das soll sich nun ändern.
Die Tiefenwahrnehmung des Stereo-Vision-Prinzips basiert auf dem Triangulationsverfahren. Hierzu wird ein Objekt zeitsynchron mit zwei Kameras aus unterschiedlichen, aber ähnlichen Perspektiven betrachtet. Die übereinstimmenden Pixel der beiden Bilder können dann durch einen Bildvergleich identifiziert werden (‚Stereo-Matching‘). Dabei wird eine Zuordnung der Pixel erstellt, die denselben Objektpunkt in den beiden Kameras abbilden. Diese nahezu vollständige Zuordnung zwischen beiden Bildern wird als Disparitätsbild bezeichnet. Die Einzelkameras erzeugen jeweils ein perspektivisches Abbild der Szene. So kann jedem der Kamerapixel genau ein Strahl im Raum zugeordnet werden, dessen Intensität das Pixel aufzeichnet. Über die im Disparitätsbild hinterlegte paarweise Zuordnung der Bildpixel erhält man so Paare von Strahlen im Raum, die jeweils vom selben Objektpunkt ausgehen. Kennt man die exakte geometrische Lage der Kameras zueinander sowie die Brennweiten und Verzerrungseigenschaften beider Optiken, so lassen sich Position und Richtung jedes Strahls und der Schnittpunkt jedes Strahlenpaars berechnen, das heißt man erhält zu jedem im Disparitätsbild vermerkten Pixelpaar die genaue Position des zugehörigen Objektpunkts im Raum (Bild 2). Die grundlegende Voraussetzung für eine vollständige 3D-Aufnahme ist also, dass sich alle Pixel beider Kamerabilder beim Bildvergleich eindeutig zuordnen lassen. Dies ist jedoch nur auf eindeutig texturierten Oberflächen möglich. Einfarbige, untexturierte Oberflächen oder repetitive Texturen lassen keine eindeutige Zuordnung zu: ein K.O.-Kriterium für fast alle Industrieanwendungen.

Live-Aufnahmen bewegter Objekte

Die Kamera Ensenso N10 nutzt ebenfalls das Stereo-Vision-Prinzip. Sie arbeitet jedoch nicht passiv, sondern aktiv und hebt damit die Anforderungen an die Objekttexturen vollständig auf. Mit ihrem integrierten Projektor wird eine eindeutige Textur auf die Szene projiziert, sodass auch texturlose Objekte und repetitiv strukturierte Oberflächen dreidimensional erfasst werden können. Durch die Kombination der Texturprojektion mit dem ‚Semi-Global-Matching‘-Algorithmus werden auch komplizierte Objektkonturen präsize und mit hoher Z-Genauigkeit wiedergegeben. Der Projektor arbeitet mit IR-Licht und ist damit fürs menschliche Auge unsichtbar. Durch die gepulste Ansteuerung sind die 3D-Aufnahmen unempfindlich gegenüber Fremdlicht. Da mit Stereo Vision für eine flächige 3D-Aufnahme nur ein Bildpaar notwendig ist, ermöglicht die Kamera im Gegensatz zu anderen Verfahren auch Live-Aufnahmen bewegter Objekte. Die Software enthält zusätzlich Kalibrierfunktionen, um mehrere 3D-, Farb- oder s/w-Kameras zu einem einzigen Aufnahmesystem zu kombinieren. Hardwaresynchronisierte Aufnahmen werden automatisch zu einem Modell zusammengefügt. Hierdurch lassen sich, ohne zusätzlichen Softwareaufwand, Abschattungen in der 3D-Aufnahme vermeiden und Objekttexturen zeitsynchron erfassen. Dank der Algorithmen für die 3D-Bildverarbeitung in Halcon 11, lässt sich die 3D-Punktwolke ohne weitere Zwischenschritte direkt verwenden. So können z.B. Objekte direkt eingelernt und später lokalisiert oder mit einem CAD-Modell verglichen werden. Durch die C-Schnittstelle oder die objektorientierte ‚C++‘-API lässt sich die Kamera auch in andere Software integrieren.

Einsatz- möglichkeiten

Die USB2.0-Kamera (150x45x45mm) deckt mit Brennweiten von 16,0 bis 3,6mm ein breites Entfernungs- und Größenspektrum ab und eignet sich für viele Anwendungsgebiete. Insbesondere Bin-Picking-Anwendungen profitieren von der neuen Kameraserie. Zudem sind schnelle Bildaufnahmen der Teileoberflächen möglich, in Verbindung mit dem Surface-Matching-Algorithmus von Halcon können die Lagen der einzelnen Teile berechnet werden. Systeme aus mehreren Kameras ermöglichen das Greifen von komplizierten Formen und Bauteilen. Außerdem eignet sich die Ensenso N10 für die Medizintechnik, Logistik und Sicherheitstechnik, in Anwendungen wie Körperformvermessung, Bestimmung von Volumengewicht oder Gesichtserkennung.

Thematik: Allgemein
Ausgabe:
IDS Imaging Development Systems GmbH
www.ids-imaging.de

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