Ansichtssache

Neues Objektivdesign nimmt mehrere Perspektiven gleichzeitig auf

Die K|Lens-Technologie zeichnet sich durch ein neues Konzept zum Design von Objektiven, sowie die dazugehörige Software aus. Dieses versetzt Kameras in die Lage, mehrere Perspektiven einer Szene gleichzeitig aufzunehmen.

Funktionsweise der K|Lens: Ansicht auf das Prüfobjekt und Maßstab (l.o.), von einer K|Lens auf dem Sensor erzeugte Ansichten (r.o.), neun ­Perspektiven nach Korrektur durch die Software (l.u.) und daraus berechnet die Tiefenkarte (r.u.) Diese Aufnahmen wurden mit einem händisch gefertigten Funktionsmuster aufgenommen, und spiegeln nicht die Qualität eines fertigen Produktes wieder. (Bild: K|Lens GmbH)

Die neue Technologie setzt sich aus optischen Standardkomponenten (Linsen und Spiegel) zusammen. Die Aufnahme der verschiedenen Perspektiven wird durch eine spezielle Anordnung der Spiegel im Inneren der K|Lens erreicht. Je nach gewünschter Anwendung sind Designs mit unterschiedlicher optischer Auslegung realisierbar. In der derzeitigen Ausführung werden neun Perspektiven aufgenommen. Die Aufnahme aller Perspektiven erfolgt auf Teilflächen des Kamerasensors, wobei sich acht versetzte Ansichten um die zentrale Ansicht gruppieren. Prinzipiell kann die Anzahl der Perspektiven auch erhöht werden. Aus den Perspektiven berechnet die Software Disparitätskarten, aus denen wiederum Tiefenkarten und 3D-Punktwolken generiert werden.

Geschwindigkeit & Präzision

Da die Aufnahme der verschiedenen Perspektiven auf Global Shutter Sensoren gleichzeitig erfolgt, ist die Technologie videofähig, so dass sie auch für Inline-Anwendungen, z.B. in der Kontrolle, einsetzbar ist. Die Geschwindigkeit der Software hängt von den Anforderungen der Anwendung ab, orientiert sich aber an der Geschwindigkeit heutiger Stereo-Vision-Systeme. Sowohl die laterale Auflösung, als auch die Anzahl der auflösbaren Tiefenebenen, hängen von der Auslegung des Gesamtsystems ab. Hierbei spielen das abzubildende Beobachtungs-/Messvolumen sowie die Sensor-/Pixelgröße eine wesentliche Rolle. Aufgrund der Flexibilität im Design kann der Aufbau an das gewünschte Inspektions-/Messvolumen und die gewünschte Präzision angepasst werden. So sind Auflösungen im Bereich weniger Zehntelmillimeter mit verfügbaren Standard-CMOS-Sensoren möglich. Die bevorzugte Realisierung der K|Lens mit Festbrennweite eignet sich gut zur Integration mit üblichen Standard-Vision-Komponenten, also Sensoren, Beleuchtung usw. Die Daten lassen sich zur Weiterverarbeitung an bestehende Softwarelösungen übergeben. Auch eine Weitergabe von Einzelbildern aus den unterschiedlichen Perspektiven ist nach einer technologiespezifischen Aufbereitung umsetzbar.

Vergleich mit 3D Sensoren

Prinzipbedingt ergibt sich durch die Sensoraufteilung eine Reduktion der örtlichen Auflösung pro Perspektive. Genauso geht die höhere Auflösung des vom Objektiv aufnehmbaren Lichtfeldkegels zu Lasten der örtlichen Auflösung. Dies kann einerseits durch die Auswahl eines höher auflösenden Sensors, andererseits durch Ausnutzen der leicht versetzen Abtastung in den einzelnen Perspektiven teilweise kompensiert werden. Durch die Erweiterung des Objektivs wird ein mit der neuen Technologie ausgestatteter Sensorkopf länger, andererseits wird das System im Vergleich zu anderen Ansätzen wesentlich schmaler. Die Technologie weist z.B. gegenüber Multikamera-Ansätzen eine Reihe spezifischer Vorteile auf. Die Abbildung aller Perspektiven auf einen einzigen Sensor minimiert Gleichlaufprobleme und garantiert synchrone Bildaufnahmen. Aufgrund der Vielzahl der Perspektiven können Disparitäten genauer und zuverlässiger bestimmt werden als mit Stereoverfahren. Ebenso machen die unterschiedlichen Perspektiven das System weniger anfällig für Abschattungen. Auch kann gegen Spiegelungen durch die diversen Blickwinkel zumindest bis zu einem gewissen Grad eine Robustheit erreicht werden.

Einsatzmöglichkeiten

Haupteinsatzbereich sind Inspektions- und Kontrollapplikationen :

• Aufgrund der engen Baseline können gerade bei Kleinstrukturen Lösungen angeboten werden, die mit heutigen 3D-Verfahren bisher nur schwer oder gar nicht realisierbar sind.
• Das System eignet sich für enge Bauräume, die mit Multikamera-Systemen nicht erreichbar sind.
• Die Aufnahme von Bild- und Tiefeninformationen mittels eines Systems könnte auch für Robotersysteme und in der Navigation hilfreich sein.
• Es wurden Voruntersuchungen für den Einsatz in der Mikroskopie durchgeführt. Auch hier zeichnet sich das System durch die kleinen realisierbaren Baselines aus.
• Mensch/Maschine-Interaktion: Hier werden vermehrt Time-of-Flight-Verfahren eingesetzt, diese geraten aber bei der Präzision an ihre Grenzen bzw. es entstehen Störungen durch mehrere ToF-Sensoren im gleichen Raum. Hierzu gibt es bislang noch keine Versuche.
  

Entwicklungsstand

Ein professionell gefertigter Prototyp der K|Lens sowie eine umfangreiche Simulationsumgebung steht zur Verfügung. Damit können Anwendungsfälle vorab umfassend bewertet werden, um abzuschätzen, ob ein prototypischer Aufbau erfolgsversprechend ist.