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Die dritte Dimension

3D-Vision mit Lasertriangulation, Stereovision oder Time-of-Flight?

Wenn sich Anwender für die Lösung einer Bildverarbeitungsaufgabe mit Hilfe von 3D-Systemen entschieden haben, stehen mit Lasertriangulation, Stereovision und Time-of-Flight drei Verfahren mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Verfügung. Die Applikation entscheidet über die richtige Wahl.

3D-Bildverarbeitungssysteme decken ein sehr breites Einsatzfeld an möglichen Anwendungen mit unterschiedlichsten Anforderungen ab. Allerdings ist keine aktuelle 3D-Vision-Technologie in der Lage, das volle Spektrum dieser Anforderungen optimal und komplett zu lösen. Aus diesem Grund haben sich in der Vergangenheit unterschiedliche Ansätze entwickelt, wie man die Erfassung von 3D-Bilddaten angehen kann. Die etablierten Verfahren sind derzeit Laser-Triangulation, Stereovision und Time-of-Flight.

Lasertriangulation

Die Lasertriangulation kann als ältestes Verfahren für die Gewinnung von 3D-Bilddaten bezeichnet werden. Dies ist einer der Gründe, warum es heute die weiteste Verbreitung am Markt hat. Der Messmechanismus ist relativ einfach: Eine Laserlinie wird auf das zu prüfende Objekt projiziert und eine in einem bekannten Winkel zum Laser angebrachte Kamera erfasst diese Laserlinie, während Kamera und Objekt relativ zueinander bewegt werden. Höhenunterschiede am Objekt führen zu einem Versatz der Laserlinie, aus dem für jeden Punkt die Höhendifferenz per Triangulation berechnet werden kann. Lasertriangulation ist ein aktives Verfahren, da man die Laserlinie projizieren muss, und es ist zudem ein scannendes Verfahren, da sich Sensor oder Objekt bewegen müssen.

Daraus ergeben sich zwei Hürden für die 3D-Datenqualität: Zum einen verhalten sich Laser in Abhängigkeit vom Material des Prüfobjekts gut oder schlecht. Aus Sicht der Bildverarbeitung schwierig sind unter anderem spiegelnde oder schlecht reflektierende Materialien sowie Materialien, in die der Laser eindringt und an anderer Stelle wieder austritt. Abhilfe lässt sich hier durch die geeignete Wahl der Laser-Farbe mit der entsprechenden Empfindlichkeit des Detektors schaffen, sowie einer geometrisch optimierten Anordnung der Laserquelle zur eingesetzten Kamera.

Das zweite Problem ergibt sich aus der Winkelanordnung zwischen Laser und Kamera, die an steilen Höhensprüngen zu Abschattungen führen kann. An den betroffenen Stellen verdeckt ein Teil des Prüfobjekts die Laserlinie, die sich somit von der Kamera nicht erfassen lässt. Dies führt zu Bereichen, in denen keine Messdaten zur Auswertung vorliegen. Solche Fälle lassen sich durch den Einsatz von Mehrkopf-Kameras lösen. Der 3D-Laser-Profilsensor Matrox AltiZ verfügt beispielsweise über zwei integrierte Kameras, die eine gleichzeitige Betrachtung der Laserlinie mit zwei gegenüberliegenden optischen Sensoren ermöglichen und somit die Gefahr von Lücken in der Bildaufnahme reduzieren. Erfordert die Anwendung eine noch sicherere Erfassung aller Objektpunkte, so kann dies durch ein Setup mit mehreren um das Objekt positionierten AltiZ-Profilsensoren erreicht werden. Geeignete 3D-Software wie z.B. von Matrox ermöglicht dann das Zusammenführen der Daten aller Sensoren zu einer großen Punktewolke. Auf diese Weise lassen sich auch von kompliziert geformten Objekten vollständige Volumenaufnahmen erstellen.

Rauscher GmbH

Dieser Artikel erschien in inVISION 4 (September) 2022 - 14.09.22.
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