Qualitätssicherung Wie die 3D-Bildverarbeitung noch präziser wird

Von Peter Stiefenhöfer und Ines Stotz

Um fehlerhafte Produkte zu vermeiden, werden in der Fertigung dreidimensionale Objekte mittels 3D-Bildverarbeitung schnell und präzise überprüft. Ein neuartiger 3D Laser-Profilsensor – mit zwei integrierten Kameras – kann jetzt auch Scanlücken minimieren.

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Eine intuitive Bedienoberfläche erlaubt eine schnelle Einrichtung und Auswertung von 3D-Anwendungen mit Alti Z.
Eine intuitive Bedienoberfläche erlaubt eine schnelle Einrichtung und Auswertung von 3D-Anwendungen mit Alti Z.
(Bild: Rauscher)

Der Markt für 3D-Bildverarbeitung wächst seit Jahren signifikant. Die Technologie, die aufgrund ihrer Komplexität und der hohen Anforderungen an Rechenleistung und Know-how anfangs nur von wenigen Spezialisten und in sehr begrenzten Einsatzfeldern genutzt werden konnte, hat sich inzwischen als festes Werkzeug im Instrumentarium der Bildverarbeitung etabliert.

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Für die Realisierung von 3D-Bildverarbeitungssystemen bieten sich Anwendern verschiedene Möglichkeiten unterschiedlicher Hersteller.

Das Triangulationsverfahren ist dabei das optimale Verfahren, wenn hochaufgelöste und präzise dreidimensionale Bilddaten benötigt werden: Ein Laser projiziert eine Linie auf das zu untersuchende Objekt. Eine in einem Winkel zum Laser kalibrierte Kamera nimmt Bilder dieser Laserlinie auf, die sich in Abhängigkeit von der Oberflächenkontur des Objekts mit unterschiedlichen Auslenkungen darstellt. Durch eine Bewegung des Objekts relativ zur Kamera können einzelne Bilder der Laserlinie aufgenommen und zusammengesetzt werden. Bearbeitet mit einer geeigneten Software lässt sich so ein dreidimensionales Abbild des Objekts erzeugen.

Zwar erfordert die Lasertriangulation zur Aufnahme von 3D-Bilddaten prinzipbedingt immer ein mechanisches Verfahren von Objekt oder Sensor, um die Scanzeilen zu erfassen. Im Vergleich zu vielen Single-Shot-Technologien wie Time-of-Flight oder Stereo-Vision ist jedoch die erreichbare Messauflösung bei dieser Methode um Faktoren größer.

Ein Nachteil üblicher 3D-Profilsensoren mit einer Kamera und einem Laser besteht darin, dass die Laserlinie je nach Form des Objekts von der Kamera nicht durchgängig erfasst werden kann. Die Folge solcher optischen Abschattungen sind Scanlücken und somit unvollständige Daten des Objekts, das an den betroffenen Stellen nicht vermessen und auf die gewünschten Qualitätsmerkmale überprüft werden kann.

Zwei Kameras reduzieren Abschattungseffekte

Auch der 3D Laser-Profilsensor Matrox Alti Z arbeitet nach dem Prinzip der Lasertriangulation, weist jedoch einen gravierenden Vorteil zu vielen anderen Systemen auf: In seinem Gehäuse sind zwei statt nur einer Kamera integriert. Durch die gleichzeitige Betrachtung der Laserlinie mit zwei gegenüberliegenden optischen Sensoren verringert sich die Gefahr von Lücken in der Bildaufnahme, da Objektkonturen, die sich aufgrund von Abschattungen von einer Kamera nicht erkennen lassen, vom zweiten Sensor erfasst werden.

Zudem löst der Einsatz von zwei Kameras ein Problem, das häufig bei der Inspektion von metallischen Objekten auftritt: Die Laserlinie erzeugt auf den Oberflächen störende Reflexionen, die es einer Kamera erschweren, die tatsächliche Messlinie zu erkennen. Durch den Dual-Kamera-Aufbau von Alti Z werden die aus zwei unterschiedlichen Winkeln aufgenommenen Bilder intern abgeglichen und korrigiert, was eine sichere und stabile Extraktion der Laserline erlaubt.

Zudem führt dies zu einem weiteren Vorteil: Das System ermöglicht eine höhere Präzision als Sensoren mit nur einer Kamera. In Abhängigkeit davon, welches der vier verfügbaren Alti Z-Modelle eingesetzt wird, können Oberflächen auf Basis von bis zu 1984 Bildpunkten pro Profil mit einer Genauigkeit von bis zu 4 µm erfasst werden. Die mögliche Geschwindigkeit der Bildaufnahme liegt bei einer Profilrate von bis zu 2500 Profilen pro Sekunde. Um die Bilderfassung bei Bedarf noch weiter zu steigern, bietet der 3D Laser-Profilsensor zudem die Option, die Sensoren alternierend zu betreiben und die Profilrate dadurch zu verdoppeln. In Fällen, bei denen aufgrund der Objekte keine Abschattungen zu erwarten oder diese für die Qualitätsprüfung unerheblich sind, kann der 3D Laser-Profilsensor also auch in schnellen Prozessen wirtschaftlich eingesetzt werden.

Dual-Kamera bietet flexible Möglichkeiten

Neben des Dual-Kamera-Setups weist Alti Z eine Reihe weiterer Besonderheiten auf, die dem Anwender den Einsatz erleichtern. So erfolgt die Umrechnung der aufgenommenen Profildaten in die ausgegebene 3D-Punktewolke und/oder die 2,5D-Tiefenkarte ohne Einsatz eines PCs vollständig Kamera-intern. Alle patentierten Algorithmen für maximale Präzision laufen vollständig auf dem integrierten FPGA.

Um die Integration in die jeweilige Anwendung zu vereinfachen ist das System mit allen gängigen Schnittstellen und I/Os ausgestattet. Die Synchronisierung der Bildaufnahme mit der Objektgeschwindigkeit, die beispielsweise bei Transportbändern meist über Encoder-Signale an den Sensor übermittelt wird, ist damit problemlos realisierbar. Zur Ausgabe der Daten gibt es ein GigE Vision Genicam/GenDC-Interface mit Power-Over-Ethernet (PoE).

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Mit vier Alti Z-Modellen und drei Arbeitsbereichen von 55 bis 310 mm in X-Richtung und 100 bis 545 mm in Z-Richtung deckt Matrox Imaging eine große Bandbreite möglicher 3D-Applikationen ab. Falls der Erfassungsbereich eines 3D-Profilsensors nicht ausreicht, besteht zudem die Möglichkeit, mehrere Systeme zu kaskadieren und so die erforderliche Scanbreite zu erzielen. Für jeden der drei Arbeitsbereiche existiert ein Modell mit rotem Laser, der auf den meisten Materialien eine für die Kameras optimal erkennbare Linie produziert. Für die Prüfung von Objekten aus Kunststoff steht zudem ein Modell mit blauem Laserlicht zur Verfügung.

Auch mechanisch haben die Entwickler die Anforderungen für den Einsatz praxisnah umgesetzt und das System mit einem kompakten und robusten IP67-Gehäuse ausgestattet, dessen Montage mit Hilfe zahlreicher Befestigungsoptionen in jedem Anwendungsfall auf einfache Weise möglich ist. Die beiden Kameras der Alti Z-Sensoren sind ab Werk vollständig kalibriert, so dass Nutzer auch in diesem Punkt keine unnötige Zeit investieren müssen.

Hard- und Software aus einer Hand

Matrox Imaging ist sowohl für Bildverarbeitungs-Hardware wie Framegrabber und Embedded PCs als auch für industrielle Bildverarbeitungs-Software wie der Matrox Imaging Library (MIL) und des Matrox Design Assistant bekannt. Bereits seit mehr als 10 Jahren kombiniert Matrox seine langjährigen Erfahrungen aus den Bereichen Hardware und Software für die Smart Cameras der Iris GTR-Serie. Mit Alti Z hat das kanadische Unternehmen nun sein erstes Hard- und Software-Komplettprodukt für die 3D-Bildverarbeitung entwickelt. Der wesentliche Vorzug: Die Ansteuerung und der Support eines Systems mit Hard- und Software aus einer Hand ist für den Anwender erheblich einfacher und weniger aufwändig.

Aufgrund des verwendeten GenDC-Standards für die 3D-Bildverarbeitung, der sich am Markt immer weiter verbreitet, können Anwender auch andere Software-Pakete als die MIL oder den Matrox Design Assistant einsetzen.

Mögliche Einsatzgebiete finden sich unter anderem in der Automobilindustrie, in der Elektronikfertigung, in der Lebensmittel- und Pharmaproduktion und in vielen weiteren Industriesparten, in denen dreidimensionale Objekte schnell und mit hoher Genauigkeit überprüft werden müssen.

Aufgrund seiner Leistungsfähigkeit und der Preisgestaltung bietet der 3D Laser-Profilsensor Alti Z somit in vielen Anwendungsfeldern eine zuverlässige und wirtschaftliche Möglichkeit, fehlerhafte Produkte zu vermeiden und so die Produktivität in der Fertigung zu steigern.

* Peter Stiefenhöfer, Freier Journalist

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