Scanner goSCOUT3D zur mobilen und voll automatisierten 3D-Messung von Objekten

Virtuelle 3D-Modelle realer Objekte, sogenannte »digitale Zwillinge«, bieten zahlreiche Vorteile, sei es für die Digitalisierung oder in der Qualitätskontrolle der industriellen Fertigung. Doch je komplexer ein Objekt, umso schwerer lässt sich dessen Form messen und in ein 3D-Modell überführen. Mit goSCOUT3D wurde nun am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, ein tragbarer Sensor entwickelt, der eine besonders flexible 3D-Erfassung ermöglicht.

Der Sensor wird dazu von Hand um ein zu messendes Objekt geführt und erstellt automatisch ein 3D-Modell, welches hochaufgelöste Form-, Farb- und Texturinformationen enthält. Das System ermöglicht einen voll automatisierten Ablauf bei der Messung dreidimensionaler Objekte, von der Bildaufnahme bis hin zur Generierung des kompletten Farb- bzw. texturierten 3D-Modells.

Erweiterung das Prinzip der Photogrammetrie

Um die gewünschten 3D-Modelle zu erzeugen, wird das Prinzip der Photogrammetrie angewendet. Bei diesem Messverfahren werden hochauflösende zweidimensionale Farbbilder von der zu messenden Szene aus vielen verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen. Das bedeutet: Von Hand wird der Sensor einmal um das Objekt geführt. Anschließend werden in der Fotostrecke markante Objektpunkte identifiziert. Tauchen diese in mehreren Bildern auf, können über das Prinzip der Triangulation die zugehörigen 3D-Punkte und damit die 3D-Daten der gesamten Szene berechnet werden.

Eine besondere Herausforderung war dabei die schnelle Verarbeitung der 2D-Bilder. Denn für die dreidimensionale Erfassung wird eine Vielzahl hochaufgelöster Einzelaufnahmen in guter Bildqualität benötigt, deren Verarbeitung typischerweise sehr zeitintensiv ist. Den Forschenden ist es jedoch gelungen, das Prinzip der Photogrammetrie um die Positions- und Orientierungsdaten einer inertialen Messeinheit zu ergänzen. Diese Daten ermöglichen die grobe Bestimmung der Sensorbewegung und erlauben somit die Auswahl von Bildern mit überlappenden Bildinhalten.

Schnelle Bildverarbeitung bei hoher Detailtreue

Neben einer hochauflösenden Farbkamera sowie einer inertialen Messeinheit und einem Display mit Touchscreen ist ein Ringlicht das visuell auffälligste Merkmal des neuen Sensors. Dieses dient der Ausleuchtung der Messszene, um die für den handgehaltenen Betrieb erforderlichen kurzen Belichtungszeiten zu ermöglichen. Bei einer standardmäßigen Messentfernung von einem Meter und einem Bildfeld von etwa einem Quadratmeter wird dadurch eine Aufnahmegeschwindigkeit von bis zu 6 m² Objektoberfläche pro Minute erreicht.

Die integrierte 20-Megapixel-Farbkamera ermöglicht eine besonders hohe räumliche Auflösung von weniger als 0,25 Millimetern. Das Gewicht des Sensorkopfes liegt bei etwa 1,3 kg. Die Stromversorgung erfolgt über Akkus, die einen ununterbrochenen Betrieb über mehrere Stunden ermöglichen. Auf diese Weise wird der Handscanner besonders mobil und flexibel einsetzbar.

Mit dem neuen Sensor steht nun ein System zur Verfügung, das nicht nur Anwendungspotenziale in der Industrie, sondern weit darüber hinaus bietet. Durch die Visualisierung und Analyse von Objekteigenschaften bietet sich der Scanner für den Einsatz in der Medizin, in der Forschung und Wissenschaft oder auch für die Bereitstellung von Daten für Augmented-Reality-Anwendungen an.