Embedded Vision-System zur 3D-Prüfung von Objekten mit schwach texturierten oder glänzenden Oberflächen

Viele Mess- und Prüfprozesse lassen sich mithilfe von 3D-Bildverarbeitung vereinfachen und effektiver gestalten. In der Praxis können gefertigte Teile beispielsweise in 3D erfasst und die gewonnenen Informationen anschließend mit CAD-Daten abgeglichen werden. Produktionsfehler werden so direkt und sicher erkannt. Zusätzlich kann geprüft werden, ob tatsächlich immer das richtige Teil für den nächsten Arbeitsschritt vorliegt, was gerade in Fertigungslinien mit hohem Individualisierungsgrad wichtig ist.

Klassische Bildverarbeitungssysteme stoßen bei Prüflingen mit schwach texturierten oder spiegelnden Oberflächen allerdings an ihre Grenzen. Die IDS Imaging Development Systems GmbH aus Obersulm zeigt daher ein 3D-Stereo Vision System mit FlexView-Technologie, das auch Objekte mit schwierigen Oberflächeneigenschaften prüfen kann.

3D-Stereo Vision Ensenso-Kamera mit FlexView-Technologie
© IDS Imaging Development Systems GmbH

3D-Stereo Vision Ensenso-Kamera mit FlexView-Technologie

Bei einer Prüfung liegt das Objekt auf einem Drehteller und wird mit einer Ensenso N35 Stereo-3D-Kamera aufgenommen. Ensenso-Kameras arbeiten nach dem Prinzip des räumlichen Sehens (Stereo Vision), das dem menschlichen Sehvermögen nachempfunden ist. Dabei betrachten zwei Kameras eine Szene aus unterschiedlichen Blickwinkeln. Durch die Unterschiede in den beiden entstandenen Bildern kann mittels Triangulation die räumliche Ausdehnung des Objekts berechnet werden. Die Qualität von Stereo Vision ist also direkt von den Lichtverhältnissen und den Oberflächenbeschaffenheiten (Texturen) der Objekte in der Szene abhängig. Auf wenig texturierten oder spiegelnden Oberflächen können deshalb nur wenig markante Bildpunkte erkannt, verglichen und örtlich bestimmt werden. Die Folge sind unvollständige Tiefeninformationen der Szene.

Die Ensenso-Kamera ist zusätzlich mit einem lichtstarken Projektor ausgestattet, der auch bei schwierigen Lichtverhältnissen mittels einer Pattern-Maske eine kontrastreiche Textur auf das Objekt projiziert und somit die nicht oder nur schwach vorhandenen Strukturen ergänzt. Dieses Verfahren der Ensenso bezeichnet man als »Projected Texture Stereo Vision«. Mittels der Hilfsstrukturen auf der Objektoberfläche kann das Matching-Verfahren eine viel höhere Anzahl an Bildpunkten, inklusive ihrer Positionsänderung, erkennen und daraus eine vollständigere, homogenere Tiefeninformation der Szene erstellen.

3D-Darstellung eines Prüflings ohne FlexView-Technologie
© IDS Imaging Development Systems GmbH

3D-Darstellung eines Prüflings ohne FlexView-Technologie

Der Detailgrad der Aufnahme kann mithilfe der FlexView-Technologie noch weiter verbessert werden. Dabei wird die Position der Projektor-Maske durch eine verschleißarme Piezo-Mechanik im Lichtstrahl linear in sehr kleinen Schritten verschoben. Damit verschiebt sich die projizierte Textur auf der Objektoberfläche ebenfalls und erzeugt andere Hilfsstrukturen. Mehrere Bildpaare derselben statischen Szene mit unterschiedlichen Texturen erzeugen viel mehr Bildpunkte und die Auflösung vergrößert sich. Neben der Auflösung steigt auch die Robustheit der Daten auf schwierigen Oberflächen, da die verschobenen Musterstrukturen zusätzliche Informationen auf glänzenden, dunklen oder hoch glänzenden Oberflächen aufbringen. Der Bedarf an Nachbearbeitungsschritten der Punktwolke und die Laufzeit nachfolgender 3D-Verarbeitungsschritte werden reduziert.

Die Visualisierung der 3D-Darstellung erfolgt mithilfe der HALCON-Bildverarbeitungssoftware auf einem Embedded ARM-System, unterstützt durch eine leistungsfähige GPU. Der Grafikprozessor ist gerade für die Berechnung der 3D- Informationen von großer Bedeutung. Das Embedded Board sorgt dabei für die Kosten- und Energieeffizienz des Systems.

3D-Darstellung eines Prüflings ohne FlexView-Technologie
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3D-Darstellung eines Prüflings mit FlexView-Technologie. Durch die Technologie werden mehr Bildpunkte generiert und die Auflösung verbessert sich