3D-Methoden haben die Welt der Automatisierung erobert und werden in vielen Bereichen der Qualitätssicherung, Logistik und Messtechnik eingesetzt. So verschieden wie die Anwendungen sind auch deren Herangehensweisen.
Stereo-Methoden benötigen zum Beispiel zwei Kameras und können nur bei stehenden Objekten eingesetzt werden, was sie langsam macht. Triangulationstechniken beziehungsweise Projektionsverfahren allgemein setzen Bewegung voraus – entweder die der projizierten Messpunkte auf der Objektoberfläche oder die Bewegung des Objektes unter den Messpunkten hindurch. Bei Time-of-Flight wird nur eine Kamera genutzt und die Objekte können sowohl ruhen als auch in Bewegung sein.
Beim dem neigungs- und krümmungsmessenden 3D-Verfahren Shape-from-Shading werden unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen zur Vermessung von stehenden oder bewegten Objekten eingesetzt. Die laterale Auflösung (x, y) bestimmt sich durch die eingesetzte Kamera und kann damit sehr hoch gewählt werden. Diese Kombination ermöglicht eine vielseitige Nutzung.
Shape-from-Shading ist konzeptionell relativ einfach und kann als umgekehrtes Prinzip einer Sonnenuhr aufgefasst werden. Bei dieser werden über die Lage des Schattens und bei bekannter Höhe des Stabes die Höhe und Richtung der Sonne und damit auch die Uhrzeit – bei Hightech-Sonnenuhren sogar der Tag – bestimmt. Als 3D-Verfahren angewendet, nutzt man umgekehrt eine bekannte Beleuchtungsrichtung und misst im übertragenen Sinne über die Länge des Schattenwurfs die Höhe.
Eine vollständige Information über die Oberflächengradienten kann durch die Verwendung von mindestens drei, in der Praxis typischerweise vier, unabhängigen Beleuchtungsrichtungen gewonnen werden. Aus den Gradienten wird dann auf die Höhen z (x, y) geschlossen.
In vielen Anwendungen werden die Beleuchtungen sequentiell geschaltet und die Bilder in Serie mit einer Kamera aufgenommen und anschließend mittels Software ausgewertet. Bei der Vermessung von bewegten Objekten unterstützt eine sehr kurze Belichtungszeit die Minimierung der Bewegungsunschärfe. Alternativ lässt sich die Beleuchtungsrichtung auch über die Farbe kodieren. Eine 3-Chip-Kamera erzeugt dann in nur einer Aufnahme die notwendigen unabhängigen Bilder. Farbkameras eignen sich aufgrund des hohen Farbübersprechens der verwendeten Bayer-Filter für Shape-from-Shading nicht.
Geometrische Abweichungen
schnell erkennen
In den vergangenen Jahren fand Shape-from-Shading vor allem in der Inline-Oberflächenprüfung und Sortierung großen Anklang. Ein Grund dafür ist, dass durch die Verrechnung der Grauwertbilder, die von unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen herrühren, die Unterschiede in der Reflektivität (Albedo) der Oberflächen herausgerechnet werden können.
So kann zwischen geometrischen Abweichungen und reinen farblichen, Reflexions- oder Texturänderungen einfach und schnell unterschieden werden. Bei anderen Methoden ist dies deutlich aufwändiger.
Anwendung findet dieses Verfahren etwa in der Verpackungsindustrie, zum Beispiel wenn Informationen in Blindenschrift als erhabene Braille-Punkte auf Richtigkeit oder Qualität inspiziert werden müssen, während sich darunter die bedruckte Schachtel mit Schrift befindet.
Idealerweise werden vier Beleuchtungen sequentiell angesteuert, passend dazu die Grauwertbilder aufgenommen und an eine Auswerteeinheit gesendet. Inzwischen stehen Kameras wie die CX.I-Modelle der CX-Serie von Baumer zur Verfügung, die über vier separat schaltbare Power-Ausgänge verfügen.
Dank integriertem Genicam kompatiblem Sequencer und Ausgängen mit bis zu 48 V / 2,5 A können die Beleuchtungen direkt aus der Kamera heraus gesteuert und die Bildaufnahme getriggert werden. Dadurch entfällt ein externer Beleuchtungscontroller mit seinen Kosten und Verkabelungsaufwand komplett. Um hohe dynamische Prüfraten zu erreichen, sollten die eingesetzten Kameras aber nicht nur hohe Bildraten aufweisen, sondern auch sehr kurze Belichtungszeiten ermöglichen.
Auswertung von metallisch
glänzenden Oberflächen
Mit den CX.I-Kameras können die Bilder sogar im Burst Mode mit maximaler Bildrate in der Kamera aufgenommen und anschließend entsprechend der verfügbaren Bandbreite mit niedrigerer Framerate an die Auswerteeinheit gesendet werden. Die eingesetzten Sony-Sensoren liefern Aufnahmen mit einem hohen Dynamikumfang, um eine stabile Auswertung auch von metallisch glänzenden Oberflächen sicherzustellen. Dank der minimalen Belichtungszeit von 1 µs kann zudem die Bewegungsunschärfe deutlich reduziert und damit ein hoher Produktionsdurchsatz erzielt werden.
Die Weiterentwicklung von Kameras mit integriertem Beleuchtungscontroller für vier Ausgänge ermöglicht es, die Anzahl der Komponenten in einem Shape-from-Shading-Aufbau zu reduzieren. Dadurch werden Kosten für Material und Integration eingespart. Damit wird der Systemaufbau vereinfacht, weniger fehleranfällig und schneller umsetzbar. ■
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