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Industrielle Automation 3/2015

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Industrielle Automation 3/2015

Mehrdimensional im Raum

Mehrdimensional im Raum Industrielle 6-D-Kamera mit lernfähiger Wahrnehmungstechnologie Uwe Furtner 3-D-Kameras sind bei vielen Inspektionsaufgaben die bessere Lösung als 2-D-Kameras. Dennoch haben sie einen schweren Stand, da sie oft als zu kompliziert angesehen werden und meistens nur für eine spezifische Anwendung ausgelegt sind. Eine etwas andere, universelle 3-D-Kamera zeigt jetzt neue Wege auf. Sollen komplexe Formen wie Flaschen erkannt werden, unabhängig davon ob sich diese bewegen oder still stehen oder sollen verschiedenfarbige Objekte differenziert werden, stoßen bisherige Kamerasysteme an ihre Grenzen. Derartige Inspektionsaufgaben finden sich vor allem in der Logistik, in Verpackungsprozessen oder in Pick-andplace-Anwendungen. In diesen Branchen wird die Mehrzahl der Inspektionsaufgaben zweidimensional gelöst. Um etwa kleine Vertiefungen und Oberflächenstrukturen sichtbar zu machen, werden spezielle Beleuchtungen verwendet oder Aufnahmen mit verschiedenen Beleuchtungsrichtungen oder Farben nacheinander durchgeführt. Der Aufwand ist also recht hoch für etwas, das mit einem 3-D-Ansatz einfacher zu lösen wäre. Viele Anwendungen mit einer Kamera realisieren Der Kamerahersteller Matrix Vision hat die beiden Branchen Verpackung und Logistik genauer ins Visier genommen und legte damit den Grundstein für die Entwicklung und Herstellung einer 3-D-Kamera. Bisher gab es einige Argumente, die gegen eine 3-D-Kamera-Lösung sprachen: zu teuer, jede Anwendung erfordert eine Sonderversion und es gibt nur wenige Systemintegratoren, die sich mit 3-D gut auskennen. Ausgehend von diesen Argumenten galt es zunächst, die vorhandenen 3-D-Verfahren zu evaluieren. Das Ziel war dabei, möglichst viele Anwendungen mit einer Kamera realisieren zu können. Gleichzeitig sollte es aber keine Me-too-Lösung werden. Idealerweise sollten alle Vorteile der bisherigen Verfahren zusammengefasst werden, ohne deren Einschränkungen zu übernehmen. Funktionsprinzipien, Vorteile, Nachteile gängiger 3-D-Verfahren Time of Flight (TOF) Systeme senden Licht aus und messen die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts. Der Abstand des Objektes kann durch diese Verschiebung ermittelt werden. Die Messung erfolgt sehr schnell und bewegte wie auch stehende Objekte können gleichermaßen gut detektiert werden. Jedoch muss sich das ausgesendete Licht gegen das Umgebungslicht behaupten, was Anwendungen im Außenbereich erschwert. Bei der Laser-Triangulation wird eine Laser-Linie in einem definierten Winkel auf ein Objekt projiziert. Unter einem anderen Winkel wird die Szene von einer Kamera aufgenommen. Jede Höhenänderung führt zu einer Verschiebung der projizierten Linie im Bild. Damit lässt sich entlang einer einzelnen Linie ein Höhenprofil aufnehmen. Für die Erfassung wird das Objekt unter dem Aufnahmesystem bewegt, dabei muss die Aufnahmegeschwindigkeit mit der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts synchronisiert werden. Die Streifen-Projektion ähnelt der Laser- Triangulation. Hier werden aber gleich mehrere Streifen mittels eines Projektors auf die Szene projiziert. Anstatt das Objekt zu bewegen, verschiebt man die Streifen mit dem Projektor solange, bis sich das Streifenmuster wiederholt. Damit braucht dieses Verfahren nur 10 - 30 Bildaufnahmen anstatt hunderte. Die Messgenauigkeit ist sehr hoch. Sie hängt vom Projektionswinkel und von dem konstant zu haltenden Abstand zwischen Projektor und Kamera ab. Damit ist das System jedoch empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Beanspruchungen. Mit einer zweiten Kamera kann man ein Stereosystem aufbauen. Damit Uwe Furtner, Technische Geschäftsleitung bei der Matrix Vision GmbH in Oppenweiler 82 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015

wird das Problem eliminiert, einen heißen Projektor in einer konstanten Position halten zu müssen. Die anderen Nachteile des Verfahrens bleiben jedoch erhalten. Ein weiteres Verfahren verwendet sogenanntes strukturiertes Licht. Hierbei projiziert eine statische Lichtquelle eine unregelmäßige Struktur auf das Objekt. Die Lichtquelle ist mit einem definierten Abstand zur Kamera angebracht. Das Messprinzip ist mit dem Stereoverfahren vergleichbar. Eine erweiterte Ausführung dieses Verfahrens verwendet zwei Kameras – Beleuchtungsquellen müssen im Winkel und Abstand nicht konstant gehalten werden. Die Szene wird mit einer einzigen Aufnahme erfasst und die Tiefeninformationen können berechnet werden. Allerdings ist die Messauflösung niedriger als bei der Streifenlichtprojektion. Typischerweise werden alle beschriebenen Systeme für einen vordefinierten Messbereich gebaut. Die Gegenüberstellung zeigt, dass jedes Verfahren gewisse Vorteile für individuelle Anwendungsfälle bietet. Die Lösung ist eine universelle Multistereo-Kamera Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit von Matrix Vision, die u. a. auf der Basis der Bewertung der genannten 3-D-Verfahren erfolgte, ist die Perception Camera mvBlue­ Sirius. Sie basiert prinzipiell auf dem Stereo ­ verfahren gepaart mit strukturiertem Licht. Um ein größeres Messfeld zu erreichen und um nicht unterschiedliche Kameraabstände sowie -winkel in der Produktion sonderfertigen zu müssen, wurde noch eine dritte Kamera inte griert. Dadurch ist es möglich, das System als eine universelle Multistereo- Kamera einzusetzen. Jede Kombination zweier Kameras ermöglicht unterschiedliche Arbeitsbereiche. Objekte in nahem Abstand zur Kamera werden von den Kameras mit dem kürzesten Abstand am besten erfasst und die fernen Objekte von den Kameras mit dem weitesten Abstand. Erstaunliche Ergebnisse: Farbe, Tiefeninformation, Bewegung Das Stereoverfahren lebt davon, dass in beiden Bildern die gleiche Struktur gefunden wird. Um auch die Messung von unstrukturierten Flächen zu ermöglichen, beleuchtet die mvBlueSirius das Objekt mit einem strukturierten Licht, womit dem Objekt eine zusätzliche Struktur hinzugefügt wird. Berechnet werden nicht nur die Tiefeninformationen, sondern auf Wunsch auch die Bewegungsinformationen. Auch diese liegen im 3-D-Raum als Vektoren (vx, vy, vz) vor. Somit handelt es sich bei dem neuen System um eine 6-D-Kamera, mit der auch bestimmt werden kann, ob sich ein Objekt von der Kamera weg ode r zu ihr hin bewegt. Diese Daten sind zusätzlich farbig und werden im RGB-Farbraum abgebildet. Somit ist die Kamera auch für zukünftige Farbanwendungen gewappnet. Mit integrierter Wahrnehmung Das Streifenlichtprojektionsverfahren oder das Lasertriangulationsverfahren allgemein haben eine hohe Auflösung, die eine Trennung auch eng aneinander liegender Objekte ermöglicht. Ein 3-D-System auf Basis des Stereoverfahrens benötigt hierzu eine Die 6-D-Kamera erfasst dynamische Objekte, erkennt und analysiert deren Position, Geschwindigkeit, Größe sowie das Bahnverhalten in Echtzeit Darstellung rechts im Bild: Die Streifen- Projektion ähnelt der Laser-Triangulation: gleich mehrere Streifen werden mithilfe eines Projektors auf die Szene projiziert; es wird nicht das Objekt bewegt, sondern man verschiebt die Streifen mit dem Projektor Key features der 6-D-Kamera n hohe X-, Y-Auflösung (1 024 x 1 024 Px) n Messbereich von ca. 27 bis 250 cm mit nur einem Kamerasystem n Messauflösung ca. ± 40 μm bei 27 cm; ca. ± 3,5 mm bei 250 cm n Tiefenkarte mit einer Aufnahme n schnell bewegte Objekte sowie still stehende Objekte erlaubt n keine Pseudo-Objekte n Scanzeit = Shutterzeit (10 μs bis 30 ms) n nur eine Kamera für Nah und Fern n automatische Kalibration ohne Vorlage n hohe Messdichte durch hohe Sensorauflösung n Objektdarstellung in Video-Echtzeit (30 Hz) hohe X/Y-Auflösung, was wiederum das Sichtfeld einschränkt oder die Bildrate reduziert. Um nun eng aneinander liegende Objekte trennen zu können, wird mit der neu entwickelten Kamera eine zusätzliche strukturierte Beleuchtung auf die Szene projiziert. Die Verarbeitung der umfangreichen Bilddaten ist komplex und erheblich aufwendiger als das für ein 2-D-Graubild der Fall wäre. Deshalb wurde eine sogenannte Wahrnehmungsfunktion integriert. Mit weichen, formbeschreibenden Begriffen beschreibt der Anwendungs entwickler, welche Objekte ihn interessieren. Gerade diese Wahrnehmungsfunktion ermöglicht eine sehr einfache Anwendung der Kamera und macht damit erst den Masseneinsatz möglich. Typische Anwendungsgebiete der mvBlueSirius sind in der Logistik und Packaging unter anderem die Be reiche Paket-Kontrolle, Pick & Place und Palettierung sowie in Gebieten der Verkehrstechnik, Messtechnik, Fertigungskontrolle, Medizintechnik / Sport, Roboterführung, Food und Recycling. Bilder: Hintergrund Fotolia, Sonstiges Bildmaterial Matrix Vision www.matrix-vision.de INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2015 83

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