Zum Hauptinhalt springen

Vision-Doctor

Systeme

Auswahl des richtigen BV-Systems

Übersicht und Spezifikation
3D-Bildverarbeitung

3D-Kameralösungen haben sich in den vergangenen Jahren zu einem wichtigen Bestandteil moderner Bildverarbeitungstechnologien entwickelt. Im Vergleich zu 2D-Lösungen bieten sie eine Reihe von Vorteilen. Die Farbe oder Helligkeit des Prüfobjekts spielt dabei keine Rolle.

Die Tiefe eines Objekts kann von diesen Systemen unabhängig davon erfasst werden. Bei 2D-Techniken stehen diese Informationen nicht zur Verfügung, was zu einer eingeschränkten Erkenntnisgewinnung führt. Selbst kleine Erhebungen oder Vertiefungen, die in 2D-Bildern schwer zu erkennen sind, werden so sichtbar.

3D-Systeme ermöglichen eine zuverlässigere Erkennung von Defekten wie Rissen oder Verformungen, da sie das gesamte Objekt in seiner räumlichen Ausdehnung erfassen.

Insbesondere im Bereich Robotik sind 3D-Systeme heute nicht mehr wegzudenken. Dank der Tiefeninformationen können die Objekte auch bei verkippten oder überlagerten Objektinformationen exakt lokalisiert und gegriffen werden.

3D = 3D?

Im Vergleich zur 2D-Bildverarbeitung gibt es eine Vielzahl von Aufnahmeverfahren zur Gewinnung von 3D-Daten. Jede 3D-Technologie hat ihre eigenen Eigenschaften, Hardwareanforderungen, Kosten, erreichbare Genauigkeiten, die für bestimmte Anwendungen sehr nützlich sein können. Es lohnt sich also, sich näher mit dem Thema zu beschäftigen!

Verschiedene 3D-Technologien:

  • Laser-Triangulation

  • Strukturiertes Licht

  • Stereo Vision (aktiv / passiv)

  • Time of Flight (ToF)

  • Confocal Imaging
  • Depth from Focus
  • Shape from Polarization
  • Lichtfeld
  • ...

Die Welt ist eine Scheibe?

Die meisten Prüfaufgaben werden heute noch mit monochromen 2D-Kamerasystemen gelöst. Der Grund dafür ist sicherlich die einfache Bildgenerierung bei gleichzeitig geringem Aufwand. Auch die reduzierte Dateninformation ist sicherlich oft hilfreich, wenn es um eine möglichst schnelle Auswertung geht.

Dieser Methode sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Informationen nur in einer Ebene dargestellt werden. Man geht also davon aus, dass "die Welt eine Scheibe ist". In der Realität ist dies natürlich nicht der Fall und es entstehen bei Auswertungen Schwierigkeiten. 

Fehlerquellen für die  2D-Bildverarbeitung

  • Die Mehrzahl der Objekte ist hochgradig dreidimensional und nicht nur eben
  • Der Abstand zum Objekt kann variabel sein (es reicht hier bereits die thermische Längenausdehnung als Fehlerquelle)
  • Objekte können während der Bildaufnahme auch etwas geneigt sein (nicht parallel zum Sensor). Ein leicht durchhängendes Kunststoff-Tray mit Objekten etc. ist ein einfaches Beispiel dafür

Fehlmessungen sind somit vorprogrammiert, die auch nur teilweise mit telezentrischen Messobjektiven kompensiert werden können.

2D Bildaufnahme

Vorteile der 3D-Bildverarbeitung

Die Vorteile der 3D-Bildaufnahme ist offensichtlich, wenn man beide Bilder vergleicht: Die Merkmale, die hier geprüft werden sollen, befinden sich nicht nur in verschiedenen Höhenebenen, sondern sind zudem auch teilweise geneigt. In einem metrisch kalibrierten Bildraum kann trotzdem korrrekt inspiziert werden.

  • Merkmale werden unabhängig vom 2D-Grauwertkontrast erkannt. Die Erkennung basiert auf 3D-Höheninformationen. Also auch helle und dunkle Bildbereiche bzw. Objektinformationen werden als einheitliche 3D-Information dargestellt, die ausgewertet werden können.
  • In einem kalibrierten 3D-Raum kann ohne Skalierungsfehler gearbeitet werden, auch wenn in unterschiedlichen z-Abständen gemessen wird.
  • 2D-Bildinformation: x, y, Winkel γ
  • 3D-Bildinformation: x, y, z, Winkel α, β, γ

Die verschiedenen 3D-Methoden liefern in vielen Fällen ein zusätzliches Intensitätsbild, das ebenfalls ausgewertet werden kann.

3D Bildaufnahme

Auswahlkriterien zum Planen eines 3D-Kamerasystems

Die Auswahl eines geeigneten 3D-Bildverarbeitungssystems erfordert die Berücksichtigung mehrerer entscheidender Kriterien. Diese Faktoren tragen dazu bei, dass das System den spezifischen Anforderungen und Anwendungen entspricht. Die sorgfältige Berücksichtigung dieser Kriterien stellt sicher, dass das 3D-Bildverarbeitungssystem optimal an die spezifischen Anforderungen der Anwendung angepasst ist. Durch die Auswahl des richtigen Systems können Genauigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit maximiert werden.

Kurzum: ein gut funktionierendes System will gut ausgelegt werden!

1. Sichtbereich (x, y und z)

Der Sichtbereich bestimmt, wie viel von einem Objekt oder einer Szene erfasst werden kann. Es ist wichtig, einen 3D-Sensor zu wählen, dessen Sichtbereich groß genug ist, um alle relevanten Teile des Objekts abzudecken. Die Abmessungen x, y und z geben dabei die maximale Größe des Erfassungsvolumens an.

2. Bewegung

Ein weiteres Kriterium ist die Möglichkeit der Bewegung. Hierbei muss entschieden werden, ob der Sensor statisch bleiben soll oder ob er sich bewegen muss, um verschiedene Perspektiven zu erfassen. Ein statisches System ist einfacher zu implementieren, während ein bewegliches System flexibler sein kann, um komplexe Objekte vollständig zu erfassen.

3. Nötige Auflösung (x, y und z)

Die Auflösung des 3D-Sensors beeinflusst die Genauigkeit und Detailgenauigkeit der erfassten Daten. Eine hohe Auflösung ist besonders wichtig für Anwendungen, die feine Details erfordern. Die Auflösung wird oft in x, y und z angegeben und sollte den Anforderungen der spezifischen Anwendung entsprechen.

4. Freier Arbeitsabstand

Der freie Arbeitsabstand bezeichnet den Bereich zwischen dem Sensor und dem zu erfassenden Objekt. Ein geeigneter Arbeitsabstand gewährleistet, dass das System effizient arbeiten kann, ohne dass der Sensor oder das Objekt angepasst werden muss. Es ist wichtig, dass der Arbeitsabstand groß genug ist, um das gesamte Objekt zu erfassen, aber klein genug, um eine hohe Auflösung und Detailtreue zu gewährleisten.

5. Abmessungen, IP-Klasse, Gewicht

Die physischen Abmessungen, die Schutzart (IP-Klasse) und das Gewicht des 3D-Bildverarbeitungssystems sind ebenfalls wichtige Auswahlkriterien. Diese Faktoren beeinflussen die Integration des Systems in die bestehende Umgebung und die Handhabung.

Gerade im Bereich der Industrierobotik könnte ein schwerer Sensor bei kleinen Robotern zu Problemen führen. Aber auch für Anwendungen im Transportwesen oder im Drohnenbereich sind Größe und Gewicht ein ernsthaftes Problem.

6. Zykluszeit Bildaufnahme & Zeit für Datenverarbeitung

Die Zykluszeit für die Bildaufnahme und die Zeit für die Datenverarbeitung sind entscheidende Faktoren für die Gesamtleistung des 3D-Bildverarbeitungssystems. Eine kurze Zykluszeit ermöglicht eine schnellere Bildaufnahme, was für industrielle Anwendungen besonders wichtig ist. Die Datenverarbeitungszeit beeinflusst, wie schnell die erfassten Daten analysiert und verwendet werden können. Es ist wichtig, ein System zu wählen, das sowohl eine schnelle Bildaufnahme als auch eine effiziente Datenverarbeitung ermöglicht.

7. Materialart des Bauteils

Der Materialtyp des zu erfassenden Objekts spielt eine wichtige Rolle bei der Wahl des 3D-Bildverarbeitungssystems. Materialien können kooperativ (matt und undurchsichtig), glänzend oder transparent sein. Jedes Material stellt unterschiedliche Anforderungen an den Sensor und die Bildverarbeitungsalgorithmen.

8. Spezielle Features

Einige 3D-Bildverarbeitungssysteme bieten spezielle Features wie Texturbild, Multi Slope und HDR (High Dynamic Range). Diese Funktionen können die Erfassung und Analyse von 3D-Daten verbessern und sollten je nach Anwendungsbedarf in Betracht gezogen werden. Auch spezielle Trigger-Modi könnten solche Features sein, die nur bei speziellen Systemen zur Verfügung stehen.

9. Kenntnisse des Users

Die Auswahl des Systems hängt auch von den Kenntnissen des Anwenders ab. Smart-Kameras sind oft benutzerfreundlicher und eignen sich für Anwender mit weniger technischen Kenntnissen. PC-basierte Systeme bieten mehr Flexibilität und Leistung, erfordern jedoch auch fortgeschrittene Kenntnisse.

10. Budget

Manchmal stehen auch die möglichen  Investionskosten deutlich im Vordergrund. Was ist die beste Lösung, die ich für ein bestimmtes Budget bekommen kann? Auch hier müssen oftmals Kompromisse eingegangen werden.

Auswahl des perfekten Systems?

Vision-Doctor.de ist ein privates, unabhängiges, nicht-kommerzielles Homepage-Projekt ohne Kunden-Support.

Optimale Beratung, Schulung und Verkauf von geeigneten System-Lösungen  erhalten Sie hier.

(externer Link Partner-Webseite)

Bild Übersicht BV-Systeme / industrielle Bildverarbeitung