3D-Vermessungssysteme

3D-Vermessungssysteme

Zu dem Produktportfolio von insensiv gehören auch 3D-Vermessungssysteme. Abhängig von der Aufgabenstellung wird entweder ein Stereo-Kamerasystem oder das Laserschnittverfahren eingesetzt, welches auf dem Triangulationsprinzip basiert und aus einer Einheit von Kamera und Laser besteht. Ebenfalls bietet die insensiv ein Mustergeneratorverfahren und das Time-of-flight Verfahren an.

Das Stereoverfahren wird angewandt, wenn für die Messung lediglich eine Momentaufnahme zur Online-Auswertung möglich ist, die Farbinformation eine Rolle spielt oder das Objekt teilweise transparent ist, wie beispielsweise bei der Flaschenvermessung von Kisten.

Das Laserschnittverfahren wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine kontinuierliche Geschwindigkeit des zu vermessenden Objektes oder des Messsystems selbst gewährleistet ist.

Auch bindet insensiv fertige 3D Sensoren, mit einem Projektionsmusterverfahren ein.

Neben der Bereitstellung der reinen 3D-Informationen bieten die Systeme von insensiv eine interne Auswertung der Daten und die entsprechende Steuerung von Aktuatoren. Insbesondere die Stereosysteme sind kundenspezifische Lösungen. Hierbei bilden Kameras, Beleuchtung und Gehäuse eine Einheit. Die Auflösung der Bildsensoren und die Rechenleistung werden entsprechend Ihrer Aufgabenstellung skaliert. 3D-Systeme bieten wir mit Farb- und Graustufensensoren an. Diese können sowohl für Innen- als auch für Außeneinsätze konzipiert werden.

Stereoverfahren

Das Stereoverfahren wird angewandt, wenn für die Messung lediglich eine Momentaufnahme zur Online-Auswertung möglich ist, die Farbinformation eine Rolle spielt oder das Objekt teilweise transparent ist. Besonders im Außenbereich.

Mit der 3D Stereobildverarbeitung lassen sich dreidimensionale Objekte vermessen. Hierbei wird das Objekt gleichzeitig von zwei leicht versetzten Kameras aufgenommen. Aufgrund der perspektivischen Abbildung und des Versatzes der beiden Kameras nehmen diese leicht unterschiedliche Bilder auf. Je näher etwas an der Kamera ist, desto stärker weicht dessen Position in beiden Bildern ab. Aus diesem Versatz lassen sich die Höheninformationen zurückgewinnen. Da die 3D-Informationen aus vollständigen Bildern gewonnen werden und nicht zeilenweise, wie beim Laserschnittverfahren, ist keine Bewegung des Objektes relativ zu den Kameras erforderlich. Davon abgesehen kann das Objekt natürlich in Bewegung sein.

Die Messgenauigkeit hängt ab von dem verwendeten Abstand der Kameras zueinander und deren Anordnung, der Auflösung der Kameras sowie der Größe und dem Abstand des Objektes. Mit zunehmendem Abstand nimmt die Messgenauigkeit quadratisch ab. Da bei der 3D-Stereobildverarbeitung eine Bewegung des Objektes nicht Voraussetzung ist, eignet es sich besonders zum Erfassen von stationären Objekten oder Objekten, dessen Bewegung sich nicht ohne Weiteres beeinflussen lässt.

Ein konkretes Produkt ist die Vermessung von Getränkekisten in Rücknahmeautomaten mit gleichzeitiger Erkennung der Flaschen. Weitere Anwendungsgebiete finden sich beispielsweise im Bereich der Landwirtschaft oder der industriellen Qualitäts- und Produktionsüberwachung.

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Single-Chip 3D-Kamera

Die Single-Chip 3D-Kamera ist eine Stereokamera, welche mit nur einem Sensor auskommt. Mithilfe der speziell entwickelten Spiegeltechnik erfolgt dabei eine Bildaufteilung. In der linken bzw. rechten Sensorhälfte werden entsprechend die Bilder zweier virtueller Kameras abgebildet. Durch die Spiegeloptik sind diese beiden virtuellen Kameras so ausgerichtet, dass sich Ihre Sichtbereiche im Arbeitsbereich überlappen. Dies führt zu einer Maximierung der für die Stereoverarbeitung relevanten Bildinformationen.

Die Vorteile des Systems ergeben sich primär aus der Tatsache, dass nur ein Sensor / eine Kamera zum Einsatz kommt. Hierdurch werden Helligkeitsunterschiede vermieden, wie Sie zwischen zwei realen Kameras auftreten können. Des Weiteren entfällt die Kommunikation der Kameras miteinander, da das Stereobild bereits vollständig zur Verfügung steht und die Auswertung direkt nach der Aufnahme beginnt. Bei der Aufnahme beweglicher Objekte entfällt durch das Spiegelsystem zudem die ansonsten notwendige Synchronisierung der Kameras.

Durch die Verwendung einer Embedded-Kamera mit leistungsstarkem Prozessor ist die 3D-Analyse direkt auf der Kamera möglich, sodass kein zusätzlicher PC für diese Aufgabe notwendig ist. Lediglich die benötigten 3D-Daten werden via Ethernet oder RS232 an die übergeordnete Steuerung übergeben. Dies ermöglicht den Aufbau von kostenoptimierten 3D-Systemen zur Online 3D-Analyse.

Anwendungsgebiete sind unter anderem Spurführungssysteme in der Landwirtschaft oder die Vermessung von bewegten Gegenständen und Personen.
Generell ist die Single-Chip 3D-Kamera skalierbar und durch entsprechende Auswahl der Kamera sowie Anpassung der Optik für zahlreiche Anwendungsfälle einsetzbar.

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Laserschnittverfahren

Das Laserschnittverfahren wird bevorzugt eingesetzt, wenn eine kontinuierliche Geschwindigkeit des zu vermessenden Objektes oder des Messsystems selbst gewährleistet ist.

Das Laserschnittverfahren ist ein Lichtschnittverfahren, mit dem Objektoberflächen dreidimensional vermessen werden. Zur Erfassung der 3D-Daten wird das Objekt relativ zu einer Laserlinie bewegt und gleichzeitig mit einer Kamera betrachtet, die außerhalb der Laserebene positioniert ist. Aufgrund der Höhenunterschiede des Objektes nimmt die Kamera eine entsprechend versetzte Laserlinie auf. Aus diesem Versatz lassen sich die jeweiligen Höheninformationen berechnen. 

Im Gegensatz zum Stereobildverfahren kommt das Laserschnittverfahren mit nur einer Kamera aus, mit der die 3D-Informationen zeilenweise gewonnen werden. Die Messgenauigkeit hängt von der Größe der Laserlinie, der Auflösung und der Entfernung der Kamera, wie auch der Reflexionseigenschaften der untersuchten Oberfläche ab.

Da sich das zu erfassende Objekt relativ zur Kamera bewegen muss, bietet sich das Laserschnittverfahren beispielsweise zur Qualitätskontrolle von Wertstücken auf Fließbändern an. Dabei können auch "unbekannte" Objekte vermessen werden.

Ein konkretes Anwendungsbeispiel stellt die Vermessung von Paketen dar, die in Kombination mit einer Waage zur automatischen Portoberechnung eingesetzt wird.

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Multilinien Laserschnittverfahren

Das Laserschnittverfahren kann auch mehr als eine Linie pro Aufnahme verarbeiten. Je nach Anzahl der Linien kann so die Auflösung in Richtung der Objektbewegung erhöht werden. Wenn sich das Messobjekt zwischen zwei Bildaufnahmen um 10 mm weiter bewegt, obwohl ein Abstand von 1 mm zwischen zwei Höhenprofilen benötigt wird, kann ein Lasermuster mit 9 Linien zum Einsatz kommen.

Mit diesem Verfahren kann auch ein unbewegtes Objekt vermessen werden, wenn die Anzahl der benötigten Höhenprofile mit einem Linienprojektor wiedergegeben werden kann.

Lichtgitter

Einzel- oder Mehrfachlaserlinien liefern nur parallele Höhenprofile in diskreten Abständen. Wenn zusätzlich Höhenprofile in abweichenden Richtungen benötigt werden, kommen Lasergitter oder komplexere Muster zur Anwendung.

Musterverfahren

Je mehr Laserlinien verwendet werden, desto schwieriger wird die korrekte Identifizierung der einzelnen Linien. Wird das Muster über die Fläche variiert, kann besser bestimmt werden, welchen Teil des Musters die Kamera in einem bestimmten Bereich des Bildes „sieht“. Dadurch steigt der räumliche Abstand zwischen zwei Messungen, da immer ein bestimmter Bereich des Musters ausgewertet wird. Dafür können auch extrem komplexe Objektformen vermessen werden.

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Time-of-flight

Das Time-of-flight Verfahren ermittelt die Zeitdifferenz zwischen dem Senden eines Lichtimpulses und dem Empfang des reflektierten Signals. Da die Geschwindigkeit des Lichts bekannt ist, kann daraus direkt der Abstand zu Objekten berechnet werden. Wenn Infrarotlicht verwendet wird, kann eine zweite Kamera zusätzlich die Farbe der 3D-Punkte bestimmen.

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