3D Objekterkennung

Musterprojektionsverfahren

Sensoren für die 3D Objekterfassung, deren Funktionsweise auf der Musterprojektion basieren, nennt man auch Triangulationssysteme. Sie bestehen aus einem Muster-Emitter und einem Aufnahmesystem. Das vom Muster-Emitter projizierte Muster wird vom Aufnahmesystem erfasst und die gewonnen Daten anschließend so ausgewertet, das ein dreidimensionales Modell des vom Sensor erfassten Bereichs erstellt werden kann.

Das Projektionsmuster ist dabei entscheidend für die Gewinnung der Informationen zur räumlichen Tiefe, also der dritten Dimension. Aus der Verbindung der gewonnenen 3D Informationen wird eine sogenannte 3D Punktewolke generiert, welche die Basis für jegliche weiterführenden Bildanalysen, wie zum Beispiel Objekt- und Formerkennung sowie Volumenmessung, darstellt.

Es werden im wesentlichen mit zwei Varianten der Musterprojektion verwendet, die nachfolgend erläutert werden.

Streifenmuster

3D-Streifenmuster

Der Emitter projiziert zeitlich sequentiell Licht-Muster von parallelen hellen und dunklen Streifen unterschiedlicher Breite auf den Erfassungsbereichs des Sensors. Für die Mustererfassung werden üblicherweise ein oder zwei digitale Kameras verwendet, deren Blickwinkel und Position im Verhältnis zum Emitter genau bekannt ist. Die aufgenommenen Streifenmuster werden mittels Bildverarbeitung analysiert und geben dabei Aufschluss über die geometrische Höhenstruktur des aufgenommen Bereichs. Die Streifenprojektion eignet sich nur für Erfassung unbeweglicher Objekte.

Punktmuster

Das projizierte Muster besteht hierbei aus gruppierten Punkten. Als Emitter wird meist ein Infrarot-Laser genutzt, die Projektion des Punktemusters liegt demnach in einem für den Menschen nicht sichtbaren Bereich. Daher muss für die Mustererfassung ein Infrarot-Bildsensor verwendet werden.

Bei der Bildverarbeitung werden die auf dem Erfassungsbereichs des Sensors projizierten Punktgruppen mit intern gespeicherten Referenzmustern verglichen. Aus den dabei festgestellten Positionsänderungen und Verzerrungen kann die Entfernung zwischen Emitter und Projektionsfläche an den einzelnen Bildpunkten abgeleitet werden. Diese Variante der Musterprojektion eignet sich für die Erfassung bewegter Objekte.

Punktmuster-Beispiel

ToF Verfahren

TOF-Kamera-Prinzip

TOF – „Time Of Flight“ Systeme sind Systeme zur 3D Objekterfassung, die mittels Laufzeitverfahren Entfernungen ermitteln. Der Messbereich wird bei diesem Verfahren mit gepulsten Signalen abgetastet. Üblicherweise werden dafür Lichtimpulse verwendet. Die Bildgebung erfolgt durch Messung der Zeit, die ein Signal benötigt, um vom Emitter zum Messobjekt und zurück zum Empfänger zu führen. Da die Geschwindigkeit des Signals bekannt ist, kann man direkt die Distanz berechnen, welche vom Signal in dieser Zeit zurückgelegt hat. Die Technik ähnelt stark der Funktionsweise eines Echo – Lots oder dem Laserscanning, mit dem Unterschied das ein Laserscanner den Erfassungsbereich sequentiell abtastet, während das beim TOF Verfahren das Bild in einem Schritt vorliegt.

TOF – Kamera Systeme sind für Messungen sowohl im Nahbereich als auch aus großen Entfernungen geeignet. Die Bildauflösung als auch die Tiefenauflösung ist nicht so hochauflösend wie bei anderen Verfahren. Dafür erfolgt die Erfassung sehr schnell und ohne hohen Rechenaufwand, was eine sehr hohe Abtastrate ermöglicht. Außerdem sind TOF Sensoren kompakt, robust und bedingt durch ihre Funktionsweise auch in der Lage, Objekte mit schwierigen Oberflächen wie zum Beispiel sich wiederholenden Mustern, einheitlichen Oberflächen und auch diffus reflektierendem Material zu erfassen. Die fehlerfreie Erfassung von Objekten mit gerichtet reflektierenden Flächen ist auch mit TOF – Kamera Systemen nicht möglich.

3D Stereovision

Das Stereobild Verfahren arbeitet bei der 3D Objekterfassung ohne Emittierung von Signalen. Stattdessen wird der Erfassungsbereich durch zwei Digitalkameras aufgenommen, welche nebeneinander in einem fest definierten Abstand zueinander angeordnet sind. Nachdem die Bilder entzerrt wurden, können anschließend aus dem Vergleich von Informationen aus den zwei von unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommen Bildern mittels einer Triangulation Tiefenwerte berechnet werden. Um diesen Vergleich durchführen zu können, müssen jedoch einige relevante Punkte aus dem einem Kamerabild in dem jeweils anderen Kamerabild wiedergefunden und korrekt zugeordnet werden.

Das Verfahren arbeitet weniger robust bei Objekten mit uniformen Flächen und sich wiederholenden Mustern. Für ein korrektes Ergebnis muss der Erfassungsbereich ausreichend ausgeleuchtet sein.

Dafür kann das Verfahren teil-transparente oder reflektierende Objekte erkennen und ermöglicht die Verwendung von Farbinformationen aus den Bildern für differenziertere Erfassungsprozesse.

Durch Kombination mit Projektionsverfahren kann die Robustheit deutlich verbessert werden.

Stereogram_Shark

 

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