Intensität mit Distanz

Im Allgemeinen kommen für diese Aufgaben herkömmliche Kameras für die industrielle Bildverarbeitung in Verbindung mit Laserscannern zum Einsatz, wobei die 2D-Bilder unter großem technischen Aufwand mit den Distanzdaten verknüpft werden müssen. Time-of-Flight-Verfahren (ToF) zur 3D-Objekterkennung, wie das System des schottischen Unternehmens Odos Imaging, verwenden dagegen dieselben Pixel auf dem Bildsensor, um sowohl Bild- als auch Distanzdaten zu erfassen. Bis jetzt waren Auflösung und Reichweite vieler ToF-Systeme allerdings für eine Nutzung in industriellen Anwendungen zu gering. Das Real.iZ-1K-System von Odos Imaging nutzt nun einen kurzen, intensiven Lichtpuls, der zusammen mit der digitalen Verarbeitung eine deutlich höhere Pixelanzahl erlauben soll als bisher. Das modulare System hat eine Reichweite von bis zu 15 m, lässt sich bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen einsetzen und benötigt keine Bildnachverarbeitung.

Soll beispielsweise eine Palette von einem Roboter beladen werden, muss dieser nicht nur den richtigen Karton identifizieren, sondern benötigt auch Informationen darüber, wie groß oder wie hoch das jeweilige Packstück ist. Auch die genauen Abmessungen der fertigen Palette müssen bestimmt werden, um die Beladung der LKW optimal planen zu können. Das Problem mit der Kombination von konventionellen Kameras und Laserscannern ist, dass sich ein solches System bewegen muss, um das Tiefenbild eines statischen Objektes zu erfassen. Ein ToF-basiertes Bildgebungsverfahren erlaubt das ohne bewegliche Teile, es kann fest an einem Standort verbleiben.

Impuls statt Welle

Das gepulste Time-of-Flight-Verfahren Real.iZ-1K ermöglicht eine direkte Messung ohne Mehrdeutigkeit der Distanzbestimmung: „Die beiden Beleuchtungseinheiten senden einen Blitz, das heißt einen kurzen, aber intensiven Infrarot-Impuls von 905 nm Wellenlänge aus. Sobald dieser auf ein Objekt in der Szene trifft, wird er zum System zurückreflektiert und vom Sensor erfasst“, erläutert Ritchie Logan, Vizepräsident Geschäftsentwicklung von Odos Imaging. Diese Daten werden anschließend in eine dreidimensionale Rekonstruktion der Szene umgewandelt. Bei weiter entfernten Objekten kommt der Lichtpuls später zum Sensor zurück als bei näher gelegenen, so dass sich ein eindeutiges Distanzbild ergibt. Der CMOS-Bildsensor, der die reflektierten Pulse auffängt, ist als Pixel-Array aufgebaut, bei dem jedes Pixel eine separate Messung durchführt. Außerdem liefert jedes Pixel des Bildsensors sowohl Distanz- als auch Intensitätsinformationen. Dadurch erhält man eine pixelgenaue Übereinstimmung von Intensitäts- und Distanzbildern.

Anders als bei anderen Verfahren der Abstandsmessung, die einen Bildsensor verwenden – wie Stereobildverarbeitung oder Lasertriangulation – benötigt das ToF-System nur wenig Kalibrierung und keine Bildnachverarbeitung. Damit stellt es eine vergleichsweise schnelle Methode dar, dreidimensionale Bilder anzufertigen. Darüber hinaus ist es möglich, die Pixel des Sensors in drei verschiedenen Modi auszulesen: Distanz, Intensität sowie Distanz und Intensität gleichzeitig. Somit ist das System nicht nur zur Aufnahme von 3D-Daten sondern beispielsweise auch als konventionelle Kamera für „Maschinelles Sehen“ geeignet. Real.iZ-1K hat eine Reichweite von 0,5 bis 10 m; mit zwei zusätzlichen Beleuchtungsmodulen lassen sich 15 m erzielen. Das schottische Unternehmen will künftig weitere Systeme mit noch größerer Reichweite und Auflösung entwickeln, erläutert Logan: „Zurzeit ist eine Ausführung mit vier Megapixeln in Arbeit.“

Unempfindlichkeit gegen Umgebungslicht

Da Odos Imaging im Real.iZ-1K-Verfahren eine gepulste Beleuchtungsmethode einsetzt, um die Szene zu beleuchten, entfallen viele Beschränkungen, die bislang einer breiten Akzeptanz der Technologie im industriellen Umfeld entgegenstanden. Die Auflösung ist ähnlich wie die der meisten 2D-Kameras für maschinelles Sehen und das Verfahren funktioniert ebenso wie diese sowohl in Innenräumen als auch im Freien. Das System hat ein GenICam-GigE-Interface, das für die Kompatibilität mit etlichen Standard-Softwarepaketen zur Bildverarbeitung sorgt. Der Hersteller ist Image Acquisition Partner von MVTec Software, welche die Software Halcon für maschinelles Sehen entwickelt hat.

Beim Real.iZ-1K-System erfolgt die Auswertung nicht auf dem Sensorchip, sondern lässt sich digital auf einem FPGA ausführen. Da so der Pixel relativ einfach bleibt, kann auf dem Sensorchip mehr gespeichert werden. So erreicht diese Methode die volle SXGA-Auflösung von 1280 x 1024 Pixel beziehungsweise 1,3 MPixel. Darüber hinaus können lassen sich mehrere Systeme so synchronisieren, dass mehrere von ihnen zur gleichen Zeit dasselbe Objekt abbilden. Dabei ist es sogar möglich, die Systeme direkt aufeinander zu richten, ohne dass es zu Störungen kommt. Das neuartige Verfahren lässt sich ohne Interferenzen oder Qualitätsverlust zur Distanzmessung bei allen Lichtverhältnissen verwenden.

(mrc)