3D Vision in der industriellen Bildverarbeitung

3D Vision in der industriellen Bildverarbeitung

Mit der Entwicklung von 3D-Kameras und der 3D-Bildverarbeitungstechnologie wurde ein breites Spektrum neuer Anwendungsbereiche erschlossen. Sie dienen als "Augen" von Maschinen und ermöglichen eine räumliche 3D-Darstellung, die eine automatisierte Entscheidungsfindung auf der Grundlage der Position, Größe und Ausrichtung eines Objekts gestattet. Aus diesem Grund ist 3D-Bildverarbeitungstechnologie zu einem integralen Bestandteil zahlreicher automatisierter industrieller Prozesse geworden, z. B. in der Qualitätskontrolle, in Montagelinien oder dem Bin Picking.

Dr. Martin Hennemann von der IDS Imaging Development Systems GmbH hat in einem AZo-Interview das Anwendungspotenzial von 3D-Bildverarbeitung erörtert und dabei die Merkmale, Vorteile und wichtigsten Entwicklungen der 3D-Kameraserie Ensenso S vorgestellt.

Martin Hennemann

Welchen Einfluss hat 3D-Bildverarbeitung auf industrielle Prozesse, insbesondere auf die Automatisierungstechnik?

Die 3D-Bildverarbeitung hat sich als Mainstream-Automatisierungstechnologie etablieren können. In Verbindung mit Robotik wird sie weltweit für Aufgaben wie die automatisierte Kommissionierung von Behältern, Pick-and-Place, Montagevorgänge oder in der Logistik für die Depalettierung im Rahmen von Intralogistikanwendungen, wie z. B. bei der Handhabung und Lagerung von Waren oder Lieferungen, eingesetzt. Einer der Hauptvorteile der 3D-Bildverarbeitungstechnologie besteht darin, dass menschliche Interaktion in industriellen Prozessen weiter reduziert werden kann. So werden in der Industrie häufig Roboter eingesetzt, die komplexe Aufgaben oder schweres Heben automatisieren, was durch 3D-Vision flexibler wird.

Darüber hinaus gibt es immer mehr Roboter, die speziell dafür entwickelt wurden, mit menschlichen Mitarbeitern zusammenzuarbeiten oder sie anderweitig zu unterstützen. Dies ist ein schnell wachsender und fortschreitender Forschungsbereich. Ein Hauptziel ist es, Roboter mit genügend "visuellem Gespür" auszustatten, damit sie intelligente Verhaltensweisen zeigen und adaptiv auf ihre Umgebung reagieren können.

Wo ordnen sich die Ensenso 3D-Kameras in die bestehende Bildverarbeitung ein, und welche Vorteile bieten sie?

Das Ensenso-Sortiment an 3D-Kameras umfasst aktive Stereovision-3D-Kameras und die kürzlich hinzugekommene Ensenso S-Serie, die mit einer auf strukturiertem Licht basierenden 3D-Technologie arbeitet. Sie sind so flexibel, dass sie sich an verschiedene Anwendungen anpassen lassen und sowohl in der Industrie als auch in der Forschung weltweit zum Einsatz kommen.

Können Sie näher auf das neue Ensenso S Modell und dessen individuelle technologische Merkmale eingehen?

Die Ensenso S ist eines der jüngsten Mitglieder des Ensenso-Portfolios und markiert einen neuen Einstiegspunkt in die präzise 3D-Bildgebung zu einem niedrigeren Preis als ihre Pendants. Trotz des niedrigeren Preises verfügt die 3D-Kamera über ein industrietaugliches Design und Schnittstellenoptionen sowie eine moderne 3D-Sensortechnologie, die die Lasertriangulation nutzt, d.h. eine Variante des strukturierten Lichts. Ein Laserpunktmuster wird auf die Szene projiziert - zum Beispiel eine Palette mit einem Kistenstapel darauf.

Ensenso S nimmt dann diese Szene auf und registriert die Positionen dieser Laserpunkte, indem sie erfasst, wo auf den Kisten das Licht der Laserpunkte in das System zurückgestreut wird. Mit Hilfe der Ensenso-Software werden diese Informationen dann über ein künstliches neuronales Netz verarbeitet, das die Laserpunkte einzeln identifiziert, jedem Laserpunkt eine ID zuweist und dann das Prinzip der Triangulation verwendet, um Entfernungswerte für jeden der Laserpunkte zu erhalten.

Die Kamera selbst zeichnet sich durch ein kompaktes, robustes Industriegehäuse aus. Das Kameragehäuse entspricht der Schutzart IP65/67, so dass es auch in rauen Umgebungen sicher eingesetzt werden kann. Auf der Rückseite des Geräts befinden sich industrietaugliche Anschlüsse wie ein M12-GigE-Datenport für die Datenübertragung und ein M8-Port für Strom-, Trigger- oder Blitzanschluss. Darüber hinaus wird eine umfassende Auswahl an Funktionen geboten.

Welche Art von Daten kann das Ensenso S erfassen, und wie können diese in geeigneter Form verarbeitet werden?

Die Ensenso S ist in der Lage, hochwertige und detaillierte 3D-Punktwolken zu liefern. Die Lasertriangulation der Kamera arbeitet mit bis zu 85.000 Laserpunkten, hat ein Sichtfeld von 60° horizontal x 50° vertikal und einen Arbeitsabstand von 500 bis 3.000 mm. Die Laserbeleuchtung erlaubt unterschiedliche Belichtungszeiten, wodurch auch Objekte in Bewegung erfasst werden können. Was die Geschwindigkeit betrifft, so können 20 Punktwolken pro Sekunde mit gleichbleibend hoher Auflösung bei voller Projektorleistung erzeugt werden.

Die Kamera bietet qualitativ hochwertige, rauscharme Daten zur Identifizierung von Details bis zu einer Größe von etwa einem Zentimeter. Im Gegensatz zu einer Reihe anderer Technologien, wie z. B. kostengünstigen Stereokameras und Time-of-Flight-Kameras, weist sie zudem einen geringen Artefaktgehalt auf. Über die flexiblen Programmierschnittstellen sind kalibrierte Punktwolken und umfassende Zwischendaten leicht verfügbar, je nachdem, welche Verarbeitungssoftware der Nutzer für die Anwendungsintegration bevorzugt.

Können Sie uns ein paar Beispiele für den Einsatz der Ensenso S 3D-Kamera nennen?

Es gibt zahlreiche ideale Einsatzszenarien für Ensenso S. Im Bereich der Logistikautomation eignet sich die Kamera hervorragend für die Erfassung von Paletten und die Verfolgung von Warenbewegungen in und zwischen betriebsamen Bereichen wie Lagern. Bei Transport- und Bewegungsanwendungen kann Ensenso S Objekte erkennen, die den Weg von Transportfahrzeugen versperren. Es ist auch eine optimale Wahl für die Paketabfertigung. Eine 3D-Kamera kann zum Beispiel über einem Förderband mit sich bewegenden Paketen positioniert werden und die 3D-Daten zur Verfolgung und Analyse der Pakete liefern.

Wie bereits erwähnt, wurde Ensenso S für den Einsatz in Kombination mit Robotern bei Depalettier-Anwendungen oder auch Objekterkennungsaufgaben optimiert, bei denen ein bestimmter Bereich von Objekten überprüft, identifiziert und kontrolliert werden muss. Die 3D-Kamera erschließt auch neue Anwendungsbereiche, zum Beispiel im Gartenbau, wo Roboter Pflanzen überwachen, pflegen, Früchte vermessen und zum richtigen Zeitpunkt - wenn sie reif sind - automatisch pflücken können.

Auch der Bereich der automatisierten Assistenz, bei dem Roboter mit Menschen zusammenarbeiten oder sie sogar bei bestimmten Aufgaben ersetzen, entwickelt sich rasch. So können beispielsweise bestimmte Lebensmittel auf Anforderung automatisch aus dem Laden ausgewählt und transportiert werden. In derart komplexen und anspruchsvollen Szenarien kann Ensenso S dafür sorgen, dass die Situationen für diese intelligenten Systeme "Sinn machen".

Was sind die wichtigsten Punkte und Merkmale, die Sie unseren Lesern in Bezug auf die Ensenso S 3D-Kameraserie ans Herz legen möchten?

Die Ensenso S steht für einen neuen Einstieg in präzise 3D-Bildgebung für ein breites Spektrum möglicher Anwendungen. Diese neue, kompakte 3D-Kamera ist extrem vielseitig, kostengünstig und kann 3D-Vision in Anwendungen integrieren, bei denen dies bisher aufgrund des erforderlichen Budgets nicht möglich war. Der Lasertriangulations-Algorithmus liefert Punktwolken mit präziser 3D-Geometrie und einem niedrigen Artefaktniveau, insbesondere im Vergleich zu den Ergebnissen, die andere 3D-Technologien erzielen können.

Für die Integration verfügt die Ensenso S über ein industrietaugliches Gehäuse und robuste, umfassende SDK-Funktionen - all das macht diese neue Kamera zu einem fortschrittlichen und hochinteressantem Produkt im Markt.