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04.06.2018 Anzeige

Der schnelle Weg zur hochpräzisen 3D-Bildverarbeitung

Ausgestattet mit neuen Modulen und Funktionalitäten enthält das Processing Pack 3 der Matrox Imaging Library (MIL) aktualisierte Werkzeuge zur 3D-Bildverarbeitung, die Entwicklern das Erstellen von 3D-Anwendungen und ein hochgenaues Messen in 3D wesentlich vereinfachen.

3D-Punktwolke

Die Komplexität von 3D-Bildverarbeitungssystemen liegt erheblich über der zweidimensionaler Systeme. Die Gründe dafür sind naheliegend: Zum einen erfordert die notwendige Kalibrierung eines 3D-Systems erheblich mehr Aufwand als in der 2D-Bildverarbeitung. Zum anderen ist die Erkennung von untersuchten Teilen oder Merkmalen im Raum, die Bestimmung der Lage eines untersuchten Bauteils sowie die Berechnung dreidimensionaler Features schwieriger als im Zweidimensionalen. Dies folgt unter anderem aus der Tatsache, dass die aufgenommenen Bilddaten in Form einer 3D-Punktewolke vorliegen, die im Gegensatz zur 2D-Bildverarbeitung Lücken aufweisen, an denen exakte Auswertungen nicht erfolgen können. Zudem entstehen bei 3D-Aufnahmen erheblich höhere Datenmengen, die entsprechend mehr Rechenleistung erfordern. All diese Gründe führten bisher dazu, dass die 3D-Bildverarbeitung einen erhöhten Aufwand und ein tiefes Expertenwissen erfordert.

Die neueste Version der Matrox Imaging Library mit dem Processing Pack 3 enthält eine Reihe an Merkmalen, die diese Situation verbessern. Insbesondere das Metrology-Tool, das in dieser neuen Version überarbeitet und für die Verarbeitung von 3D-Daten erweitert wurde, weist einige Besonderheiten auf, die das Erstellen von 3D-Applikationen und ein hochgenaues Messen in 3D wesentlich vereinfachen. Viele der Eigenschaften und Vorgehensweisen, die MIL-Entwicklern aus der 2D-Bildverarbeitung bereits bekannt sind, sind dabei nun auch in der dritten Dimension verfügbar.

Bewährtes aus der 2D-Welt…

Die bereits etablierte 2D-Version des MIL Metrology-Moduls erlaubt das effiziente Messen und Konstruieren von geometrischen Formen und abgeleiteten Werten. Zwei Beispiele aus der 2D-Welt sollen die Stärken dieses MIL-Moduls verdeutlichen, da sie auch in den neuen 3D-Erweiterungen des Metrology-Tools auf ähnliche Weise funktionieren.

Das 2D-Metrology-Modul der MIL extrahiert alle identifizierten Kanten in einem Bild auf einmal. In diesem subpixel-genauen Kurvenzug ist dann das Lokalisieren und Vermessen z. B. von Kreisen oder anderen Geometrien im Bild sehr einfach und schnell. So ist es beispielsweise ohne großen Aufwand möglich, Kreise in einem Bild eines Objekts zu erkennen, ihre Mittelpunkte zu berechnen und die konstruierten Abstände zwischen den Mittelpunkten zu messen.

Ein weiteres, geringfügig komplexeres Beispiel zeigt das Bild unten:
Hier lassen sich zunächst die vier im Bauteil enthaltenen Bohrungen auf einfache Weise als Kreise identifizieren. Nach der Konstruktion der Kreismittelpunkte können die gegenüberliegenden Kreise durch Linien verbunden werden, um dann zu überprüfen, ob die beiden Verbindungslinien senkrecht zueinander stehen. Eine solche Aufgabe lässt sich komplett in einem Parametersatz ablegen, der auch Toleranzen für alle Features wie z. B. für die erwarteten Kreisdurchmesser, Abstände, Winkel etc. enthalten kann. Das so entstandene Parameter-Set kann danach im Gesamtkontext auf andere Objektlagen angewendet werden, wobei alle einzelnen Mess-Tools automatisch nachgeführt werden. Diese Möglichkeit führt ebenso zu einer enormen Verkürzung der Entwicklungszeit wie die Tatsache, dass bereits eine Vielzahl an Standard-Geometrien im Metrology-Modul enthalten sind, die mit nur einer Befehlszeile Programmcode in neue Messaufgaben integriert werden können.

Das hochpräzise Metrology-Modul der MIL erlaubt neben einer subpixel-genauen Kantenextraxtion im Bild auch das Messen und Konstruieren beliebiger Features. An diesem 2D-Objekt sind die Segmente, Kreise und Bögen gemessen, die Mittelpunkte, Abstände, Winkel und die Parallelität konstruiert.

… überführt in 3D-Anwendungen

Diese Konzepte des Messens in 2D stehen Entwicklern nun auch für die 3D-Bildverarbeitung zur Verfügung. Bereits bei der Aufnahme der 3D-Bilddaten zeigt sich dabei die hohe Flexibilität der Matrox Imaging Library: Sie ist zu nahezu jeder am Markt gängigen 3D-Aufnahme-Hardware wie z. B. von Basler, LMI, MicroEpsilon, Photonfocus, Sick oder SmartRay kompatibel.

3D-Punktwolke

Ist ein 3D-Bild erst einmal aufgenommen, erfolgt im nächsten Schritt das Fine Alignment: Ein Modell des Objekts und die tatsächliche Aufnahme einer Punktewolke kann mit dem integrierten Alignment-Tool automatisch aufeinander ausgerichtet werden, um die genaue Lage des Objekts im Raum zu definieren. Wie alle 3D-Daten lassen sich auch die Daten des Modells dabei z. B. aus einem CAD-System importieren bzw. exportieren. Nach diesem Schritt wird die so genannte 3D Pose Estimation berechnet, mit der dann exakt bekannt ist, wo und wie das aufgenommene Objekt im Raum liegt. Basierend auf diesen Daten ist es im Anschluss möglich, z. B. Differenzbilder zu berechnen und auf diese Weise Abweichungen zwischen Modell und realem Objekt zu erkennen.

Im oberen Bereich wird das Prinzip dargestellt, wie in eine 3D-Wolke ein Schnitt gelegt und dieser dann mit Metrology vermessen wird. Im unteren Bereich "echte" 3D-Daten eines Schnittes.

Die MIL erlaubt an dieser Stelle frei wählbare Schnitte in den 3D-Punktewolken, die mit den gleichen Prinzipien wie eingangs für die 2D-Bildverarbeitung beschrieben hochgenau vermessen werden können. Selbst wenn in den 3D-Punktewolken Lücken vorliegen, erlaubt MIL dank einer ausgefeilten Interpolation das präzise Messen in den Schnittbildern.

Eine besondere Stärke der 3D-Bildverarbeitung mit der MIL besteht darin, dass sie ein einfaches, gut strukturiertes Programmierinterface zur Verfügung stellt. Dies reduziert den Aufwand und die Zeit für die Realisierung einer 3D-Applikation erheblich und erlaubt es Entwicklern zudem, grafische Benutzeroberflächen nach den Kundenvorgaben anzupassen und somit optimal für den Endanwender nutzbar zu machen.

Wirtschaftliche Kalibration

Die einfache Handhabung der Matrox-Bibliothek wurde auch bei der Kalibration erzielt. Dieser erste Schritt auf dem Weg zu einer erfolgreichen 3D-Applikation wird oft unterschätzt und ist entscheidend für die Güte der späteren Ergebnisse. Eine Kalibrationsprozedur muss einfach handhabbar und in relativ kurzer Zeit durchführbar sein, um die Wirtschaftlichkeit von Anlagen zu gewährleisten.

MIL enthält für diesen Prozessschritt einige Werkzeuge, die sowohl dem Entwickler, als auch dem späteren Endanwender eine schnelle, einfache und präzise Kalibration ermöglichen. So erfordert es z. B. lediglich das Einfügen einer einzigen Codezeile, um die Kalibration zusammen mit einer Visualisierung der Kalibrationsgenauigkeit zu erstellen und anzuzeigen.

Fazit

Die aktuellste Version der Matrox Imaging Library und die erweiterten 3D-Möglichkeiten des Metrology-Tools erlauben eine wirtschaftliche Realisierung von 3D-Bildverarbeitungsapplikationen und hochgenaue Messungen in 3D. Die für Bildverarbeitungsentwickler ausgelegte Software-Lösung zeichnet sich insbesondere durch eine sehr strukturierte API, eine schnelle Kalibration, die Kompatibilität zu gängiger 3D-Aufnahme-Hardware sowie eine umfangreiche Dokumentation aus.

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