Ausstattung
Optische 3D-Messtechnik und Computer Vision (3Dvisionlab)

  1. Hochschule Kempten
  2. Fakultät Maschinenbau
  3. Lehre und Forschung
  4. Labore und IT-Einrichtungen
  5. Optische 3D-Messtechnik und Computer Vision
  6. Ausstattung

Die Ausstattung des Labors umfasst eine Auswahl an Messtechniken, welche im industriellen Umfeld weit verbreitet sind: von der Aufnahme und Auswertung von zweidimensionalen Projektionen für automatische Sichtprüfung bis hin zur vollautomatischen dreidimensionalen Digitalisierung von Bauteilen mit Hilfe eines Streifenlichtprojektors.

Außerdem entwickeln und testen wir selbst Prototypen und experimentelle Sensoren. Im Rahmen von Forschungsprojekten entwickeln wir die optimale Strategie, um die richtigen Daten zur richtigen Zeit aufnehmen zu können.

Strukturierte Beleuchtung (Streifenprojektion)

3D Objekterfassung mit Streifenlicht

Betrachtet man eine Szene aus zwei verschiedenen Perspektiven, so kann man aus den Verschiebungen von Objektpunkten im Bild Tiefeninformationen gewinnen. Das menschliche Augenpaar arbeitet genau nach diesem Prinzip.

Um Objektpunkte in zwei verschiedenen Bildern zweifelsfrei wiederzuerkennen (sog. Korrespondenz-Problem), kann man die Oberfläche mit einer Folge von Hell-Dunkel-Mustern codieren. Wird diese Sequenz von zwei Kameras aufgenommen, kann man die Pixelkoordinaten von korrespondierenden Punkten in beiden Kameras bestimmen und durch Triangulation auf die Koordinaten im dreidimensionalen Raum schließen. Dies erlaubt eine hochauflösende Vermessung der Oberfläche von Bauteilen, beispielsweise für Soll/Ist Vergleiche, oder für eine Digitalisierung von Bauteilen ohne technische Zeichnung.

Laborausstattung

smartSCAN-HE R4 (AICON 3D Systems)

Flexibles Streifenprojektions-System mit aktuell zwei verschiedenen Messfeld-Einstellungen:

  • 400 mm Diagonale, resultierend in einer x-y-Rasterung von 140 µm und einer Tiefengenauigkeit von 16 µm
  • 225 mm Messfeld, resultierend in einer x-y-Rasterung von 85 µm und einer Tiefengenauigkeit von 10 µm

Lichtschnitt

Der Lichtschnitt ist ein Verfahren der optischen 3D-Messtechnik. Die Messtechnik basiert auf dem Prinzip der Triangulation, wodurch dreidimensionale Informationen generiert werden können. Das System kann beispielsweise aus einer linienförmigen Lichtquelle (Laser) und aus einer Kamera bestehen, die in einem definierten Winkel zueinander angeordnet sind.

Laborausstattung

Gocator 2130

Der Gocator 2130 der Firma LMI Technologies ist ein kompakter Triangulationssensor, der Laser und Kamera in einem Geäuse vereint.

Spezifikationen:

  • Datenpunkte: 640
  • Auflösung in Z: 6 - 14 µm
  • Auflösung in X: 88 - 150 µm
  • Messgeschwindigkeit: 170 Hz - 5000 Hz

Modulares System mit Kamera und Laser

Hierbei handelt es sich um ein modulares System, das aus einer C2 Kamera der Firma Automation Technology und einem linienförmigen Laser der Firma Z-Laser besteht. Die Kamera verarbeitet das Messignal onboard und gibt bereits das Höhenprofil der Laserlinie aus. Durch den modularen Aufbau ergibt sich volle Flexibilität hinsichtlich des Arbeitsabstandes und der Störkontur des Systems.

Spezifikationen:

  • Auflösung: 2048 x 1088 Pixel
  • Pixelgröße: 5,5 µm x 5,5 µm
  • Bildrate: 340 - 1400 Profile pro Sekunde (je nach Messbereich)
  • Wellenlänge: 660 nm (rot)

Time of Flight

Time of Flight beschreibt eine Methode, bei der mithilfe der Lichtlaufzeit Distanzen gemessen werden. Dabei sendet das Messgerät Licht aus, welches an der Oberfläche von Objekten reflektiert wird und zur Kamera zurück läuft. Die Zeit zwischen Emission und Detektion des Lichtes bestimmt den Abstand des Objektes von der Kamera.

Bei einer Time-of-Flight Kamera werden die Abstände pixelweise berechnet, und es entsteht aus einer einzigen Aufnahme eine Wolke aus Koordinatenpunkten im dreidimensionalen Raum. Wegen hoher Bildraten und vergleichsweise großen Reichweiten solcher Kameras sind sie z.B. zur Objekterkennung und Kollisionsvermeidung bei fahrerlosen Transportsystemen gut geeignet.

Laser scanning ist eine weitere Anwendung der Time-of-Flight Methode, bei der sehr große Objekte (Fabrikhallen, geographische Formationen) punktweise abgerastert werden.

Laborausstattung

O3D302 der Firma ifm electronic gmbh

Spezifikationen:

  • Auflösung: 176 x 132 Pixel
  • Bildrate: 25 fps

Sensorprogramme:

  • Objektvermessung
  • Vollständigkeitsüberwachung
  • Füllstandsüberwachung
  • Abstandsüberwachung
  • Volumenüberwachung

SR 4000 der Firma Heptagon (MesaImaging)

Spezifikationen:

  • Auflösung: 177 x 144 Pixel
  • Bildrate: max. 50 fps
  • Pixelgröße: 40 µm x 40 µm
  • Reichweite: 10 m

Lichtfeld

In der Lichtfeldtechnik werden zusätzlich zur örtlichen Intensitätsverteilung auch die Lichteinfallsrichtungen aufgenommen und abgespeichert. Diese zusätzliche Information kann genutzt werden, um z.B. die 3D-Oberfläche eine Objektes aus einer einzigen Bildaufnahme zu rekonstruieren oder auch um die Fokuslage und Tiefenschärfe eines aufgenommenen Bildes nachträglich zu verändern. Neben Kameraarrays und verschiedener sequenzieller Aufnahmeverfahren bietet insbesondere die sogenannte Lichtfeldkamera mit ihrer sehr kompakten Bauweise eine interessante Möglichkeit zur 3D-Bilderfassung im industriellen Einsatz.

Laborausstattung

Lichtfeldkamera R8 der Firma Raytrix GmbH

Spezifikationen:

  • Sensor: 8 MPixel (2 MPixel effektive Ortsauflösung), monochrom
  • Optik: Mikrolinsenarray mit 3 verschiedenen Brennweiten, Hauptobjektiv: f=50 mm, F/2.8
  • Messfeldgröße: z.B. 40 mm / 30 mm / 20 mm (X/Y/Z) bei einem Arbeitsabstand von 300 mm
  • Auflösung: ca. 25 µm / 25 µm / 150 µm (dx/dy/dz) bei einem Arbeitsabstand von 300 mm
  • Messgeschwindigkeit: bis zu 30 fps

Verschiedene Labortischaufbauten zur sequenziellen Lichtfeldaufnahme

2D-Sichtprüfung

Zweidimensionale Sichtprüfung ist die "Standard-Anwendung" für optische Messtechnik im industriellen Umfeld. Sichtprüfung bedeutet hier, dass herkömmliche Bilder der Bauteile aufgenommen werden und anschließend die Bilder ausgewertet werden, dass am Ende eine Aktion steht (etwa Maschine nachregeln, Teil aussortieren). Dabei müssen die Komponenten (Kamera, Objektiv, Beleuchtung, Auslesehardware) perfekt aufeinander abgestimmt sein, um die vorgegebene Problemstellung – z.B. Bauteilvermessung, Gewindekontrolle, Anwesenheitskontrolle etc. – zuverlässig zu lösen

In unserem Labor stehen alle Komponenten zur Verfügung, um komplexe Sichtprüfungsaufgaben zu implementieren und zu testen, und zwar vom Bild bis zur Entscheidung.

    Laborausstattung

    • Verschiedene Industriekameras mit Bildraten bis 675 fps
    • Entozentrische und telezentrische Objektive
    • Verschiedene Beleuchtungsarten wie z.B. Spots, Dom-, Ring-, Hintergrund-, telezentrische und axiale Beleuchtung
    • Förderband mit integrierter Durchlichtbeleuchtung und Drehgeber

    Entwicklung

    Neuartige optische Messsysteme und –verfahren können mit Hilfe einer umfangreichen Experimentierausrüstung erforscht und entwickelt werden. Dabei liegt der Fokus sowohl auf der zwei- und dreidimensionalen Bilderfassung, als auch auf der Erforschung und Entwicklung maßgeschneiderter Bildverarbeitungsalgorithmen.

      Laborausstattung

      • Optiktisch, optische Bank und Stative
      • Motorisierte Rotations- und x/y-Bühnen
      • Linsen- und Spiegelsätze
      • Auswahl an Objektiven (telezentrisch/entozentrisch)
      • Verschiedene Kameras und Sensoren
      • Beleuchtungssysteme (Spot, Auflicht-, Durchlicht-, Dom- und telezentrische Beleuchtung)
      • Laserspot und -linien
      • Soft- und Hardwareausstattung zur Bildverarbeitung