So arbeitet der LumiScan X

Das Kamera-Array besteht aus 13 monochromen Kameras mit je 1,2 MPix und 12 Bit (Technische Daten des Sensors). Die Kameras betrachten dasselbe Messvolumen von verschiedenen Positionen aus; ihre relativen Positionen und Orientierungen bestimmen die Winkelabtastung des Systems. Da die Blickpunkte räumlich getrennt sind, erscheint jeder Szenenpunkt mit einer Parallaxe zwischen den Kamerabildern, und diese Parallaxe liefert die geometrische Information für die Tiefenschätzung.

Im LumiScan Viewer zeigt das Register Frame die Bilder der 13 Einzelkameras, und Capture Center View exportiert das Bild der mittleren Kamera (siehe Benutzeroberfläche und Datenexport). Den LumiScan X gibt es mit drei Öffnungswinkeln: 60°, 40° und 30° (Öffnungswinkel).

Der LumiScan X ist eine passive 3D-Kamera: Anders als Streifenlicht- oder Lasertriangulationssysteme benötigt er grundsätzlich kein projiziertes Lichtmuster, um die Geometrie einer Szene zu bestimmen, sondern gewinnt die Tiefe aus den Bildern seiner Kameras. Er benötigt aber genügend Bildinformation für die Korrespondenzschätzung; je nach Anwendung ist daher eine geeignete Umgebungs- oder anwendungsspezifische Beleuchtung erforderlich.

Für Oberflächen ohne Textur projiziert der Musterprojektor LumiScan SL ein Muster auf die Oberfläche: eine künstliche Textur, mit der sich Korrespondenzen finden lassen. Das Trigger-Out-Signal des LumiScan X löst den LumiScan SL gleichzeitig mit der Bildaufnahme aus (Trigger-Ausgangssignal).

Jede Kamera lässt sich durch ein kalibriertes perspektivisches Projektionsmodell beschreiben, sofern dieses ihre Optik ausreichend genau annähert. Ein Punkt \(\mathbf{X}\) im Referenzkoordinatensystem wird in das Koordinatensystem der Kamera \(i\) transformiert:

Dabei ist \(R_i\) die Rotationsmatrix und \(\mathbf{t}_i\) der Translationsvektor der Kamera \(i\), und \(\mathbf{X}_{c,i}\) ist der Punkt in Kamerakoordinaten. Anschließend wird der Punkt mit der intrinsischen Kameramatrix \(K_i\) in das Bild projiziert. In homogenen Koordinaten lautet die ideale Lochkameraprojektion auf den Bildpunkt \((x_i, y_i)\):

Dabei ist \(\lambda_i\) ein Skalierungsfaktor. Die Objektivverzeichnung wird gesondert modelliert. Mit diesen Parametern lässt sich jede Bildbeobachtung einem Strahl in einem gemeinsamen dreidimensionalen Koordinatensystem zuordnen.

Die intrinsischen Parameter beschreiben die optischen Eigenschaften einer einzelnen Kamera: die Brennweiten, den Hauptpunkt und die Parameter der Objektivverzeichnung. Sie bestimmen, wie ein Punkt im Raum auf den Bildsensor projiziert wird (\(K_i\) und das Verzeichnungsmodell in Modell der Bildentstehung).

Die extrinsischen Parameter beschreiben die Position und Orientierung jeder Kamera relativ zu einem gemeinsamen Koordinatensystem: eine dreidimensionale Translation und eine dreidimensionale Rotation (\(\mathbf{t}_i\) und \(R_i\)). Zusammen mit den intrinsischen Parametern legen sie die Geometrie des gesamten Kamera-Arrays fest.

Kalibrierfehler wirken sich direkt auf die rekonstruierten 3D-Punkte aus: Schon kleine Fehler in Orientierung, Position oder Brennweite einer Kamera können systematische Tiefenabweichungen verursachen. Ein Kamera-Array benötigt daher einen mechanisch stabilen Aufbau und eine genaue Kalibrierung, und Änderungen an der optischen Konfiguration oder an der relativen Kamerageometrie können eine Neukalibrierung erforderlich machen.

Die Kalibrierdatei (.hdvcal) des LumiScan X enthält die intrinsischen und extrinsischen Parameter aller 13 Kameras:

Einzelheiten finden Sie unter Kalibrierung und FAQ: Wo liegen die Kalibrierdateien und welche benötige ich?.

Die erste Aufgabe besteht darin, korrespondierende Bildpositionen über die Blickpunkte hinweg zu finden. Ein Oberflächenpunkt erscheint in jeder Kamera an anderen Pixelkoordinaten, und Korrespondenzalgorithmen ermitteln diese Beobachtungen aus dem Bildinhalt. In einem kalibrierten System schränkt die Epipolargeometrie die Suche ein: Bei zwei Kameras muss der Punkt, der einem Punkt im ersten Bild entspricht, auf einer bekannten Linie im zweiten Bild liegen, der Epipolarlinie. Das verkleinert den Suchraum für die Zuordnung. Die Rekonstruktion des LumiScan X nutzt diese Epipolarbedingung zwischen seinen kalibrierten Kameras.

Mit mehr als zwei Blickpunkten kann ein Szenenpunkt von mehreren Kameras gesehen werden, und jede Beobachtung fügt eine geometrische Bedingung hinzu. Die dreidimensionale Position lässt sich schätzen, indem die Abweichung zwischen dem projizierten Punkt und seinen Beobachtungen minimiert wird. Eine übliche Formulierung ist:

Die Rekonstruktion kann verschiedene Darstellungen der Szene liefern. Eine Tiefenkarte ordnet jeder Bildposition einen Abstand zu; eine Punktwolke ist eine Menge rekonstruierter dreidimensionaler Punkte in einem Koordinatensystem. Der LumiScan X berechnet Tiefenkarten mit einer Auflösung von 1,2 MP (1280 × 960) und einem 3D-Punktdurchsatz von 7,2 Millionen Punkten pro Sekunde. Der LumiScan Viewer zeigt das Ergebnis als Punktwolke an. Ihr Koordinatensystem ist das vom LumiScan X ausgegebene: Die Kamera befindet sich im Ursprung und ist in Richtung der Z-Achse ausgerichtet, die Einheit ist Meter.

Eine weitere Verarbeitung entfernt ungültige Messwerte, bewertet die Konfidenz oder extrahiert geometrische Merkmale. Im LumiScan Viewer:

Die Qualität einer dreidimensionalen Messung lässt sich nicht durch einen einzelnen Auflösungs- oder Genauigkeitswert beschreiben. Folgende Eigenschaften sind zu unterscheiden:

Diese Eigenschaften hängen zusammen, sind aber nicht austauschbar. Eine Tiefenkarte kann viele Pixel enthalten und trotzdem eine erhebliche Unsicherheit in deren Tiefenwerten aufweisen, und ein System kann seine Messungen sehr gut wiederholen und dennoch systematische geometrische Fehler haben. Deshalb nennen die Spezifikationen des LumiScan X Punkt-zu-Punkt-Abstand, Kalibriergenauigkeit und zeitliches Z-Rauschen als getrennte Werte, jeweils bei 1 m Messfeldkante (Wichtige Werte des LumiScan X); keiner davon ist als absolute Genauigkeit einer beliebigen Messung zu lesen. Bewerten Sie Genauigkeit, Präzision, räumliche Auflösung und Messbedingungen getrennt.

Die Tiefenempfindlichkeit hängt von der Basislinie zwischen den Blickpunkten ab (Basislinie und Tiefenempfindlichkeit). Bei gegebener Basislinie wird die Disparität mit zunehmendem Abstand kleiner, sodass die Tiefenschätzung empfindlicher auf kleine Korrespondenzfehler reagiert. Eine längere Basislinie verbessert die geometrische Tiefenempfindlichkeit, vergrößert aber die Perspektivunterschiede zwischen den Kameras; das kann es erschweren, korrespondierende Merkmale zu finden, besonders bei Objekten mit komplexer Geometrie.

Ein Kamera-Array enthält mehrere Kamerapaare mit unterschiedlichen relativen Positionen und damit unterschiedlichen Basislinien. Kürzere Basislinien ergeben kleinere Perspektivunterschiede, was die Korrespondenz vereinfachen kann; längere Basislinien ergeben mehr Parallaxe und können die Tiefenempfindlichkeit verbessern, wenn zuverlässige Korrespondenzen vorliegen. Die Rekonstruktion des LumiScan X nutzt mehrere Basislinien seines Kamera-Arrays und kombiniert ihre Information; so werden diese Eigenschaften gegeneinander abgewogen.

Jede Kamera des LumiScan X nimmt ein herkömmliches Bild mit der vollen Auflösung ihres Sensors auf: Anders als eine mikrolinsenbasierte plenoptische Kamera teilt das Array die Pixel eines Sensors nicht auf mehrere Winkelabtastwerte auf. Die Zahl der rekonstruierten Tiefenwerte gibt jedoch nicht an, wie klein ein geometrisches Merkmal sein darf, damit es noch aufgelöst wird. Die räumliche Auflösung wird beeinflusst von:

Die Größe eines auf das Objekt projizierten Pixels wächst mit dem Abstand: Ein Detail, das bei kurzem Arbeitsabstand aufgelöst wird, ist bei größerem Abstand möglicherweise nicht mehr unterscheidbar. Bewerten Sie die erreichbare Auflösung für die vorgesehene Messkonfiguration.

Eine einzelne Kamera nimmt nur die Oberflächen auf, die aus ihrem Blickpunkt sichtbar sind. Ein System mit mehreren Ansichten betrachtet die Szene aus mehreren Richtungen, sodass eine Oberfläche, die für eine Kamera verdeckt ist, für eine andere sichtbar bleiben kann. Ein Beispiel ist ein Objekt mit einer Vertiefung: Aus einem Blickpunkt verdeckt die Seitenwand einen Teil des Bodens, aus einem anderen ist dieser Teil sichtbar. Durch die Auswertung der Beobachtungen mehrerer Kameras kann eine Lichtfeldkamera mehr von der Szenengeometrie rekonstruieren als eine einzelne Kamera. Oberflächen, die aus allen Blickpunkten verdeckt sind, lassen sich ohne zusätzliche Annahmen nicht rekonstruieren; wie weit Verdeckungen verringert werden, hängt daher von der tatsächlichen Sichtbarkeit und der Kamerageometrie ab.

Der Abstand der Blickpunkte bestimmt die Winkelinformation: Eng beieinanderliegende Blickpunkte ergeben kleine Perspektivänderungen, weit auseinanderliegende mehr geometrische Vielfalt. Eine Lichtfeldkamera muss die Dichte ihrer Winkelabtastung gegen die erforderliche Basislinie, das Sichtfeld und eine robuste Korrespondenz abwägen.

In der industriellen Bildverarbeitung kommen häufig Oberflächen vor, die schwer zu messen sind: metallische und polierte Bauteile, dunkle Materialien, Objekte mit schwacher Textur, feine Strukturen und komplexe Geometrien mit Vertiefungen oder Verdeckungen.

Der Arbeitsabstand ist der Abstand zwischen der Kamera und dem Messobjekt; das Messvolumen ist der Bereich, in dem eine zuverlässige dreidimensionale Rekonstruktion möglich ist. Beide hängen von der optischen Konfiguration ab. Bei gegebenem Sichtfeld wächst die erfasste Fläche mit dem Abstand, während die projizierte Größe eines Merkmals abnimmt, und auch die Tiefenempfindlichkeit ändert sich. Die Wahl des Arbeitsabstands ist daher ein Kompromiss zwischen Messvolumen, räumlicher Auflösung, Tiefenempfindlichkeit, Sichtbarkeit und optischer Konfiguration: Kurze Arbeitsabstände begünstigen hohe geometrische Detailtreue, große Objekte oder Roboterarbeitsräume können längere erfordern.

Mit dem LumiScan X werden je nach Konfiguration bei Messabständen von 250 - 3000 mm und Messvolumina von 200 - 3360 mm optimale Ergebnisse erzielt. Jede Standardkonfiguration legt Fokus, Standard-Kalibrierbereich und Sichtfeld bei minimalem und maximalem Arbeitsabstand fest (Standardkonfigurationen). Wählen Sie die Konfiguration nach den Anforderungen der Anwendung, und stellen Sie Depth Range auf die tatsächliche Position des Messobjekts ein.

Eine rekonstruierte Punktwolke ist eine Schätzung der sichtbaren Szenengeometrie, keine validierte Messung. Einzelne Punkte können Unsicherheiten aus der Kalibrierung, der Korrespondenz, optischen Effekten oder den Oberflächeneigenschaften enthalten. Bewerten Sie die Ergebnisse für industrielle Messaufgaben anhand bekannter Referenzobjekte oder -geometrien. Je nach Anwendung kann die Validierung umfassen:

Enable Capture Statistics im LumiScan Viewer zeigt die gültigen Punkte (Valid Points) und den Anteil gültiger Punkte (Valid Ratio) einer Aufnahme an (Datenexport). Dokumentieren Sie die ermittelte Leistung zusammen mit den Messbedingungen, besonders wenn 3D-Daten für Maßprüfung, Roboterpositionierung oder automatisierte Qualitätsentscheidungen verwendet werden.