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2D- oder 3D-Bildverarbeitung Warum nicht beides?

2D oder 3D Bildverarbeitung? Warum nicht beide?

Vor nicht allzu vielen Jahren haben Systementwickler und Integratoren alles getan, um 3D-Bildverarbeitung zu vermeiden. Es erforderte komplexe Beleuchtungssysteme, viel Rechenleistung, mehr Technik und noch mehr Geld.

Mit zunehmender Rechenleistung und neueren, schnelleren CMOS-Kamerasensoren haben 3D-Bildverarbeitungsgeräte und Softwarelieferanten die Einrichtung von 3D-Systemen vereinfacht und ihren Produkten noch mehr Funktionen hinzugefügt, z. B. die Verwendung von 2D- und 3D-Bildern, um ihre Systeme gleichmäßig zu machen robuster. Infolgedessen übernehmen Anwendungen, bei denen die Kosten für 3D niemals berücksichtigt worden wären, die Technologie mit Rekordraten.

2D vs. 2.5D vs. 3D
Jede Diskussion über 3D-Bildgebung beginnt mit einer Definition von Begriffen. Ein Standard-2D-Bildverarbeitungsbild ist flach und kalibriert, um die Messung von Länge und Breite zu ermöglichen, liefert jedoch keine Höheninformationen. Der nächste Schritt, 2.5D, enthält zusätzlich zu den X- und Y-Achsen die Z-Achsen- oder Höheninformationen. Es enthält auch Informationen, mit denen das Bildverarbeitungssystem die Drehung der Objekte (Neigung und Gieren) um zwei der drei Dimensionen abschätzen kann. True 3D liefert X-, Y- und Z-Informationen sowie Rotationsinformationen um alle drei Achsen (rX, rY und rZ). Für den „heiligen Gral“ des 3D-Sehens - Bin Picking - und viele andere aufkommende Anwendungen reicht nur 3D aus.

„3D-Vision und Kommissionierung von Roboterbehältern sind sehr eng miteinander verbunden“, erklärt Jim Anderson, Produktmanager - Vision bei SICK, Inc. (Minneapolis, Minnesota). "Visionäre wie Adil Shafi haben 15 Jahre lang daran gearbeitet, aber jetzt trägt die Müllsammlung wirklich Früchte."

Unternehmen wie SICK vereinfachen die Bereitstellung der härtesten Anwendungen der Bildverarbeitung, indem sie Rechenleistung und intelligentere Software einsetzen. Zum Beispiel bietet SICK ein produktives Kommissioniersystem an, das als genaue Positionierung von Teilen in Behältern (PLB) bekannt ist und ein auf Lasertriangulation basierendes Bildverarbeitungssystem mit einer speziellen Software verbindet, die alle irrelevanten Überlegungen für eine erfolgreiche Kommissionieranwendung berücksichtigt .

Bessere 3D-Software
„In der Vergangenheit basierte die gesamte 3D-Software auf 2D-Algorithmen, die in 3D eingesetzt wurden“, sagt Nicholas Tebeau, Manager der Vision Solutions-Produktgruppe bei LEONI Engineering Products & Services (Lake Orion, Michigan). „Jetzt bieten Unternehmen geeignete 3D-Tools an, die die gesamte Anwendung vereinfachen. Und es geht nicht nur um 2D oder 3D. Zum Beispiel müssen Sie beim Kommissionieren die richtigen Greifer haben. Die Software muss den Greifer berücksichtigen und sicherstellen, dass er nicht mit den Behälterwänden kollidiert - und nicht nur die Ausrichtung der Teile ermitteln, sondern auch wissen, wo Sie ihn greifen können und wo Sie ihn nicht anhand der Teilegeometrie verwenden können. Glücklicherweise können wir FPGAs und andere Tools verwenden, um den gesamten Prozess zu beschleunigen, aber aus Sicht eines Integrators gibt es noch viel zu beachten. “

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Nicht jede Roboterführungsanwendung erfordert vollständiges 3D. Ed Roney, National Account Manager und Bildverarbeitungsexperte bei FANUC America Corp. (Rochester Hills, Michigan), erklärt: „Oft muss der Roboter nur die Entfernung zum Objekt aus der Sicht des Roboters wissen. In diesen Fällen kann 2.5D einwandfrei funktionieren. Wenn sich das Teil jedoch nicht auf einer ebenen Fläche befindet oder der Maßstab des Teils unbekannt ist, ist eine 3D-Punktwolke der richtige Weg. Aber selbst wenn sich das Objekt auf einer ebenen Fläche befindet, wie Kisten auf einer Palette, kann mangelnder Kontrast ein Grund sein, 3D zu verwenden. Ein Roboter, der 2D oder 2.5D verwendet, kann möglicherweise nicht leicht erkennen, wo eine Box endet und eine andere beginnt, da zwischen den beiden Boxen nicht genügend Kontrast besteht. “

Strukturiertes Licht ist eine Möglichkeit, mit der Unternehmen wie SICK und Tordivel AS (Oslo, Norwegen) Kontraste in 3D-Bildern erzeugen. Tordivel, bekannt für seine Scorpion Vision-Bildverarbeitungsbibliothek, hat kürzlich die Scorpion 3D-Stinger-Kamera veröffentlicht. Im Gegensatz zu den meisten Stereovisionskameras, die für jedes Pixel einen Z-Wert erzeugen, basierend auf geringfügigen Unterschieden in den Bildern, die von zwei separaten Kameras aufgenommen wurden, die in einem einzigen Gehäuse eingebaut und durch einen bekannten Abstand voneinander getrennt sind, kombiniert Tordivel Stereovision mit Laserprojektion.

„Der Random Pattern Projector (RPP) garantiert, dass das Objekt eine ausreichende Textur für robuste Stereovisionsberechnungen aufweist“, sagt Thor Vollset, CEO von Tordivel. „Ich würde argumentieren, dass die Lasertriangulation weniger ausgefeilt ist als die Stereovision, da die 3D-Punkte basierend auf dem Winkel zwischen Kamera und Laser erzeugt werden, was in der Tat eine einfache 2D-Berechnung ist. Eine 3D-kalibrierte Kamera weiß, wo sich alle Pixel im Raum bewegen. Dies wird verwendet, um zwischen 2D- und 3D-Bildern mithilfe der 3D-Objektpose zu wechseln und die genauesten 3D-Koordinaten aus den sehr genauen Kanten in den 2D-Bildern zu extrahieren. In einem Lasertriangulationsscanner können die Kanten nicht genau beschrieben werden, da normalerweise mehrere Pixel erforderlich sind, um einen 3D-Punkt zu beschreiben. Ich würde argumentieren, dass die meisten 3D-Punktwolken tatsächlich viel weniger Informationen enthalten als ein 2D-Bild. “ [Hinweis: Befürworter der Lasertriangulation sagen, dass ihre Systeme eine bessere 3D-Auflösung als stereoskopische bieten, aber letztendlich kommt es auf den Abstand, die Laser-Scan-Geschwindigkeit, die Kameraauflösung und andere Faktoren an.]

„Mit unserer Scorpion 3D-Stinger-Kamera und unserer Begleit-Software erzeugen wir eine dichte 3D-Punktwolke und einen hochauflösenden 2D-Bildsatz“, fügt Vollset hinzu. „Beginnend mit dem 3D-Bild können Sie eine Objektposition oder die Objektebene festlegen und dann zum 2D-Bild wechseln, wo wir die genauesten 3D-Messungen durchführen. Vor zwei Jahren hielt ich das nicht für möglich. Jetzt können wir jeden Punkt innerhalb eines Sichtfelds einer Europalette von 800 mm x 1200 mm x 1000 m in einer Sekunde millimetergenau extrahieren. Dies kann beim Laserscannen je nach Laserscanzeit 2 bis 5 Sekunden dauern. Ein weiterer Vorteil von Stereovision ist, dass wir 3D-Daten von sich bewegenden Objekten ohne Latenz erfassen können. “ 

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2D und 3D: Das Beste aus beiden Welten
Während stereoskopische Systeme sowohl hochauflösende 2D-Bilder als auch 3D-Bilder zur Datenverbesserung oder zur Vereinfachung der Verwendung des Systems für den Menschen erzeugen können, verfügt nicht jede Anwendung über den Platz für eine stereoskopische Kamera.

Dank Hochgeschwindigkeits-CMOS-Sensoren kann eine einzelne Kamera mithilfe der Lasertriangulation sowohl hochauflösende 2D-Bilder als auch 3D-Daten erfassen. „Sie können beispielsweise nicht nur alle 1000 Bilder ein hochauflösendes Graustufen- oder Farbbild aufnehmen, sondern auch verschiedene Bereiche im Sichtfeld der Kamera festlegen und entweder 3D- oder 2D-Daten oder beides erfassen“, erklärt Anderson von SICK.

Funktionen wie diese bringen neue Kunden in die 3D-Bildverarbeitung. „Wir haben Kunden in der Snack-Food-Branche, die 3D verwenden, um 100% ihres Produkts zu messen, wenn es auf einem Förderband unter die Kamera gelangt“, sagt Anderson. „Wenn du einen 5-in versprichst. Schokoriegel und Sie produzieren nur einen 4,9-Zoll-Riegel, das ist Betrug. Sie tolerieren sie also zwischen 5 und 5,2 Zoll, um sicherzustellen, dass Sie sicher sind. Aber wenn Sie das auf 5,05 Zoll reduzieren können, spart dieses Unternehmen jedes Jahr Millionen von Dollar. Diese Art von Anwendung wurde von unserem neuen Ranger E entwickelt, der hochauflösende Farbbilder sowie 3D-Lasertriangulation bietet. “ SICK hat kürzlich auch das stationäre Scannen von 3D-Objekten mit einer Technologie eingeführt, die bildbasierten 2D-Codeleserscannern ähnelt.

Mit der Verfügbarkeit neuer Lösungen, die neuen Anwendern der Bildverarbeitung die Einführung der 3D-Technologie erleichtern, erwarten Insider, dass der Markt weiter wächst. „Die mehrdimensionale Bildgebung wächst mit Sicherheit“, bemerkt Roney von FANUC. "Wir sehen immer mehr Kunden, die danach fragen, weil 3D so einfach zu bedienen ist wie 2D-Bildverarbeitung."


Beitragszeit: 01.11.2019