Inline Computational Imaging (ICI) ist ein neues Verfahren für die simultane 2D- und 3D-Inspektion. Es kombiniert Lichtfeld und Photometrie in einer kompakten und robusten Lösung. Speziell für die industrielle Inspektion stellt dieses anpassungsfähige Verfahren eine zukunftsfähige Lösung dar. Die AIT Inline Computational Imaging (ICI) Technologie ist eine neuartige Single-Sensor-Technologie für die simultane 2D und 3D Inspektion von bewegten Objekten. ICI liefert nicht nur detaillierte 3D-Daten, sondern auch pixelgenau rektifizierte hochwertige 2D Farbbilder und ist damit eine zukunftsfähige Lösung für die industrielle Inspektion.

Das Funktionsprinzip hinter ICI ist eine intelligente Kombination der beiden Computational Imaging Methoden Lichtfeld (LF) und photometrisch Stereo (PS). Während die LF-Methode Aufnahmen aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln verwendet, arbeitet die PS Methode mit Abbildungen des Objektes aus fixer Betrachtungsrichtung, jedoch mit unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen um daraus die 3D Rekonstruktion des Objektes zu berechnen. ICI kombiniert beide Methoden (LF und PS) in einem kompakten und einfach zu bedienenden Hardware-Setup, bestehend aus einer Matrixkamera, einem nicht telezentrischen Standardobjektiv und zwei Lichtquellen. Die Kamera wird dabei in einem sogenannten Multi-Line-Scan-Modus betrieben, bei dem nur einzelnen Zeilen der Kamera verwendet werden. Jede der verwendeten Sensorzeilen fungiert dabei als unabhängige Zeilenkamera, die das Objekt scannt, während es sich unter der Kamera vorbeibewegt. Über die Zeit ergibt sich dadurch ein sogenannter ICI-Bildstapel bestehend aus genau so vielen Einzelaufnahmen wie Zeilen ausgelesen wurden. Jede Einzelaufnahme bildet das Objekt dabei unter einem geringfügig anderen Betrachtungs- und Beleuchtungswinkel ab. Der ICI-Bildstapel enthält somit gleichzeitig Lichtfeldinformationen (unterschiedlichen Blickwinkel) als auch photometrische Informationen (unterschiedlichen Beleuchtungswinkel). 

Hochpräzise 3D-Rekonstruktion

Die ICI 3D-Algorithmen sind das Ergebnis langjähriger Forschungsarbeit und sind speziell auf diese Aufnahmesituation abgestimmt. Mittels Multi-View-Korrespondenzanalyse wird das Höhenprofil bzw. eine Tiefenschätzung der gesamten Szene ermittelt. Speziell entwickelte Features gewährleisten dabei Robustheit gegenüber Helligkeits- und Kontrastschwankungen. Die ICI-Algorithmen kombinieren für jeden Bildpunkt die Tiefenschätzung aus dem Lichtfeld mit der Oberflächenrekonstruktion aus der photometrischen Stereoanalysen und erreichen damit ein besonders präzises und detailreiches Rekonstruktionsergebnis.

Optimierte 2D-Bilder

Zusätzlich zur 3D-Punktwolke berechnen die ICI-Alorithmen Farbbilder mit optimierter Bildqualität. Optimierte 2D-Farbbilder, Bilder mit Glanz- und Schattenunterdrückung, All-in-Focus Bilder sowie HDR-Bilder (high dynamic range) werden zur Verfügung gestellt. Flexibel und skalierbar für industrielle Anforderungen: Mittels Parametrierung kann die Anzahl der verwendeten Zeilen an die jeweilige Prüfaufgabe angepasst werden. Die Verringerung der Anzahl der Zeilen heißt höhere Zeilenraten und damit schneller Aufnahmegeschwindigkeiten, geringere Datenmengen und damit kürzerer Rechenzeit jedoch weniger detaillierte Ergebnisse. Eine Erhöhung der Zeilenzahl bedeutet geringere Aufnahmegeschwindigkeiten, höhere Datenmengen, längere Rechenzeiten bei genaueren und robusteren Ergebnissen. Die ICI-Technologie arbeitet typischerweise mit 11 Betrachtungswinkeln und kann für unterschiedliche optische Auflösungen dimensioniert werden. ICI arbeitet mit lateralen Auflösungen von 4 – 100 µm pro Pixel und erreicht bei einer lateralen Auflösung von 20 µm pro Pixel eine Aufnahmegeschwindigkeit von bis zu 200 mm/s.

Unabhängig von den Reflexionseigenschaften des Objekts

Die Kombination der beiden genannten Methoden macht ICI weitgehend unabhängig von den Oberflächeneigenschaften der Prüfobjekte. Abbildung 2 zeigt Ergebnisse unterschiedlicher 3D-Rekonstruktionsmehtoden für eine Szene, bestehend aus einem mattschwarzen Kabelbinder, einer glänzenden Münze und einer Feile. Obwohl diese Szene künstlich produziert wurde veranschaulicht sie die Leistungsfähigkeit der ICI-Methode sehr deutlich. Das linke obere Bild zeigt ein Foto der Szene. Das Bild rechts oben zeigt das Ergebnis einer 3D-Rekonstruktion, die aus zwei Bildern mit einem Standard-Stereo-Algorithmus berechnet wurde. Mit dem Stereo-Algorithmus ist der Kabelbinder in der 3D-Rekonstruktion nicht erkennbar und die glänzenden Bereiche der Münze führen zu Rekonstruktionsartefakten. Insgesamt führt das Stereo-Verfahren für anspruchsvolle Szenen wie dieser zu nicht zufriedenstellenden Ergebnissen. Das linke untere Bild zeigt das 3D-Rekonstruktionsergebnis bei Verwendung eines Multi-Stereo-Algorithmus und des vollständigen ICI-Bildstapels. Hier ist erkennbar, dass durch die Verwendung von mehr als zwei Ansichten die Qualität des Ergebnisses deutlich verbessert wird, so dass alle Komponenten erkannt werden, feine Oberflächendetails jedoch fehlen. Das untere rechte Bild zeigt schließlich die mit dem AIT ICI-Verfahren ermittelte 3D-Rekonstruktion. Mit dieser Methode können alle Objekte exakt rekonstruiert werden: Nicht nur die feinen Details der Feilenoberfläche, sondern auch die feinsten Oberflächendetails der glänzenden Münze und sogar die Ausstoßpunkte des texturlosen schwarzen Kabelbinders sind deutlich erkennbar.

Breites Anwendungsfeld

Die AIT ICI-Technologie ist ein einfaches, aber leistungsstarkes Akquisitionskonzept. In Kombination mit intelligenten Algorithmen ermöglicht sie eine neue Dimension der schnellen und präzisen Inline-Inspektion. Die geringe Systemkomplexität, weitgehende Unabhängigkeit von den Reflexionseigenschaften der Prüfobjekte und die hohe Anpassungsfähigkeit an Genauigkeit und Geschwindigkeit machen das ICI-Verfahren zu einer zukunftsfähigen Lösung für die industrielle Inspektion. Die Einsatzbereiche der ICI-Technologie in der industriellen Inspektion sind vielfältig und reichen von der Elektronik- und Leiterplattenfertigung über Metalle, Materialklassifikation bis hin zur Druckbildinspektion und Prüfung von Sicherheitsfeatures wie Hologrammen und taktilen Elementen, wie Abbildung 3 zeigt.