Einfach zu handhaben, flexibel einsetzbar und preislich interessant - diese drei Eigenschaften bringt eine neue Stereo-3D-Kamera mit. Vor allem im Bereich der 3D-Führung von Robotern und der Qualitätsprüfung industrieller Fertigungsprozesse spielt die neue Kamera ihre Möglichkeiten aus.

Entwickelt wurde die vor allem für die Robotik und Qualitätsprüfung interessante Kamera Ensenso N10 von dem gleichnamigen Unternehmen Ensenso aus Freiburg. Die Kamera ist industrietauglich und wird via USB 2.0 angeschlossen. Sie integriert zwei Global-Shutter-CMOS-Sensoren und einen Pattern-Projektor sowie die Software in ein kompaktes Gehäuse. Mit dem Projected-Texture-Stereo-Vision-Verfahren liefert sie detaillierte Tiefenbilder mit genauen Details und vollflächige 3D-Bilder. Den exklusiven Vertrieb hat der Industriekamera-Hersteller IDS Imaging Development Systems übernommen, der damit sein Spektrum an USB2.0- und USB3.0-Kameras um eine flexible und leicht zu integrierende Stereokamera-Modellreihe mit USB-Anschluss erweitert.

Vor allem industrielle Anwendungen profitieren von der Ensenso N10. Im Bereich der 3D-Führung von Robotern oder in der Qualitätsprüfung industrieller Fertigungsprozesse birgt die 3D-Bildverarbeitung zahlreiche Möglichkeiten. Aufgrund der Komplexität und relativ hohen Kosten wurde dieses Potenzial bis dato kaum genutzt. Dabei lassen sich viele Aufgaben in der Robotertechnik und der automatisierten Serienproduktion nur mittels 3D-Informationen zufriedenstellend lösen. Dreidimensionales Sehen und eine genaue Positionsbestimmung ungeordneter Objekte machen beispielsweise den zielsicheren Griff auf unsortierte Bauteile (Stichwort: Griff in die Kiste) für einen Roboter erst möglich. Auch für anspruchsvolle Montageprozesse, wie das Kleben oder Schweißen, ist ein dreidimensionaler Blick Voraussetzung für ein autonomes Arbeiten des Roboters.

Flexibel mit 3D

Ein weiterer Vorteil von 3D Vision liegt in einer deutlich höheren Flexibilität. Viele Anwendungen in der 2D-Bildverarbeitung erfordern spezifische Lösungen auf Seiten der Bilderfassung, die nur mit hohem Aufwand an die sich ändernde Anforderungen angepasst werden können. Eine 3D-Kamera erfasst von vorneherein Form, Größe, Position und Orientierung beliebiger Objekte und macht diese Daten für verschiedene Anwendungen nutzbar.

Dazu verfügt die Ensenso N10 über zwei Global-Shutter-CMOS-Sensoren mit WVGA-Auflösung, einen Pattern-Projektor und eine leistungsfähige Software, auf der das Projected-Texture-Stereo-Vision-Verfahren basiert. Dabei wirft der Pattern-Projektor ein zufälliges Punktmuster auf das aufzunehmende Objekt. Damit werden auf dessen Oberfläche nicht vorhandene Strukturen ergänzt beziehungsweise schwach vorhandene Strukturen hervorgehoben. Das Objekt wird dann von den beiden Bildsensoren entsprechend des Stereovision-Prinzips erfasst und mittels der geometrischen Zusammenhänge der Triangulation können für jeden Bildpunkt die 3D-Koordinaten rekonstruiert beziehungsweise berechnet werden.

In Kombination mit dem neuen Bildvergleichsalgorithmus Semi Global Matching erfasst die Ensenso N10 nicht nur alle im Bildfeld befindlichen Oberflächen nahezu vollständig, sie liefert auch detaillierte Tiefenbilder mit genauen Details und vollflächige 3D-Bilder.

Software übernimmt vielfältige Aufgaben

Die N10-Software übernimmt die Steuerung der beiden CMOS-Sensoren und des Pattern-Projektors sowie die Erfassung und Vorverarbeitung der 3D-Daten. So wird ein Optimum aus Framerate und Bildqualität erreicht und der Auswerte-PC entlastet. Mit besonderen Features, wie zum Beispiel einer telezentrischen Höhenbildfunktion, wird die Datenverarbeitung zusätzlich vereinfacht. Die Software ist zudem für den Einsatz in Mehrkamerasystemen ausgelegt und ermöglicht beliebige Kombinationen von Stereo- und Monokameras, beispielsweise um zusätzliche Farbinformationen oder Barcodes zu erfassen. Durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Kameras lässt sich eine Szene synchron von verschiedenen Seiten aufnehmen, wodurch Abschattungen reduziert und das Bildfeld erweitert werden. Auch im Mehrkamerabetrieb liefert die N10-Software eine einzige 3D-Punktewolke, in der die Daten aller eingesetzten Kameras enthalten sind.

Stehende und bewegte Objekte mit bis zu 30 fps erfassen

Die Ensenso-N10-Stereo-3D-Kamera ist für Arbeitsabstände von 260 bis 1.400 mm und für variable Bildfelder konzipiert. 24 Modelle der Stereo-3D-Kamera mit USB2.0-Schnittstelle sind aktuell erhältlich. Zudem lässt sich mit den angebotenen Brennweiten von 3,6 bis 16 mm ein breites Entfernungs- und Größenspektrum abdecken.

Im Gegensatz zu anderen 3D-Aufnahmeverfahren kann die Kamera sowohl stehende als auch bewegte Objekte mit einer Framerate von bis zu 30 Bildern/s erfassen. Der Pattern-Projektor arbeitet mit gepulstem Infrarot-Licht und ist robust gegenüber Fremdlichteinflüssen.

Mit den beiden Sensoren und dem eingebauten Projektor misst die Stereo-3D-Kamera rund 150 x 45 x 45 mm und hat ein Gewicht von 400 g. Mit dem Aluminiumgehäuse und einem GPIO Connector für 12-24 V Hardware-Trigger, In- und Output ist sie für industrielle Einsätze ausgestattet. Entsprechend sind der 3-polige M8-Sensor/Aktuator-Steckverbinder und der USB-Anschluss auch verschraubbar ausgeführt.

Als kompaktes, synchronisiertes System lässt sich die Ensenso N10 einfach integrieren und liefert metrische 3D-Daten bereits Out of the box. Ein zusätzliches Kalibrieren ist nicht notwendig. Das kostenlose Software-Paket bietet eine Halcon-Schnittstelle sowie eine objektorientierte API (C++) und lässt sich somit optimal und schnell in bereits bestehende Systeme integrieren. Schnell heißt, dass zum Beispiel ein 3D-Surface-Matching in weniger als 10 Minuten via Halcon Interface realisiert werden kann.