3D-basiertes Bildverarbeitungsverfahren

Roboter gut im Auge behalten

Machine-Vision-Technologien machen die Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum leichter. Durch die präzise Erkennung der Position von Objekten lassen sich die Sicherheit sowie die Qualität in der Fertigung erhöhen. Bisher waren zweidimensionale Verfahren Standard, um die genaue Lage von Gegenständen zu bestimmen. 3D-basierte Technologien erlauben es nun, bewegte Objekte in Bildsequenzen zu verfolgen und deren Bewegungsrichtung zu erkennen. Dies eröffnet auch neue Möglichkeiten der Interaktion zwischen Mensch und Maschine in der Robotik.

3D-basierte Bildverarbeitungsverfahren erhöhen die Sicherheit autonomer Gabelstapler. (Foto: MV Tec)

Machine-Vision-Technologien werden in unterschiedlichsten industriellen Anwendungen eingesetzt: Objekte lassen sich schnell und eindeutig erkennen und dadurch Fertigungsprozesse automatisieren sowie beschleunigen. Oberflächen von Bauteilen werden mittels bildverarbeitender Verfahren präzise kontrolliert, fehlerhafte Produkte identifiziert und automatisch aussortiert. Auch die Vollständigkeit von Objekten lässt sich zuverlässig prüfen. Ein besonderer Vorteil von Machine Vision ist die hohe Geschwindigkeit: Die Bildverarbeitungs-Algorithmen benötigen nur Millisekunden, um Bildinformationen zu erkennen. Dadurch können hohe Stückzahlen von Produkten automatisiert und in schneller Reihenfolge geprüft werden. Gegenüber anderen Verfahren der Qualitätssicherung überzeugt die industrielle Bildverarbeitung insbesondere durch die hohe Flexibilität – sowohl was die zu prüfenden Objekte als auch die eingesetzten Geräte wie Kameras und Sensoren betreffen. Damit lassen sich verschiedene anspruchsvolle Aufgabenstellungen lösen, Kosten einsparen sowie die Geschwindigkeit und Robustheit der Erkennungs- und Prüfmethoden erhöhen.

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Ein weiterer Anwendungsfall ist die sichere Positionsbestimmung von Objekten. So können beispielsweise die richtige Lage und das Alignment von Bauteilen während des Bearbeitungsprozesses gewährleistet werden. Standard war hierbei bisher die Verarbeitung zweidimensionaler Bilddaten von einem Bildeinzugsgerät wie etwa einer Kamera. Hierdurch lassen sich bewegte Objekte in der Bildsequenz verfolgen und deren Position bestimmen – allerdings nur im zweidimensionalen Raum, wie beispielsweise Produkte auf einem horizontalen Fließband. Die dreidimensionale Koordination der Gegenstände in komplexeren Bewegungsabläufen ist damit nicht möglich, was die Einsatzmöglichkeiten der Technologie im industriellen Produktionsumfeld einschränkt.

Fahrassistenzsysteme können dank „3D Scene Flow“ dafür sorgen, dass Pkws zuverlässig in der Spur bleiben. (Foto: MV Tec)

Ein neues Verfahren schließt nun diese Lücke und arbeitet mit dreidimensionalen Daten: Das sogenannte 3D Scene Flow von MV Tec nutzt einen sogenannten Mehrbild-Kameraaufbau. Installiert werden hierbei zwei oder mehr Kameras, die Bildinformationen aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufnehmen. Dabei hat jeder Bildpunkt eine X-, Y- und eine Z-Koordinate. Durch eine Sequenz von mehreren Bildern lassen sich nun Objekte, die sich im dreidimensionalen Raum bewegen, verfolgen und exakt lokalisieren. Bestimmen lässt sich hierbei nicht nur die genaue Lage der Dinge, sondern auch deren Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit im Raum. Das Verfahren ist Bestandteil der neuen Version 12 der Machine-Vision-Software Halcon. Damit sind nun erstmals 3D-kompatible Algorithmen zur Auswertung von Bildsequenzen in einem Standard-Softwarepaket enthalten. Die 3D-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten zur Gestaltung automatisierter Produktionsprozesse:

Normalerweise operieren Roboter in abgegrenzten Fertigungszellen. Sensoren melden, wenn eine Person diese Zone betritt. Der Roboter wird automatisch gestoppt, die Folge ist eine teure Unterbrechung der Produktionsabläufe. „3D Scene Flow“ ermöglicht nun eine „sprichwörtliche neue Dimension“ der Interaktion zwischen Mensch und Maschine: Mehrere Kameras überwachen den Arbeitsbereich des Roboters. Kommt ein Mitarbeiter in die Nähe, erkennt die Machine-Vision-Software durch die Sequenz mehrerer Bilder präzise, wo sich die Person genau befindet und in welche Richtung sie sich bewegt. Der Roboter stoppt nur, wenn sich die Bahnen von Mensch und Maschine unmittelbar kreuzen und eine Kollision unausweichlich würde. Teure Maschinenstopps und Produktionsunterbrechungen werden dadurch seltener. Das Unternehmen spart Kosten. Im Rahmen von Industrie 4.0 und Smart-Factory-Szenarien kommen auch immer häufiger mobile Roboter zum Einsatz. Diese bewegen sich eigenständig durch Produktionshallen und arbeiten quasi Hand in Hand mit ihren menschlichen „Kollegen“. 3D-Verfahren analysieren hier verlässlich die Bewegungsrichtung von Robotern und Menschen und sorgen auch hier für eine flüssigere und sichere Interaktion.

Die Position und die Bewegungsrichtung von Objekten können im dreidimensionalen Raum ermittelt werden. (Foto: MV Tec)

Nicht nur die industrielle Produktion, sondern auch der Handel profitiert von dem neuen Verfahren Dies verdeutlicht folgendes Beispiel: In modernen Warenlagern – beispielsweise von Versandhändlern – sind die Kommissionierungsprozesse heute weitgehend automatisiert. Zum Einsatz kommen selbstfahrende Gabelstapler und Hebezeuge, welche die Waren vom Regal zu den Packstandorten transportieren. Zu diesem Zweck werden die Hallen dreidimensional vermessen und es wird ein virtuelles 3D-Modell erzeugt. „3D Scene Flow“ kann nun dafür sorgen, dass sich die Fahrzeuge kollisionsfrei durch die Lager bewegen. An verschiedenen Standorten installierte Kameras nehmen Bildsequenzen auf, mit denen sich die Bewegungsrichtung von Gabelstaplern und Personen ermitteln lässt. Während einfache Sensoren oder Lichtschranken lediglich feststellen, ob sich ein Gegenstand innerhalb einer Gefahrenzone befindet, können 3D-basierte Machine-Vision-Technologien mehr: Sie überprüfen, ob zwei Objekte über die Bewegungsrichtung kollidieren würden. Da sich zuverlässig ermitteln lässt, aus welcher und in welche Richtung sich ein Mensch bewegt, können die selbstfahrenden Fahrzeuge dann sinnvoll ausweichen.

Auch die Automobilindustrie nutzt 3D-basierte Bildverarbeitungsverfahren, beispielsweise in automatischen Fahrassistenzsystemen. Hierfür werden die Fahrzeuge mit Sensoren und Kameras ausgestattet. Anhand von dreidimensionalen Bildinformationen erkennen die Algorithmen zuverlässig, ob sich der Pkw optimal in der Spur der Fahrbahn bewegt, ob Hindernisse die Straße blockieren oder ob andere Fahrzeuge die eigene Bewegungsrichtung kreuzen. Dadurch werden Kollisionen vermieden und die Sicherheit im Straßenverkehr erhöht. Zudem ebnet die Technologie den Weg hin zum selbstfahrenden Auto. Bei der sicheren Positionsbestimmung von Objekten im Raum unterstützen 3D-basierte Bildverarbeitungsverfahren. ee

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