Mit dem 3D-Verfahren Shape-from-Shading können Informationen zu kleinsten Formabweichungen der Objektoberfläche wie Risse oder Kratzer berechnet werden.

Bild: iStock, Cristian Baitg

Feinsten Details auf der Spur Risse und Kratzer mit 3D-Verfahren erkennen

01.05.2019

Das 3D-Verfahren Shape-from-Shading kann branchenübergreifend vielseitig zur automatisierten Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Aus Helligkeitsverteilungen können Informationen zu kleinsten Formabweichungen der Objektoberfläche wie Risse oder Kratzer berechnet werden. Leistungsstarke Industriekameras mit integriertem Beleuchtungscontroller unterstützen das Verfahren, indem sie den Systemaufbau vereinfachen und eine schnelle Implementierung ermöglichen.

3D-Methoden haben die Welt der Automatisierung erobert und werden in vielen Bereichen der Qualitätssicherung, Logistik und Messtechnik eingesetzt. So verschieden wie die Anwendungen sind auch deren Herangehensweisen. Stereo-Methoden benötigen zum Beispiel zwei Kameras und können nur bei stehenden Objekten eingesetzt werden, was sie langsam macht. Triangulationstechniken beziehungsweise Projektionsverfahren allgemein setzen Bewegung voraus – entweder die der projizierten Messpunkte auf der Objektoberfläche oder die Bewegung des Objekts unter den Messpunkten hindurch. Bei Time-of-Flight wird nur eine Kamera genutzt und die Objekte können sowohl ruhen als auch in Bewegung sein. Beim neigungs- und krümmungsmessenden 3D-Verfahren Shape-from-Shading werden unterschiedliche Beleuchtungsrichtungen zur Vermessung von stehenden oder bewegten Objekten eingesetzt. Die laterale Auflösung (x, y) bestimmt sich durch die eingesetzte Kamera und kann damit sehr hoch gewählt werden. Diese Kombination ermöglicht eine vielseitige Nutzung.

Umgekehrtes Sonnenuhr-Prinzip

Shape-from-Shading ist konzeptionell relativ einfach und kann als umgekehrtes Prinzip einer Sonnenuhr aufgefasst werden. Bei dieser wird über die Lage des Schattens und bei bekannter Höhe des Stabs die Höhe und Richtung der Sonne und damit auch die Uhrzeit – bei Hightech-Sonnenuhren sogar der Tag – bestimmt. Als 3D-Verfahren angewendet, nutzt man umgekehrt eine bekannte Beleuchtungsrichtung und misst im übertragenen Sinne über die Länge des Schattenwurfs die Höhe. Eine vollständige Information über die Oberflächengradienten kann durch die Verwendung von mindestens drei, in der Praxis typischerweise vier, unabhängigen Beleuchtungsrichtungen gewonnen werden. Aus den Gradienten wird dann auf die Höhen z (x, y) geschlossen.

In vielen Anwendungen werden die Beleuchtungen sequentiell geschaltet und die Bilder in Serie mit einer Kamera aufgenommen und anschließend mittels Software ausgewertet. Bei der Vermessung von bewegten Objekten unterstützt eine sehr kurze Belichtungszeit die Minimierung der Bewegungsunschärfe. Alternativ lässt sich die Beleuchtungsrichtung auch über die Farbe kodieren. Eine 3-Chip-Kamera erzeugt dann in nur einer Aufnahme die notwendigen unabhängigen Bilder. Farbkameras eignen sich aufgrund des hohen Farbübersprechens der verwendeten Bayer-Filter für Shape-from-Shading nicht.

Geometrische Abweichungen schnell erkennen

In den letzten Jahren fand Shape-from-Shading vor allem in der Inline-Oberflächenprüfung und Sortierung großen Anklang. Ein Grund dafür ist, dass durch die Verrechnung der Grauwertbilder, die von unterschiedlichen Beleuchtungsrichtungen herrühren, die Unterschiede in der Reflektivität (Albedo) der Oberflächen herausgerechnet werden können. So kann zwischen geometrischen Abweichungen und reinen farblichen, Reflexions- oder Texturänderungen einfach und schnell unterschieden werden. Bei anderen Methoden ist diese Trennung deutlich aufwändiger. Anwendung findet dieses Verfahren etwa in der Verpackungsindustrie, beispielsweise wenn Informationen in Blindenschrift als erhabene Braille-Punkte auf Richtigkeit oder Qualität inspiziert werden müssen, während sich darunter die bedruckte Schachtel mit Schrift befindet.

Shape-from-Shading einfach anwendbar

Idealerweise werden vier Beleuchtungen sequentiell angesteuert, passend dazu die Grauwertbilder aufgenommen und an eine Auswerteeinheit gesendet. Inzwischen stehen Kameras wie die CX.I-Modelle der CX-Serie von Baumer zur Verfügung, die über vier separat schaltbare Power-Ausgänge verfügen. Dank integriertem GenICam kompatiblen Sequencer und Ausgängen mit bis zu 48 Volt / 2,5 Ampere können die Beleuchtungen direkt aus der Kamera heraus gesteuert und die Bildaufnahme getriggert werden. Dadurch entfällt ein externer Beleuchtungscontroller mit seinen Kosten und Verkabelungsaufwand komplett.

Um hohe dynamische Prüfraten zu erreichen, sollten die eingesetzten Kameras aber nicht nur hohe Bildraten aufweisen, sondern auch sehr kurze Belichtungszeiten ermöglichen. Mit den CX.I-Kameras können die Bilder sogar im Burst Mode mit maximaler Bildrate in der Kamera aufgenommen und anschließend entsprechend der verfügbaren Bandbreite mit niedrigerer Framerate an die Auswerteeinheit gesendet werden. Die eingesetzten Sony Sensoren liefern Aufnahmen mit einem hohen Dynamikumfang, um eine stabile Auswertung auch von metallisch glänzenden Oberflächen sicherzustellen. Dank der minimalen Belichtungszeit von einer Mikrosekunde kann zudem die Bewegungsunschärfe deutlich reduziert und damit ein hoher Produktionsdurchsatz erzielt werden.

Die Weiterentwicklung von Kameras mit integriertem Beleuchtungscontroller für vier Ausgänge ermöglicht es, die Anzahl der Komponenten in einem Shape-from-Shading Aufbau zu reduzieren. Dadurch werden Kosten für Material und Integration eingespart. Damit wird der Systemaufbau vereinfacht, weniger fehleranfällig und schneller umsetzbar.

Zusatzinfos: Shape-from-Shading

Shape-from-Shading ist ein neigungs- und krümmungsmessendes 3D-Verfahren, das in der automatisierten Qualitätskontrolle vor allem für Inline-Oberflächeninspektionsaufgaben angewendet wird. Es ermöglicht die sichere Erkennung von Formabweichungen wie Risse, Kratzer, Poren oder Kerben – vor allem auf planen Flächen.

Das zu prüfende Objekt wird dazu beispielsweise aus vier verschiedenen Richtungen nacheinander beleuchtet und mit je einem Grauwertbild aufgenommen. Anhand der sich ergebenden Oberflächenschattierungen können in der anschließenden Bildauswertung Neigungs- und Krümmungsinformationen ermittelt werden, die Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes geben. So können selbst auf spiegelnden oder glänzenden Oberflächen kleine geometrische Strukturabweichungen sicher erkannt werden.

Bildergalerie

  • Bei Shape-from-Shading-Anwendungen wird das zu prüfende Objekt beispielsweise aus vier verschiedenen Richtungen nacheinander beleuchtet und mit je einem Grauwertbild aufgenommen.

    Bild: Baumer

  • Die CX.I-Kameras verfügen über vier Power-Ausgänge mit Pulsbreitenmodulation und einer Ausgangsleistung von bis zu 120 Watt (maximal 48 Volt / 2,5 Ampere) zur direkten Ansteuerung externer Beleuchtungen.

    Bild: Baumer

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