Sowohl das Lichtfeld als auch der Einsatz von Lasern sind in der industriellen Bildverarbeitung gängige Verfahren zur Bildgebung. Doch was unterscheidet die beiden Verfahren, wo liegen die jeweiligen Vorteile?
Leider weder Laserschwert noch Lichtshow: Lasertriangulation ist eine weitverbreitete Bildverarbeitungs-Methode. Die Lichtfeld-Technologie hingegen hat sich noch keinen solchen Namen gemacht – industrielle Lösungen gibt es hier erst seit wenigen Jahren. Zwar helfen beide Techniken bei der Nutzung von 3D Machine Vision, trotzdem unterscheidet beide mehr als man denken möchte.
Laser in der industriellen Bildverarbeitung
Omen est nomen: Laser lautet die Abkürzung für „light amplification by stimulated emission of radiation“ (Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) . Dahinter verbirgt sich ein hoch konzentrierter gerichteter Lichtstrahl. Je nach Anwendungszweck kann dieser Strahl verschiedenste Formen annehmen. Die daraus entstehenden Geometrien helfen, optische Elemente und Effekte zu erzeugen. So lassen sich auch über weite Entfernungen präzise Aussagen zu Beschaffenheit und Maß von Werkstücken jeder Art treffen.
Zu den meistgenutzten Formen gehören:
- Laserpunkte,
- Laserlinien,
- Lichtschnitte,
- Punktfelder,
- Kreise,
- Liniengitter.
Zusätzlich lassen sich diese Muster häufig kombinieren, um so noch aussagekräftigere Ergebnisse über die Oberflächenbeschaffenheit eines Objekts zu erhalten. Alles, was es dafür braucht, sind ein oder mehrere passende Laser, eine aufnehmende Kamera – und möglicherweise etwas Kreativität für das Setup.
Lasertriangulation für industrielle Mess- und Prüfaufgaben
Ist all das vorhanden, lassen sich über Laser-basierte Bildverarbeitung verschiedenste Mess- und Prüfaufgaben lösen. Bei dieser Lasertriangulation muss der Winkel zwischen Kamera und Objektiv bekannt sein – gemeinsam mit den Objektpunkten entsteht so ein Punkte-Dreieck. Über dieses lassen sich die einzelnen Objektmarken triangulieren, also berechnen. Indem der Laser – ähnlich wie eine Zeilenkamera – über das Objekt hinwegfährt, entstehen Höhenprofile. Zunächst sind diese als sog. Range Map, eine Art 2,5D Bild aus Grauwerten und farbcodierten Entfernungen, verfügbar. Erst im Anschluss wird daraus eine Punktwolke berechnet.
Da Laser bei der Abtastung sehr gerichtet und häufig mit feinen Linien arbeiten, ist das Ergebnis meist hochpräzise. Liegt die Messauflösung pro Linie höher als wenige Pixel, berechnet eine zugehörige Software aus den Messergebnissen einen exakten Bildpunkt.
Die Laser-basierte Bildaufnahme kommt aber auch an Grenzen: So sind Abschattungen je nach Objektform eine große Herausforderung. Denn hinter einer hohen Objektkante gibt es keine Laserlinie mehr. Dadurch verdeckte Strukturen und potenzielle Objektfehler erkennt das System dann nicht mehr. Hier hilft nur ein anderer Aufnahmewinkel oder der Einsatz von mehreren Laser-Kamera-Vorrichtungen.
Werkstücke im Vorüberziehen prüfen? Leider keine Option für Laser-Systeme. Sie sind auf ruhende Objekte angewiesen. Schwierig wird die Erkennung außerdem für glänzende oder reflektierende Objekte – die zusätzlich benötigte Kamera kann dann möglicherweise nicht mehr zuverlässig zwischen Laser und Teil unterscheiden. Und eine weitere Oberflächenart stellt Laser vor eine besondere Herausforderung: Raue Oberflächen führen zu Specklemustern oder Lasergranulation. Aus einer Linie wird dann ein gepunktetes oder ausgefranstes Muster, das eine exakte Vermessung erschwert.
Vorsicht im Umgang mit Lasern
Zu bedenken ist ebenfalls, dass der Einsatz von Lasern mit erhöhten Sicherheitsvorkehrungen in der Werkhalle einhergeht. Denn aufgrund ihrer hohen Lichtkonzentration sind Laser (abhängig von ihrer Laserklasse) für Personen sowohl auf der Haut als auch in den Augen gefährlich. Besonders trügerisch: häufig unbemerkte Streustrahlung. Auch sie verursachen auf der Netzhaut nachhaltige Schäden.
Schließlich gilt Vorsicht auch für den Laser selbst: Aufgrund ihrer hohen Präzision sind sie sehr empfindlich für äußere Einflüsse. Hinzu kommt, dass die während des Betriebs ausgestrahlte Hitze des Lichts das Material schneller altern lässt. Kurze Belichtungszeiten sollten daher im Fokus stehen.
Lichtfeld in der Machine Vision
Das Lichtfeld hingegen folgt einem anderen Technologie-Ansatz: Statt punktgenau gerichtetem Licht setzt das Lichtfeld auf die Gesamtheit aller Licht-Informationen einer Szene. Beschrieben durch die sog. Plenoptische Funktion, nutzen diese Systeme Lichtstrahlen aus jedem Ort der Szene sowie der Betrachtungsort, um ein vollumfängliches Licht-Bild zu zeichnen.
Praktische Umsetzung durch Kamera-Arrays
In der Praxis lässt sich das Lichtfeld durch Mikro-Linsen-Arrays oder Multi-Kamera-Arrays abbilden. Diese helfen, das Lichtfeld von einer einzelnen Aufnahme-Perspektive zu lösen. Dadurch reduzieren sich Verdeckungen sowie Glanzeffekte auf z.B. Metall. Die unterschiedlichen Schattenwürfe und Perspektiven helfen zudem, auch komplexe Oberflächen wie Faserverbundwerkstoffe oder Plastik zu erfassen. Dafür benötigen Lichtfeld-Kameras üblicherweise keine komplizierten Zusatzaufbauten oder Beleuchtungen.
Auch Sicherheitsvorkehrungen entfallen – Lichtfeld-Kameras verursachen keine weiteren Lichteinflüsse. Gleichzeitig können sie aufgrund ihres Mehrwinkel-Ansatzes mit vorherrschenden Gegebenheiten oft problemlos umgehen. Dadurch lässt sich das Lichtfeld auch multi-funktional einsetzen. Abhängig von der eingesetzten Software, eignen sich Lichtfeld-Lösungen sowohl zur Objekterkennung, für Prüf- und Messaufgaben als auch für das automatisierte Handling von Werkstücken. Dabei helfen die durch das Array aufgenommenen Tiefeninformationen.
Praktisch ist ebenfalls die Aufnahme-Geschwindigkeit: Bereits eine kurze Verschlussdauer genügt. Aus den gelieferten Informationen berechnet das System üblicherweise in unter einer Millisekunde eine präzise Punktwolke. Für zusätzliche Dokumentationszwecke lassen sich die einzelnen Bilder ebenfalls abspeichern. Der Speicherbedarf ist dabei allerdings nicht zu vernachlässigen.
Lichtfeld vs. Laser – welches Verfahren ist besser?
Pauschal lässt sich diese Frage nicht beantworten. Denn abhängig vom konkreten Einsatz kann das ein oder andere Bildgebungsverfahren seine Stärken ausspielen. Lasertriangulation bietet hochpräzise Ergebnisse, die jedoch zusätzliche Sicherheitsaspekte mit sich bringen. Das Lichtfeld trumpft durch weniger Verdeckungen und Glanz, benötigt aber hohe Speicherkapazitäten, wenn alle Informationen gesichert werden sollen.
Einen kompakten Überblick über die verschiedenen Vor- und Nachteile beider Systeme liefert Ihnen auch unsere Infografik. So können Sie selbst entscheiden, ob Lichtfeld oder Laser für Ihre Anwendung das richtige Verfahren ist:
