INSPECT Ausgabe 2, April 2010

Zeile für Zeile Stereo
Scannende 3D-Vermessung mit Zeilenkameras

In der Fertigung und Qualitätssicherung spielen berührungslose, dreidimensionale Form- und Lageerfassungen eine wichtige Rolle. Zugleich verlagern sich deren Anwendungsschwerpunkte von der stichprobenorientierten Vermessung außerhalb der Fertigungslinie in Richtung einer 100%-igen Inline-Kontrolle. Dafür eignen sich scannende Stereoverfahren mit Zeilenkameras.

Neben einigen sehr speziellen und in der Regel aufwändigen nicht-optischen Messverfahren, etwa Computer-Tomographie oder Ultraschallmethoden, sind es vorrangig optische Verfahren, die zur 3D-Vermessung eingesetzt werden. Die heute am häufigsten eingesetzten Messprinzipien, Lasermesstechnik und (meist phasenschiebende) Streifenprojektionsverfahren, haben in der Praxis oft eine Reihe von Nachteilen, die erst bei genauerer Problemanalyse deutlich werden: Die Arbeitsabstände können keineswegs so frei verändert werden, wie sich das der Anwender wünscht, wodurch die Verfahr-Strategien der Messsysteme erheblich erschwert werden. Bei größeren Abweichungen der Flächennormale des Bauteils am Beobachtungsschnitt im Verhältnis zum einfallenden Projektionsstrahl treten zunehmend Ungenauigkeiten und Messprobleme auf. Auch die Reflektanz-Eigenschaften der Oberflächen und die Größe der Bauteile erschweren die Messungen. Unabhängig davon stellt die durch das System zur Verfügung gestellte Messpunktwolke noch keine aussagekräftige 3D-Form- und Lagevermessung dar. Erst jetzt beginnt die eigentliche algorithmische Passung auf die CAD-Geometrie, um einen lokalisierten Soll/Ist-Vergleich durchführen zu können.

Scannender Stereo-Betrieb

Echte Stereorekonstruktionsansätze, wie sie in der wissenschaftlichen Fachliteratur behandelt werden, finden sich nur sporadisch in Industrieanwendungen wieder. Sie scheinen für den scannenden Betrieb wenig geeignet, und für große Sichtwinkel und breite Bauteile glaubt man die gleichen Nachteile wie bei den klassischen optischen Messmethoden vorzufinden. Darüber hinaus sind für den praktischen Einsatz Mehrkamerasysteme im Multistereobetrieb notwendig. Die bei klassischen Stereo-Rekonstruktionsansätzen benötigten Bildmerkmale wie markante Punkte und markante Konturen müssen für Genauigkeitsanforderungen des Industrie-Einsatzes durch neuartige Konzepte ersetzt werden.

Dennoch gelingt es auf diesem Weg, hervorragende 3D-Messsysteme für den scannenden Inline-Betrieb zu realisieren. Eingesetzt werden nicht etwa Matrixkameras, wie in klassischen Stereosystemen, sondern Zeilenkameras. Je zwei dieser Zeilenkameras ergänzen sich, in Linie angeordnet, zu einem partiellen Zeilen-Stereosystem, das eine ausgefeilte und fein abgestimmte Kalibriertechnik erfordert. In der gemeinsamen Scanebene der Zeilenkameras erfolgt die Stereo-Rekonstruktion, die in der Regel eher modellbasiert ist, um die Oberflächen- und Beleuchtungseigenschaften zu berücksichtigen.

Je nach Anwendung kann entweder der Scanaufbau linear verfahren werden oder das Messobjekt wird gleichmäßig unter der Messbrücke durchbewegt. Weil die Messinformation zeilenweise (in voller Bauteilbreite) generiert wird, entstehen Zeitstapelbilder des vermessenen Bauteils mit voller und detaillierter 3D-Information.

Vielfältige Einsatzfelder

Mit dem scannenden Ebenenschnitt-Stereoverfahren sind selbst große Scanbreiten über mehrere Meter problemlos erfassbar und auch Oberflächen mit schwierigen Reflektanzeigenschaften können durch Wechselbelichtungstechniken vermessen werden. Die Bauteil-oder Scanner-Verfahrung ist linear und eine Integration mit lasergestützten Detailvermessungen ist jederzeit möglich. Voraussetzung für den praktischen Einsatz von Zeilenstereosystemen ist die ausreichende optische Strukturierung der Bauteile oder der zu vermessenden Objektdetails. Es können Objektkanten oder markante Punkte, aber auch räumliche Sichtbarkeitsgrenzkurven sein, die die Stereorekonstruktion unterstützen. Nur in schwierigen Fällen wird zusätzlich strukturiertes Licht zur Erzeugung markanter optischer Oberflächenstrukturen verwendet.

Die Einsatzfelder scannender Zeilenstereosysteme sind vielfältig. Sie eignen sich vor allem für die schnelle Vermessung großer Bauteile, die Verschnittoptimierung, die geometrieabhängige Typerkennung und die räumliche Lageerkennung von Werkstücken.