Exakte Bildauswertung

Entzerrung aus der Vogelperspektive

Verzeichnete Bilder, die mit einem starken Weitwinkelobjektiv aufgenommen wurden, sind für industrielle Bildverarbeitungsanwendungen nur bedingt verwendbar. Baumer stellt für die Verisens-Vision-Sensoren eine Lösung gegen die perspektivische Verzerrung vor.

Extreme Weitwinkel wie Fischaugen-Objekive fangen eine ganze Szenerie in einem Bild ein. Doch so ein 180-Grad-Rundumblick fordert seinen Tribut. Das Bild ist kreisförmig und an den Rändern fließt es entsprechend zusammen. Für industrielle Bildverarbeitungsapplikationen sind Weitwinkel häufig ebenfalls sinnvoll. Mit wenig Bauraum kann ein großes Objekt aus der Nähe überwacht werden. Die damit einhergehende Objektivverzeichnung ist jedoch meist kontraproduktiv, denn die Objekte sehen so erst einmal „krumm“ und damit fehlerhaft aus.

Eine ungewollte Abweichung des Bildes vom realen Objekt entsteht nicht nur durch die allseits gebräuchlichen sogenannten entozentrischen Objektive. Auch die Anordnung von Kamera oder Vision-Sensor zum Objekt kann eine Rolle spielen. So entsteht eine veränderte Abbildung, wenn seitlich auf das Objekt geschaut werden muss, um beispielsweise Robotern oder Menschen einen ungehinderten Zugriff im gleichen Arbeitsbereich zu ermöglichen. Bildverarbeitung in der Industrie zielt auf Ergebnisse, um Aussagen über die Qualität des Objektes zu treffen oder Position und Orientierung an ein Handling-System zu übermitteln. Ein verzerrtes oder verzeichnetes Objekt ist deshalb zur genauen Ergebnisfindung häufig weniger geeignet. Bei Pick-and-Place Applikationen funktioniert eine exakte Roboterpositionierung ohne Korrekturmaßnahmen gar nicht.

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Eine einfache Methode ist, nicht das Bild, sondern ausschließlich die Koordinaten zu korrigieren, nachdem diese durch eine Kalibrierung eingelernt wurden. Das Problem dabei: Menschen nehmen ungefähr 80 Prozent der Informationen über die Augen auf. Eine Applikation an einem verzerrten Bild einzurichten und diesen Zustand später als Visualisierung zu nutzen, bleibt eine Herausforderung mit Fehlerpotential. Einfachheit und gute Bedienbarkeit sind gerade im komplexen Bereich der Bildverarbeitung entscheidend.

Die optimale Lösung ist deshalb, das gesamte Bild mittels Kalibrierung, mathematischer Verfahren und hoher Rechenleistung vollständig zu entzerren. Wie ist das möglich? Kennt man das ideale Bild, kann man anhand des durch den Vision-Sensor „gesehenen“ Bildes und einer bekannten Vorlage die Abweichung ableiten. So kann sogar eine seitlich verzerrende Sicht, wie sie bei schräger Montage auftreten kann, genauso wie die Verzeichnung durch das Objektiv mathematisch korrigiert werden.

Ausgewählte 700/800er Verisens-Modelle der XF- und XC-Serie unterstützen die Bildentzerrung in Echtzeit bereits oder können mit einem einfachen Software-Update nachgerüstet werden. Nach einer Bildkalibrierung mittels einer Kalibrierplatte kennt der Vision-Sensor die Bildverhältnisse aus Einbauposition, Blickwinkel und Objektiv und korrigiert das gesamte Bild automatisch. So ähnelt es einer Vogelperspektive. Die Inspektionsaufgabe erfolgt damit auf einem „idealen“ Bild ohne störende Verzerrungen. Objekte entsprechen damit wieder dem durch den Menschen wahrgenommenen Aussehen. Das ist für den Anwender einfach und unterstützt so bei einer korrekten und schnell eingerichteten Applikation.

Das Kalibrieren ist ein einfacher und strukturierter Prozess, der kein Lesen einer Dokumentation erfordert. Intelligente Algorithmen im Hintergrund prüfen permanent die Kalibrierbedingungen und geben Hinweise, wann das Teachen sinnvoll ist. Der Anwender ist nur dort gefragt, wo die Verisens-Vision-Sensoren weitere Informationen benötigen.

Eine schräge Montage ändert auch die Beleuchtungsverhältnisse, da ein Teil der Lichtquelle weiter entfernt vom Objekt ist. Deshalb wurde gleichzeitig eine optionale Shading-Korrektur implementiert. Es genügt ein weißes Blatt Papier als Vorlage, um den Algorithmus mit einem Mausklick die Idealsituation einlernen zu lassen. Im Ergebnis geht dies dann mit in die Bildkorrektur ein und reguliert die Bildhelligkeit für jeden Bildpunkt passend zur Einbausituation.

Der Abgleich mit Weltkoordinaten ist eine etablierte Funktion der Verisens-Vision-Sensoren. Damit können statt Pixeln beliebige Maßeinheiten verarbeitet werden. Das unterstützt Anwendungen wie Maßprüfung und Pick-and-Place, bei denen die Denkweise in Pixeln oft nicht genügt. Das Einlernen der Weltkoordinaten profitiert von der Bildstruktur der Kalibrierplatte für die Bildverzeichnung und nutzt deren quadratische Struktur für eine automatische Einrichtung.

Ein entzerrtes Bild ist eine optimale Voraussetzung für anspruchsvolle Maßprüfungen. Einflüsse der perspektivischen Lage des Objektes können zusätzlich zur Objektivverzeichnung reduziert werden. Erleichtert werden auch Anwesenheits- und Vollständigkeitsprüfungen, bei denen der Vision Sensor oft schrägt montiert werden muss, um Spiegelungen zu vermeiden oder den Zugriff zu erleichtern. Dank der Bildentzerrung hat dies keinen Einfluss mehr auf die Aufnahme und Prüfung von Objekten und Aufdrucken.

Nutzen Roboter zur Orientierung die Bildverarbeitung, kommt zum Roboter-Koordinatensystem, welches naturgemäß unverzerrt ist, das Koordinatensystem der Bildverarbeitung dazu. Ist dieses entzerrt, passend skaliert und auf Ursprung und Orientierung adaptiert, können dem Roboter direkte Positionen der Objekte übermittelt werden. Visuell gibt es dabei keinerlei Abweichungen zwischen Bild und Roboterorientierung. Bei fest installiertem Vision-Sensor über dem Roboter ist die Bildverarbeitung dem Roboter möglicherweise bei Pick-and-Place Anwendungen im Weg. Eine schräge Installation löst das Problem unter Zuhilfenahme der Entzerrung.

Verisens-Vision-Sensoren sind dabei in der Lage, mehrere Objekte gleichzeitig zu erfassen und dem Roboter intelligenten Input zu geben. Dabei ist beides, die optimale Anordnung der Objekte als auch die Berücksichtigung ungewünschter Teileüberlagerungen, möglich.

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